CN116113143A - 一种冷却板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电路板冷却技术领域，尤其涉及一种冷却板，用于冷却电路板上的第一发热元件和多个第二发热元件，第一发热元件的面积实质上大于第二发热元件的面积，该冷却板包含平板本体，该平板本体又包含有用于给第一发热元件散热的第一散热区域以及给第二发热元件散热的第二散热区域，第二散热区域与第一散热区域相连接，多个第二发热元件分布于第一发热元件两侧，而平板本体的形状为I字型。该冷却板利用平板本体同时冷却电路板上的第一发热元件以及多个第二发热元件，基于此，本发明确实可以有效的透过该冷却板来达成对具有不同的多数个发热元件的电路板进行散热的目的。

Description

一种冷却板

技术领域

本发明涉及电路板冷却技术领域，尤其涉及一种同时冷却电路板上的第一发热元件和多个第二发热元件的冷却板。

背景技术

伴随着资讯化时代的不断进步，各行各业对于存储伺服器(server)的需求量在不断增长，同时对伺服器工作的稳定性也提出了高要求性，一台伺服器要能够正常地运行会需要各个元件与供电系统之间的相互配合。一般来说，在现有技术当中，通常伺服器的主机板上都会装设有所谓的电压调节(voltage regulator，简称VR)晶片用以调节各负载电压，此电压调节晶片会将供电单元(power supply unit，简称PSU)中的电压转换为指定电压后提供给相应负载元件，以供这些元件能够正常地工作。而中央处理器(central processingunit，简称CPU)作为伺服器当中的核心元件，其工作的稳定性就会直接地关系到整个伺服器系统的运行，故电压调节晶片的作用也尤为重要。

为了要使得电压调节晶片能够稳定地运行，其工作的热环境尤为重要。而目前的机台系统内部，电子零件布置地较为密集，另外，中央处理器的散热器也占用了较大的空间，这将导致电压调节晶片的散热器可布置的空间十分有限。这种情况下导致采用的电压调节晶片的散热器上的鳍片换热面积较小，进而导致散热器换热性能不高。

承上所述，现有设计中存在以下几点问题：1.现在的大部分伺服器所用的液冷方案当中，大多数都是围绕着中央处理器采用冷板式的液冷散热，对于电压调节晶片等其余元件则采用传统风冷的方式；2.然而传统风冷散热方案的散热效率较低而且噪音较大，而电压调节晶片的局部能耗较高且散热面积有限，难以有效的对于电压调节晶片进行散热；3.对于电压调节晶片元件，依旧采用风冷散热方案，即使中央处理器采用冷板式液冷散热方案，由于电压调节晶片的局部能耗属于较高，散热风扇依旧需要保持高转速才能使之散热，导致节能效果并不显著；4.电压调节晶片在伺服器中一般是多颗的晶片，且布局较为分散，布置冷板式液冷的难度较大，而且目前市场上并没有能够较好适配于电压调节晶片的液冷板。

发明内容

本发明的目的在于提供一种冷却板，能够同时冷却电路板上的主要发热元件以及其他的多个发热元件。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种冷却板，用于冷却电路板上的第一发热元件以及多个第二发热元件，且所述第一发热元件的面积实质上大于所述第二发热元件的面积，冷却板包含平板本体，所述平板主体包含有：第一散热区域，与所述第一发热元件相邻接并用以散热，且所述第一散热区域的面积至少完全覆盖住所述第一发热元件的面积；以及第二散热区域，与多个所述第二发热元件相邻接并用以散热，且所述第二散热区域的面积至少完全覆盖住多个所述第二发热元件的面积，其中，所述第二散热区域与所述第一散热区域相连接；其中，多个所述第二发热元件分布于所述第一发热元件的两侧，而所述平板本体形状为I字型。

可选地，还包含有盖板，所述盖板至少完全覆盖住所述第一发热元件的面积，所述盖板为中空状，其包含有一进液口以及一出液口，所述盖板内充满有冷却液，且由所述进液口进入以及由所述出液口流出，用以进一步使所述第一发热元件散热。

可选地，所述第一散热区域具有第一高度，所述第二散热区域具有不同于所述第一高度的第二高度，分别用以与所述第一发热元件、以及多个所述第二发热元件相贴合。

本发明的有益效果为：由于本发明中的冷却板是利用平板本体同时冷却电路板上的第一发热元件以及多个第二发热元件，基于此，本发明确实可以有效的透过该冷却板来达成对具有不同的多数个发热元件的电路板进行散热的目的。

附图说明

图1是显示本发明较佳实施例所应用在电路板上的示意图；

图2是显示本发明较佳实施例所提供的冷却板的结构示意图；

图3是显示本发明较佳实施例所提供的冷却板之结构侧视图；

图4是显示应用本发明较佳实施例所提供的冷却板的热模拟工况表；

图5显示应用本发明较佳实施例所提供的冷却板的电压调节晶片的热模拟结果表。

图中，10、电路板；11、第一发热元件；12、第二发热元件；2、冷却板；20、平板本体；21、第一散热区域；211、第一高度；22、第二散热区域；221、第二高度；23、盖板；231、进液口；232、出液口；233、螺钉。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

如图1所示的是本发明较佳实施例所应用在电路板10上的示意图，详细的结构说明如下：如图1是在伺服器内部的电路板10上的一个第一发热元件11与多个第二发热元件12(图中仅标示一个)上的分布图，而多个第二发热元件12分布于第一发热元件11的两侧，有如I字型。其中，第一发热元件11为一中央处理器，而第二发热元件12为一电压调节晶片，本说明书中的实施例后续都将以中央处理器、以及电压调节晶片来举例进行说明，亦即图1所显示的是中央处理器和多个电压调节晶片的分布图，于图1中体现了中央处理器和电压调节晶片等在水平面上的相对位置。从图1中可以看出，在伺服器内部中所具有的电压调节晶片的数量较多，于图1上分布有23颗电压调节晶片，可以依照电路板10上的分布来做决定，分别对其进行编号排列以进行后续的热模拟分析。

而由于电压调节晶片的特点是表面积较小，且分布较为分散，利用传统的散热方式多为采用风冷式的散热器，然而，风冷散热方式由于换热效率并不高，电压调节晶片的表面温度容易超过85℃，从而将拉动风扇的转速提高，将造成较高的能耗。本发明将中央处理器的和电压调节晶片等的散热区域集成于同一块的冷却板2上来进行散热，如图2所示的冷却板2即能够有效地避免前述问题发生。

请参考图2，显示本发明较佳实施例所提供的冷却板2的结构示意图，其中，冷却板2为中央处理器和电压调节晶片的散热区域的集成。本发明的冷却板2用于冷却电路板10上的第一发热元件11以及多个第二发热元件12，且第一发热元件11的面积实质上大于第二发热元件12的面积。

冷却板2包含有一个平板本体20，该平板本体20包含有：第一散热区域21，与第一发热元件11相邻接并用以散热，且第一散热区域21的面积至少完全覆盖住第一发热元件11的面积；以及第二散热区域22，与多个第二发热元件12相邻接并用以散热，且第二散热区域22的面积至少完全覆盖住多个第二发热元件12的面积，其中，第二散热区域22与第一散热区域21相连接。

由于中央处理器和多个电压调节晶片在水平布局上的位置相差较远，且电压调节晶片之间分布较为分散，所以冷却板2的布局呈现I字型。故需要散热的区域也主要分为两个散热区域，图2的中央部分框线内为冷却板2的第一散热区域21，能将中央处理器的面积全部覆盖在内，而位于旁边两侧的两个框线内为冷却板2的第二散热区域22，能够将所有的电压调节晶片全部覆盖在内。

另外，若是可以同时采用液冷技术以其低电力使用效率(power usageeffectiveness，简称PUE)和高绿色化程度的优势，也成为散热方面的热点，尝试将液冷技术同时运用于冷却板2当中。因此，本发明的冷却板2是可同时再将液冷技术也运用到伺服器的电压调节晶片内以进行散热，采用液冷技术对于电压调节晶片进行散热，换热效率更高。

其中，冷却板2上更包含有一盖板23，采用铝的材质作为加工材料所制成，且盖板23至少完全覆盖住第一发热元件11的面积，盖板23为中空状结构以形成内腔，其表面上还设有两处定位孔(图中未示)用于安装一进液口231以及一出液口232。进液口231以及出液口232分别连接到一外部管路(图中未示)以供应进入冷却液来循环流动借以吸热，亦即于盖板23内充满有此冷却液，且由进液口231进入以及由出液口232流出，用以进一步使第一发热元件11来进行散热。另外，盖板23的四周还设有四个定位孔(图中未示)用以让螺钉233(图中仅标示一个)将盖板23固定在冷却板2上。

其中，如前所述的冷却液材质选自于水、乙二醇、丙二醇、油、氟化液、中的一种。

另外，由于第二发热元件12分布在第一发热元件11的两侧，故冷却板2的平板本体20之形状亦对应地设计成为I字型结构，若是第一发热元件11与多个第二发热元件12分布为其他形状，本发明中平板本体20的形状亦可对应地进行设计出相应形状来覆盖住。

请参阅图3所示，显示本发明较佳实施例所提供的冷却板2的结构侧视图。其中，第一散热区域21具有第一高度211，第二散热区域22具有不同于第一高度211的第二高度221，分别用以与第一发热元件11、以及多个第二发热元件12相贴合。

具体的，由于实施例当中的第一发热元件11为中央处理器，而第二发热元件12为电压调节晶片，在实际的伺服器当中的中央处理器和电压调节晶片不处在同一个水平面上，而中央处理器的高度一般来说都会高于电压调节晶片，且由于两者都同时位在同一个电路板10上，因此，冷却板2的底部将不会是一个水平的设计，两端的水平面将低于中间，亦即平板本体20的第一高度211将会小于第二高度221，以分别贴合第一发热元件11与多个第二发热元件12，故本发明的设计将能够使得电压调节晶片更好的贴合于冷却板2。

进一步来说明本发明的工作原理：1.中央处理器和电压调节晶片工作时所产生的热量通过热传导传递至冷却板2的内外表面(请参考傅立叶导热定律之公式：ΔT＝Q*L/K/A)。由于铝板材质具有温度均匀性良好、以及热阻小等优点，冷却板2表面与中央处理器的表面温差小，便于热量进一步被带走。而选择冷却板2的材料时，主要条件可以选择导热性良好的材质，以及其他的条件例如延展性良好，与强度良好等条件的材质。因此，本发明的平板本体20可以选自于铝、铜中的一种。

进一步地，采用水作为冷却液的液体介质，其具有比热容大、抗热冲击性好、流动黏度小、以及流动阻力低等优点，故是天然的优质散热介质。此外，水容易获取、成本低、无污染、以及长时间运行不产生二次副产物。选择冷却液材料时，主要条件可以选择导热性良好的材质，主要依照所需要的工作温度来选择出需要的冷却液材质。

低温流体的冷却液从冷却板2一端的进液口231进入，流入冷却板2内腔，通过与冷却板2表面接触，进行对流换热(请参考牛顿对流冷却定律之公式：A＝Q/h/ΔT)。冷却液的流体温度从而升高，从而带走分布在冷却板2表面的热量，而变成高温流体的冷却液从冷却板2的另一端出液口232流出带走热量(请参考能量公式：Q＝cmΔt)。

接下来，将对于本发明的冷却板2的设计对于电压调节晶片的散热效果来进行热模拟分析。所建立的模拟分析模型与实际机台为1:1建模，实际设计就如同参考图1的元件分布所示，冷却板2位于中央处理器和电压调节晶片的正上方且将其完全覆盖，而电压调节晶片则是分布在中央处理器的两侧。

模拟时的工况如下所述：本发明冷却板2的设计不仅支持单颗的中央处理器与电压调节晶片的冷却板2散热形式(如图4和图5中的工况一：单颗CPU+CPU VR)，也可以支持双颗的中央处理器串联与电压调节晶片的冷却板2散热形式(如图4和图5中的工况二：双颗CPU串联+CPU VR)，本发明就两种冷却板2的散热形式来进行模拟，具体工况则是如图4所示。

实际的模拟结果则是如下：通过热模拟计算之后得到所有的电压调节晶片在两种工况下工作时的温度，其结果详见图5内容。

如图5所示，于前述的工况一当中，具有23颗的电压调节晶片时的温度分布位在59.9℃～73.4℃之间，温度值都小于电压调节晶片的临界温度值85℃(风冷散热方式中温度超过该值会拉动风扇转速提高)，电压调节晶片的散热馀量充足；而于前述的工况二当中，电压调节晶片的温度分布在62.1～83℃之间，略小于85℃，电压调节晶片散热余量偏少；于这两种工况之下，电压调节晶片都不会成为风扇控速点。可见，采用冷却板2的方式给电压调节晶片散热，都能够有效的对于电压调节晶片进行温度控制，使其温度维持在一个安全值。因此，采用如本发明的冷却板2的散热方式能够完全地取代用风冷散热器对其散热的方式。

本发明提供的冷却板2，解决了具有多颗电压调节晶片且分散，而造成并不容易单独地布置冷却板2的问题，有效地提升了冷却板2使用的便携性，优化了应用于伺服器内部空间。另外，冷却板2有效的对于电压调节晶片来进行散热，使其温度始终维持在安全值，不会成为风扇控速点，从而有效降低了整体机台散热风扇能耗。

综上所述，由于本发明采用中央处理器与电压调节晶片共用一块冷却板2散热的方案，成功地解决了具有多颗电压调节晶片而且分散，不容易单独地来布置冷却板2的问题，有效的提升了冷却板2使用的便携性，优化了伺服器内部空间。其具有以下几项优点：1.电压调节晶片采用冷却板2降温，换热效率高，能有效地降低风扇的转速，大幅地节约了能耗；2.本发明针对电压调节晶片这种密度高、散热面积较小、而且多颗分布的元件来设计出一种适用的冷却板2；3.在伺服器内部的空间布局当中，中央处理器和电压调节晶片不处于同一水平面上，但本产品巧妙地将中央处理器和电压调节晶片的散热集成于同一块的冷却板2中，有效地优化了伺服器内部的空间结构，且有效地提升了冷却板2使用的便捷性；4.对于本发明制作的工艺相较于传统的电压调节晶片的散热器简单，其只需切割形状规则的铝板用于电压调节晶片进行散热，而传统的电压调节晶片所用的散热器则是需要另外开具模型才能成型；5.采用本发明的方案可以有效地减少主机板上的开孔。传统的电压调节晶片的散热器需要有螺钉等元件来进行锁附动作，故主机板上需要进行额外的开孔，而通常电压调节晶片的数量较多，需要数量较多的开孔，会减少主机板内可以走线的空间。本方案将电压调节晶片同时采用液冷散热，可以将这些开孔全部取消，极大的增加了主机板内部的走线空间；6.本发明以铝材质为加工材料，铝材质具有高刚轻质且价格低廉的优点，相比铜材质的经济成本大幅降低；7.本发明采用水等冷却液作为液体介质，具有成本低、容易获取、无污染、而且没有二次副产物等优点。

因此，由于本发明的冷却板2是利用平板本体20用以同时冷却电路板10上的第一发热元件11、以及多个第二发热元件12，基于此，本发明确实可以有效的透过此冷却板2来达成对于具有不同的多数个发热元件11、12时进行散热的目的，于实际上的产品使用时更为便利。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种冷却板，用于冷却电路板上的第一发热元件、以及多个第二发热元件，且所述第一发热元件的面积实质上大于所述第二发热元件的面积，其特征在于，该冷却板包含：

平板本体，包含有第一散热区域，与所述第一发热元件相邻接并用以散热，所述第一散热区域的面积至少完全覆盖住所述第一发热元件的面积；以及第二散热区域，与多个所述第二发热元件相邻接并用以散热，所述第二散热区域的面积至少完全覆盖住多个所述第二发热元件的面积，所述第二散热区域与所述第一散热区域相连接；多个所述第二发热元件分布于所述第一发热元件的两侧，所述平板本体形状为I字型。

2.根据权利要求1所述的冷却板，其特征在于，还包含设置在所述平板本体上的盖板，所述盖板至少完全覆盖住所述第一发热元件的面积，所述盖板为中空状，包含有进液口和出液口，所述盖板内充满有冷却液，且由所述进液口进入，由所述出液口流出，用以进一步使所述第一发热元件散热。

3.根据权利要求2所述的冷却板，其特征在于，所述冷却液为水、乙二醇、丙二醇、油、氟化液中的一种。

4.根据权利要求1所述的冷却板，其特征在于，所述第一发热元件为中央处理器，所述第二发热元件为电压调节晶片。

5.根据权利要求1所述的冷却板，其特征在于，所述第一散热区域具有第一高度，所述第二散热区域具有不同于所述第一高度的第二高度，分别用以与所述第一发热元件以及多个所述第二发热元件相贴合。

6.根据权利要求5所述的冷却板，其特征在于，所述第一高度小于所述第二高度。

7.根据权利要求1所述的冷却板，其特征在于，所述平板本体为铝、铜中的一种。

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