CN1324427C - 形成喷雾水膜的散热模组 - Google Patents

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Abstract

一种形成喷雾水膜的散热模组。为提供一种降低热阻值、大幅度改善热传效率、减少了系统热量的累积的计算机散热装置，提出本发明，它包括以热导管及导热块与热源连接的冷却室及冷却水循环系统连接；冷却室内设有风扇、数个散热片及数个位于数个散热片上方并将冷却水化为小水滴的数个冷却水喷头；数个冷却水喷头与冷却水循环系统连接；冷却水循环系统包括向数个冷却水喷头提供冷却水的冷却水泵及冷却水槽。

Description

形成喷雾水膜的散热模组
技术领域
本发明属于计算机散热装置，特别是一种形成喷雾水膜的散热模组。
背景技术
随着电脑科技精进，中央微处理器(CPU)运算速度呈倍速成长，同时电脑造型日益轻薄短小，中央微处理器(CPU)运算时所产生的热能排除逐渐受到重视。中央微处理器(CPU)运算时所产生的热能如果不能有效排除，将使电脑内部的温度升，以INTEL中央微处理器(CPU)-2.4Ghz为例，最高使用温度上限为70℃，如果电脑散热不良，使电脑内部的温度超过最高使用温度上限，将容易导致电脑故障。因此，如何设计电脑的散热模组，提高电脑的散热效率是目前电脑科技发展的重要一环。
目前电脑用的散热模组设计主要有下列方式：
直接利用热导管(Heat pipe)(如美国专利US5,880,524、US6,209,626)、Vapor Chamber(US6,550,531、US6,490,160)、Loop Heat Pipe(US6,478,258、US6,382,309)，不使用外加的风扇等来协助散热。
或是利用散热片(Heat Sink)搭配风扇(Fan)(美国专利US6,570,763)；中央微处理器(CPU)在运转时所产生的热量传导至具有较大传导面积的金属上，再经同风扇所产生的强制空气对流，将这些热量传导至空气中，以达到散热的目的。
因为一般散热模组无法负荷更高功率的中央微处理器(CPU)的散热需求，新的散热模组设计(如美国专利US6,189,601、US6,410,982)遂将热导管(Heat pipe)引入协助热量快速导离热源，而热导管引进散热模组里，扮演将模组内部热量快速传导至另一端的媒介，再经由散热片或风扇等方式将热传导至空气中。
为进一步提高散热模组的散热效率，美国专利(US5,606,341；US6,519,146；US6,519,148)等，利用水与金属间传导系数较高的特性(水与金属间的热传导系数约为300～20000W/mm2-℃)以水为媒介将热量带走。然而，因为其采用封闭式水冷循环系统，将热能先传至LCD面板外壳，再散发至环境中，乃至于仍然受限于面板与环境的热传导系数低，因而无法提高热处理量。
另外一种设计是将压缩机与冷媒的冷冻系统引入作为降低发热元件操作温度之用(美国专利US6,543,246；US6,526,768)此类设计可将发热元件冷却至-30℃，以提高元件运转效率。但是存在成本昂贵、体积不易缩小及在高湿环境中水气凝结的问题。
此外，制冷晶片(thermoelectric cooling element)亦被引进作为电脑中发热元件冷却用(US6,557,354)，可以将发热元件的运转温度更进一步降低至室温以下，体积可比传统散热模组降低许多，也可降低风扇产生的噪音。但是制冷晶片的散热端不仅要处理原来发热元件所产生的热量，而且须处理制冷晶片本身运转时所产生的热量，反而提高了散热的需求。因此，若无法改善制冷晶片散热端热传导系数低的问题，将限制制冷晶征在电脑上的应用。
喷雾冷却系统(spray cooling system)也被应用于半导体元件的冷却(US6,349,554；US6,377,453B1；US6,489,725)。喷雾系统提高了热传导系数，但是此系统所产生的热量移除仍需要有效的热交换器或使用压缩机与膨胀阀系统，这些系统都将使电脑冷却系统复杂化，也会限制了此系统在电脑中的应用。
如图1所示的散热模组中，利用散热片013搭配风扇014将经导热介材012与散热片013接触的发热元件011的热量传至环境中。
发热元件011在运转时会产生高热，热量经导热介材012由散热片013并借由风扇014传至环境中，此时，整体散热系统的总括热阻R可以用下式表示：
R＝1/UA＝1/(hBAB)+Δxm/(kmAm)+1/(hAAA)＝RB+Rm+RA
其中R＝总括热阻(overall thermal resistance)。
U＝总括热传系数(overall heat transfer coefficient)。
A＝总括热传面积(overall heat transfer area)。
AA、AB＝热、冷端的热传面积。
hA＝热端热传系数。
hB＝冷端热传系数。
Δxm＝金属的厚度。
km＝金属的热传导系数(thermal conductivity)。
Am＝金属的热传面积。
RB＝1/(hBAB)；冷端热阻。
Rm＝Δxm/(kmAm)；金属热阻。
RA＝1/(hAAA)热端热阻。
目前处理电脑的散问题多是考虑降低金属热阻Rm，即改用热传导系数km较高的金属材料；或增加冷端的热传面积AB或以提高风速的方式提高冷端热传系数hB，从而降低冷端热阻RB值，但忽略了：(1)金属热阻Rm不是瓶颈，即便以km较高的铜(约360W/mm2-℃)来取代铝(约230W/mm2-℃)，其所能降低的总括热阻R值仍属有限；(2)以提高热传面积AB来降低总括热阻值虽然有效，但大量地提高热面积AB，除了加工上的困难外，也会使风阻增加而降低冷端热传系数hB；(3)以提高风速来提高冷端热传系数hB效果仍属有限，提高一倍的风速仅可将冷端的热传系数hB提高约60％～75％，而且还会增加噪音。
如图2所示的散热模组中，发热元件021在运转时会产生高热，利用导热块023搭配热导管024、散热片025搭配风扇026将经导热介材022与导热块023接触的发热元件021的热量传至环境中。
发明内容
本发明的目的是提供一种降低热阻值、大幅度改善热传效率、减少了系统热量的累积的形成喷雾水膜的散热模组。
本发明包括以热导管及导热块与热源连接的冷却室及冷却水循环系统连接；冷却室内设有风扇、数个散热片及数个位于数个散热片上方并将冷却水化为小水滴的数个冷却水喷头；数个冷却水喷头与冷却水循环系统连接；冷却水循环系统包括向数个冷却水喷头提供冷却水的冷却水泵及冷却水槽。
其中：
冷却室与热源之间设有借以连接的导热介材。
热导管与所述的散热片连接；所述的导热块与所述的热导管连接；所述的导热块与所述的热源之间设有导热介材。
热导管为传统的热导管或其他利用工作流体潜热的环状热导管、蒸发器中的一种。
热源是电脑中为中央微处理器、介面卡、北桥或电源供应器的发热元件。
散热片为以铝、铜或铝、铜合金制成，为增加热传面积，其设计呈鳍片、脊柱；散热片与冷却室呈分离状或一体成形。
冷却水喷头为以水压、气压或压电方式将冷却水微粒化的结构，以使冷却水能在散热片上形成喷雾水膜热传。
风扇为轴流风扇或离心式风扇。
冷却水循环系统设有连接冷却水泵与数个冷却水喷头的冷却水供水管及连接冷却室与冷却水槽的回水管。
冷却水循环系统设有排水口及冷却水补充口。
冷却水泵为离心式泵、回转式泵或往复式泵；冷却水为纯水或加入降低沸点的乙醇、防止结垢的添加剂及防菌添加剂的水溶液。
由于本发明包括以热导管及导热块与热源连接的冷却室及冷却水循环系统连接；冷却室内设有风扇、数个散热片及数个位于数个散热片上方并将冷却水化为小水滴的数个冷却水喷头；数个冷却水喷头与冷却水循环系统连接；冷却水循环系统包括向数个冷却水喷头提供冷却水的冷却水泵及冷却水槽。使用时，热源将热量传导至冷却室；冷却水循环系统借由冷却水泵将冷却水槽内的冷却水注入冷却室内数个冷却水喷头，并由冷却水喷头喷出小水滴喷洒于散热片上，以形成喷雾水膜，由于喷雾冷却水膜的热传系数远高于空气热传系数，可大幅提高散冷端热传系数；风扇送入或排出空气进一步提高热传系数，并直接将含有大量潜热的气体排入环境中，最后部分汽化的水蒸汽带走热量排入环境中，同进也减少了系统热量的累积；即本发明将传统使用低热传系数的空气对流冷却系统改为热传系数较高的喷雾冷却系统，改善冷凝端的热传效率，从而降低散热模组的热阻值，达到大幅度改善热传效率的目的；不仅降低热阻值、大幅度改善热传效率，而且减少了系统热量的累积，从而达到本发明的目的。
附图说明
图1、为传统散热模组结构示意剖视图。
图2、为传统的含热导管的散热模组结构示意剖视图。
图3、为本发明结构示意剖视图(热导管散热模组)。
图4、为本发明结构示意剖视图(制冷晶片或风扇散热模组)。
具体实施方式
本发明利用喷雾冷却水膜的热传系数(约大于2000W/mm2-℃)远高于空气热传系数(约1～50W/mm2-℃)的现象，大幅提高散冷端热传系数hB，再以风扇送入或排出空气进一步提高热传系数，并直接将含有大量潜热(latentheat)气体排入环境中。改善冷凝端的热传效率，从而降低散热模组的热阻值，达到大幅度改善热传效率的目的。喷雾水膜的作用原理在于将传统使用低热传系数的空气对流冷却系统改为热传系数较高的喷雾冷却系统(spray coolingsystem)，再利用送入或排出的空气使得水对金属及水对空气的热传系数进一步提高，最后部分汽化的水汽带走热量排入环境中，同时也减少了系统热量的累积。
本发明使用水作为冷却液的原因是水容易取得及补充；水对人体及环境无害；且水的潜热高(约540cal/g)，少量水的挥发即可带走大量的热量能。
实施例一
如图3所示，本发明包括热导管11、导热块13、导热介材18、冷却室16
如图3所示，本发明包括热导管11、导热块13、导热介材18、冷却室16及冷却水循环系统17。
导热块13为借由导热介材18与热源19，如产生热量的中央微处理单元(CPU)晶片或模拟器连接。当然，热源19除了电脑中的发热元件，如中央微处理器外，也可以是介面卡、北桥或电源供应器。
热导管11可以是传统的热导管或其他利用工作流体潜热的各式设计，如环状热导管、蒸发器等中的一种。
冷却室16内设有风扇15、数个散热片12及位于数个散热片12上方的数个冷却水喷头14。
风扇15为轴流风扇或离心式风扇。
冷却水喷头14为以水压、气压或压电方式将冷却水微粒化的结构，以使冷却水能在散热片12上形成喷雾水膜热传。
散热片12为以铝、铜等金属或铝、铜等金属合金制成，为增加热传面积，其可设计呈鳍片、脊柱等。散热片12可与冷却室16呈分离状或一体成形。
冷却水循环系统17设有冷却水泵17-1、连接冷却水泵17-1与数个冷却水喷头14之间的冷却水供水管17-2、冷却水槽17-4及连接冷却室16与冷却水槽17-4的回水管17-3。冷却水槽17-4设有排水口17-5及冷却水补充口17-6。
冷却水泵17-1可为离心式泵、回转式泵或往复式泵。冷却水为纯水或加入其他成份，如降低沸点的乙醇、防止结垢的添加剂及防菌添加剂的水溶液。
使用时，热源19经导热介材12将热量传导至导热块13，再借由热导管11将热传导至数个散热片12；冷却水循环系统17借由冷却水泵17-1将冷却水槽17-4内的冷却水由冷却水供水管17-2注入冷却室16内数个冷却水喷头14，并由冷却水喷头14喷出小水滴喷洒于散热片12上，以形成喷雾水膜。风扇15送入或排出空气进一步提高热传系数，并直接将含有大量潜热(latent heat)的气体排入环境中，最后部分汽化的水蒸汽带走热量排入环境中，同进也减少了系统热量的累积。而水蒸汽液化及多余的水膜，则经回水管17-3排入冷却水水槽17-4。
为比较本发明的散热效果，使用加热模拟器模拟热源19运作时的发热情形，以Intel P4-1.8G的中央微处理器(CPU)为例，在全速运转时，其发热量约为66.1W。现将作为热源19的加热模拟器的功率设定为68W及150W。为了确保热源19所产生的热可传导至散热片12上，于作为热源19的加热模拟器与热导管11之间采用Thermagon公司所生产的导热介材18(TIM)型号为T-Grease401。热源19的热量传导至散热片12上，再借由冷却水喷头14在散热片12上形成喷雾水膜以将热量带走，由作为热源19的加热模拟器运作的温度与环境温度的温差求得散热模组的热阻值。本发明以Cooler Master公司生产的型号为HHC-001的含热导管散热器作为对照例。
测试结果如表一所示，习知的含热导管散热模组，即对照例1 HHC-001，作为热源19加热模拟器功率为68W，经过30分钟到达热平衡后，加热模拟器温度约49.6℃，热阻值(Thermal Resistance)约为0.37℃/W。本发明于散热片上形成水薄膜，协助散热模组散热，可以让加热模拟器的温度降至38℃，热阻值降低至0.2℃/W。
表一、在68W及150W下含热导管的散热模组与喷雾水膜散热效果比较：
  功率           68W            150W
  加热方式   实施例一   对照例一   实施例二   对照例二
  加热模拟器温度(℃)   38   49.6   66.5   86.5
  热阻值(℃/W)   0.2   0.37   0.245   0.394
将加热模拟器功率设为150W以确认较高功率的散热效果，在没有喷雾水膜协助下，单独以散热片及风扇只能将加热模拟器的温度控制在86.5℃且其热阻值高达0.394℃/W。经由喷雾水膜的产生，可以协助处理过多的热，热阻值可以降低至0.245℃，且加热模拟器的温度理更可能降到66.5℃。
风扇在不同转速下以本发明与一般散热模组的热阻值如表二所示，在风扇转速为7280rpm时，热阻值为0.42℃/W，加热模拟器的温度为54℃；若采用本发明，可以有效地将热阻值降低至0.26℃/W，加热模拟器的温度也可以降至43.5℃；反之采用喷雾水膜散热模组，可以使用转速为1673prm较低转速的风扇，配合喷雾水膜散热，便可以达到散热模组在风扇高转速时的散热效果，除了可以降低噪音外，更可以减少耗电量。
表二、不同风扇转速下，喷雾水膜散热与含热导管散热模组的效果比较：
  风扇转速(rpm)   0   1673   3485   4950   6210   7280
  实施例一加热模拟器温度(℃) 71.6 54.1 47.9 45.4 44.0 43.5
  实施例一热阻(℃/W) 0.67 0.41 0.32 0.29 0.27 0.26
  对照例一加热模拟器温度(℃) 107 72.3 61.6 56.7 55.0 54.4
  对照例一热阻(℃/W) 1.08 0.68 0.53 0.45 0.43 0.42
另外，如表二如示，在未使用风扇15时，热阻值为0.67℃/W，加热模拟器温度为71.7℃；使用风扇15后，即可将喷雾水膜散热模组热阻值降低至0.26℃/W，加热模拟器温度降为43.5℃。因此，风扇的使用，比起未使用风扇的喷雾水膜散热系统可以得到更低的热阻值。
实施例二
如图4所示，本发明包括导热介材27、冷却室25及冷却水循环系统26。
热源21，如产生热量的中央微处理单元(CPU)晶片或模拟器借由导热介材27与热冷却室25底部连接。
冷却室25内设有风扇24、数个散热片22及位于数个散热片22上方的数个冷却水喷头23。
风扇24为轴流风扇或离心式风扇。
冷却水喷头23为以水压、气压或压电方式将冷却水微粒化的结构，以使冷却水能在散热片22上形成喷雾水膜热传。
散热片22为以铝、铜等金属或铝、铜等金属合金制成，为增加热传面积，其可设计呈鳍片、脊柱等。散热片22可与冷却室25呈分离状或一体成形。
冷却水循环系统26设有冷却水泵26-1、连接冷却水泵26-1与数个冷却水喷头23之间的冷却水供水管26-2、冷却水槽26-4及连接冷却室25与冷却水槽26-4的回水管26-3。冷却水槽26-4设有排水口26-5及冷却水补充口26-6。
冷却水泵26-1可为离心式泵、回转式泵或往复式泵。冷却水为纯水或加入其他成份，如降低沸点的乙醇、防止结垢的添加剂及防菌添加剂的水溶液。
使用时，热源21经导热介材27将热量传导至冷却室25底，以将热传导至数个散热片22；冷却水循环系统26借由冷却水泵26-1将冷却水槽26-4内的冷却水由冷却水供水管26-2注入冷却室25内数个冷却水喷头23，并由冷却水喷头23喷出小水滴喷洒于散热片22上，以形成喷雾水膜。风扇24送入或排出空气进一步提高热传系数，并直接将含有大量潜热(latent heat)的气体排入环境中，最后部分汽化的水蒸汽带走热量排入环境中，同进也减少了系统热量的累积。而水蒸汽液化及多余的水膜，则经回水管26-3排入冷却水槽26-4。
为比较本发明的散热效果，为加热模拟器模拟的热源21运作时的发热情形，现将作为热源21的加热模拟器的功率设定为150W。为了确保热源21所产生的热可传导至散热片22上，采用Thermagon公司所生产型号为T-Grease401的导热介材(TIM)27以将热量传导至散热片22上，再借由冷却水喷头23在散热片22上形成喷雾水膜以将热量带走，由作为热源21的加热模拟器运作的温度与环境温度的温差求得散热模组的热阻值。本发明以升科公司生产的型号为CAK-II 38的散热器作为对照例。
测试结果如表三所示，习知的含热导管散热模组，即对照例2 CAK-II 38，作为热源21加热模拟器在150W功率下，经过30分钟到达热平衡后，加热模拟
测试结果如表三所示，习知的含热导管散热模组，即对照例2 CAK-II 38，作为热源21加热模拟器在150W功率下，经过30分钟到达热平衡后，加热模拟器温度约94.5℃，热阻值(Thermal Resistance)约为0.47℃/W。本发明于散热片22上形成水薄膜，协助散热模组散热，可以让加热模拟器的温度降至70.6℃，热阻值降低至0.29℃/W。
表三、在150W下习知的未含热导管的散热模组与本发明散热效果比较：
  功率              150W
  散热方式   实施例二   对照例二
  加热模拟器温度(℃)   70.6   94.5
  热阻值(℃/W)   0.29   0.47
本发明利用喷雾冷却水膜的热传系数(约大于2000W/mm2-℃)远高于空气热传系数(约1～50W/mm2-℃)的现象，大幅提高散冷端热传系数hB，再以风扇送入或排出空气进一步提高热传系数，并直接将含有大量潜热(latentheat)气体排入环境中。改善冷凝端的热传效率，从而降低散热模组的热阻值，达到大幅度改善热传效率的目的。喷雾水膜的作用原理在于将传统使用低热传系数的空气对流冷却系统改为热传系数较高的喷雾冷却系统(spray coolingsystem)，再利用送入或排出的空气使得水对金属及水对空气的热传系数进一步提高，最后部分汽化的水汽带走热量排入环境中，同时也减少了系统热量的累积。
本发明使用水作为冷却液的原因是水容易取得及补充；水对人体及环境无害；且水的潜热高(约540cal/g)，少量水的挥发即可带走大量的热量能。

Claims (11)

1、一种形成喷雾水膜的散热模组，它具有风扇及数个散热片；其特征在于所述的风扇及数个散热片设置于以热导管及导热块与热源连接的冷却室内，并于冷却室内设有位于数个散热片上方并将冷却水化为小水滴的数个冷却水喷头；数个冷却水喷头与冷却水循环系统连接；冷却水循环系统包括向数个冷却水喷头提供冷却水的冷却水泵及冷却水槽。
2、根据权利要求1所述的形成喷雾水膜的散热模组，其特征在于所述的冷却室与热源之间设有借以连接的导热介材。
3、根据权利要求1所述的形成喷雾水膜的散热模组，其特征在于所述的热导管与所述的散热片连接；所述的导热块与所述的热导管连接；所述的导热块与所述的热源之间设有导热介材。
4、根据权利要求3所述的形成喷雾水膜的散热模组，其特征在于所述的热导管为传统的热导管或其他利用工作流体潜热的环状热导管、蒸发器中的一种。
5、根据权利要求1、2或3所述的形成喷雾水膜的散热模组，其特征在于所述的热源是电脑中为中央微处理器、介面卡、北桥或电源供应器的发热元件。
6、根据权利要求1或3所述的形成喷雾水膜的散热模组，其特征在于所述的散热片为以铝、铜或铝、铜合金制成，为增加热传面积，其设计呈鳍片、脊柱；散热片与冷却室呈分离状或一体成形。
7、根据权利要求1所述的形成喷雾水膜的散热模组，其特征在于所述的冷却水喷头为以水压、气压或压电方式将冷却水微粒化的结构，以使冷却水能在散热片上形成喷雾水膜热传。
8、根据权利要求1所述的形成喷雾水膜的散热模组，其特征在于所述的风扇为轴流风扇或离心式风扇。
9、根据权利要求1所述的形成喷雾水膜的散热模组，其特征在于所述的冷却水循环系统设有连接冷却水泵与数个冷却水喷头的冷却水供水管及连接冷却室与冷却水槽的回水管。
10、根据权利要求1所述的形成喷雾水膜的散热模组，其特征在于所述的冷却水循环系统设有排水口及冷却水补充口。
11、根据权利要求1所述的形成喷雾水膜的散热模组，其特征在于所述的冷却水泵为离心式泵、回转式泵或往复式泵；冷却水为纯水或加入降低沸点的乙醇、防止结垢的添加剂及防菌添加剂的水溶液。
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