CN1497183A - 一体风扇泵冷却组件的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一体的风扇泵，其包括风扇，泵和电子驱动机构，如电马达，电子驱动机构可同时相对壳体驱动风扇和泵。热交换器最好连接到泵和待冷却的部件。在一个实施例中，风扇头和泵头部固定到共用轴，一个磁铁固定到风扇头，磁铁线圈固定到壳体。在另一实施例中，风扇头和泵头部绕固定轴转动，电磁线圈固定到所述壳体，一个磁铁固定到风扇头，第二个磁铁固定到泵头部。

Description

一体风扇泵冷却组件的方法和装置
相关申请
本发明要求拥有2002年10月1日提交的美国临时专利申请No60/415,057的优先权
技术领域
本发明总体上涉及冷却系统，更具体地，涉及由一体的风扇/泵组成的冷却组件。
背景技术
计算机技术的最新进步主要由提高速度和降低半导体器件和其他电子元件的尺寸来驱动，这是非常著名的Moore定律预测的趋向，其预测半导体器件的性能每18个月就会加倍。
尺寸的减少和速度的增加带来了许多挑战，其中一个很大的挑战是冷却半导体器件和其他工作时会发热的元件。例如，有人预计在不远的将来，CPU通常会产生100瓦量级或更多的热量。传统的用于这些器件的冷却系统，即热汇，风扇冷却器及类似装置，将不可能散掉这么大量的热量，对于元件设置在比较小，高密度封装和通风不好的环境中的系统(如个人电脑系统)尤其是如此。
此外，尽管已经开发出用于液体冷却元件和其他发热器件的小型冷却液泵，但这些泵通常价格高，过功率，耗能过大，并要求壳体中的额外空间。
因此，需要有先进的冷却系统来解决这些和其他的现有技术存在的问题。
发明内容
本发明提出了一种紧凑的高效的冷却装置，其包括风扇、泵和电驱动机构(如电马达)，可同时驱动所述风扇和泵。
根据本发明的一个实施例，热交换器(如可通过适当的管路)连接到泵和进行冷却的发热器件(或热源)。
根据本发明的另一实施例，泵可使气流(如空气流)不被泵阻挡地通过风扇。
根据本发明的另一实施例，膨胀箱连接到泵。
根据本发明的另一实施例，风扇头和泵头部固定到共用轴，单个磁铁固定到风扇头，一个或多个电磁线圈固定到壳体。
根据本发明的另一实施例，风扇头和泵头部绕固定轴旋转，电磁线圈固定到壳体，一个磁铁固定到风扇头，第二个磁铁固定到泵头部。
根据本发明的一个实施例，轴是一个连续纵向件，在另一实施例中，轴包括连接到风扇头的第一轴部分和连接到泵头部的第二轴部分，第一和第二轴部分通过齿轮机构、速度调节机构或任何其他的机械轴节连接到一起。
附图说明
现在将结合附图，对本发明进行详细地介绍，其中相同的数字代表相同的元件。
图1是根据本发明的一体的风扇泵的示意方框图；
图2A和2B是显示本发明可采用的两种方案的示意性方框图；
图3是根据本发明的一个实施例的一体风扇泵的外观图；
图4A和4B是根据图2A和2B所示方框图的一体风扇泵的外观图；
图5是根据本发明一个实施例的一体风扇泵的剖视图；
图6是根据本发明另一个实施例的一体风扇泵的剖视图；
图7是根据本发明另一个实施例的一体风扇泵的剖视图；
图8是根据本发明又一个实施例的一体风扇泵的剖视图；
图9是用于本发明的示例性翅片热交换器的外观图；
图10是用于本发明的示例性折叠翅片热交换器的外观图；
图11是用于本发明的示例性环形翅片热交换器的外观图。
具体实施方式
本发明提出可整体形成电控的小型组件的风扇和泵，电马达可同时驱动泵和风扇，下面将详细介绍风扇泵组件的各种结构。
参考图1，风扇泵组件(或简称为组件)100包括风扇102和泵104，风扇泵可同时受到驱动机构(未显示)的控制。泵104一般包括出口106和入口108。如下面的详细介绍，风扇102和泵104包括各种元件，这些元件机械和/或磁性地连接以实现同步操作。
组件100可与其他元件整体形成，以有利于与进行冷却的热源进行热交换。例如，如图2A和2B所示，系统200可包括热交换器112和膨胀箱110，膨胀箱通过各种管路连接到泵104，在图2A和2B中显示两个膨胀箱。通过这种方式，泵104用的冷却剂可以传输到目标热源113。各种管路件(如管和类似件)可用于连接组件100到外部装置，如下面结合图4A和4B所作的介绍。
图3显示了本发明一个实施例的外观图。在这个实施例中，壳体(在此结构中是直线壳体)302支承，连接或者结合到泵104和风扇102。其中泵104包括出口106和入口108。通气扇102一般平行于风扇轴线，取决于用途风扇可向任何方向吹。如同风扇102使周围空气(或其他气体)流动，泵104用于将冷却剂从入口108移动到出口106。
壳体302、泵104和风扇102的尺寸可根据其设置的特定场合来选择。同轴风扇的尺寸包括20×20mm，25×25mm，30×30mm，35×35mm，40×40mm，45×45mm，50×50mm，55×55mm，60×60mm，80×80mm，92×92mm，120×120mm，直径6英寸，直径8英寸，直径10英寸和直径12英寸。本发明不限于所列出的风扇尺寸，而是可以采用任何适当的定制风扇尺寸或形状。
图4A和4B显示了本发明的两种结构，这两种结构结合上面简单介绍的其他元件。在图4A所示的结构中，热交换器112位于风扇102附近，并通过管路430连接到膨胀箱110，而热源(未显示)通过管路414和432连接到系统。热交换器112主要功能是通过热传导和强迫对流使通过的空气与冷却剂热交换。下面将详细讨论各种类型的热交换器。
膨胀箱110主要功能是用作冷却剂注入端口和容器。在图示的实施例中，气体释放阀(或空气释放阀)402结合到膨胀箱110，提供了在加热和冷却循环期间平衡管路内的气体压力的方法。在优选实施例中，气体释放阀402不允许释放冷却剂。膨胀箱110可以有任何合适的形状，可位于相对泵104的任何方便的位置。例如，膨胀箱110可离开或结合到壳体302或泵104。
在图4B所示的另外可选择的结构中，热交换器112也位于风扇102的附近，但通过管路410连接到泵104，泵104通过管路412连接到膨胀箱110，而热源(未显示)通过管路414和416热接到系统，如图所示。管路416和414(在图4A中显示为管路414和432)连接到冷却剂热收集器，或其他这样的热传递装置，该装置连接到进行冷却的热源。这些热源可以接近泵104或离开泵104(如位于远处的计算机箱或其他封闭空间中的位置)。除了管路，其他的元件如热汇、相变器件、热管和类似元件也可以结合到冷却系统中，以利于热传递。这些冷却剂热收集器或其他热传递装置和类似装置的性能在所属领域都是已知的，本文将不进行详细讨论。
根据本发明的另一实施例，风扇泵组件可使气体不受泵阻挡地流过风扇。这点得以实现是通过令泵104的外部几何尺寸足够小，使其基本上不会阻挡气流通过风扇102。在泵104基本是圆柱形的情况下，如图所示，最好使泵104的外径最小化到非常接近风扇102转子的基部。或者，泵104位于风扇102的气流区的外面，并同时保持与风扇的机械或磁性连接。
如上面简单地介绍，根据本发明一个实施例的系统，可使风扇头和泵头部固定到共用轴，单个磁铁固定到风扇头，电磁线圈固定到壳体上。参考图5所示的剖视图，本发明的一个实施例包括连接到泵轮603的泵头部602，连接到风扇转子614的风扇头612，连接到风扇头612的磁铁614，轴承610(即低摩擦的套筒轴承)，共用轴608(风扇头612和泵头部602连接到该轴)，固定到壳体302的电磁线圈606和适当的液体密封件604。液体密封件可由任何适当的材料制成，如丁腈橡胶，聚丙烯酸橡胶，乙丙橡胶，氯丁二烯橡胶，氟橡胶，硅橡胶，丁基橡胶和其他的适当橡胶材料。
通过施加适当的可变电信号到电磁线圈606，磁铁614(其连接到风扇头612)使风扇头612和(通过轴)泵头部602转动。通过这种方式，风扇头612和泵头部602同时促动，导致气流流过风扇，液体从入口108流到出口106。
风扇转子613(以及泵轮603)可以有任何数量的叶片和具有适当的形状。例如，风扇转子613可以有轴向式叶片，轴流式叶片，离心式叶片，横流式叶片，后曲叶片。在这方面，本发明的范围不限于这里显示的实施例。任何已知的和将来开发出的风扇类型或风扇叶片都可以使用。
可选择马达、泵、风扇的元件以提供任何适当的体积、流速、和转速。例如，根据本发明的一个实施例的风扇泵组件的转速大约为2000到3000rpm，泵流速为5立方厘米/秒到10立方厘米/秒。应当认识到，这些范围不是限制性的，可以选择希望的转速和流速。泵轮可以是轴向式叶片，径向直叶片，离心式叶片，后曲叶片，前曲叶片和涡轮叶片。
各种组件实施例(采用磁铁和电磁线圈来实现)中采用的马达最好是直流无电刷型的。直流无电刷马达具有特别的优点，因为传统上其具有长的和可靠的操作寿命，一般具有低价格。此外，任何其他合适的马达类型可以用于本发明。
各种不同的材料可用于本发明的元件，包括各种金属，塑料，陶瓷或其组合。在一个实施例中，各种元件使用注射模制塑料来制造，如聚丙烯(PP)，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)，聚乙烯(PE)，(聚苯并噻)PBT和类似材料。
根据本发明的另一实施例，如图6所示，环状磁铁可由固定到风扇头的盘状磁铁614代替，电磁线圈可用平面电磁线圈606代替。
根据本发明的另一实施例，风扇头和泵头部绕固定轴转动，电磁线圈固定到所述壳体，使用了两个磁铁，一个固定到风扇头，另一个固定到泵头部。现在参考图7，磁铁64连接到风扇头612，磁铁704连接到泵头部602。固定轴608连接到壳体302，最好包括轴承702以提供绕轴608的自由转动。同样，轴608可包括两个分开的共线轴。电磁线圈606也固定到壳体302。结果是，不需要流体密封，由于轴608固定到壳体302上不会转动。
在这种结构中，磁铁614和磁铁704基本上是同轴的环形磁铁，电磁线圈606固定其间。当适当的电信号施加到电磁线圈606时(即交流或直流信号，取决于马达选择)，磁铁614和704感应转动，使风扇头612和泵头部704同时转动。
图8显示了图7所示组件的另一可选择的实施例，在这个实施例中，电磁线圈606位于连接到泵头部602的磁铁704和连接到风扇头的磁铁614之间。轴608固定到壳体302，因此，风扇头612和泵头部602可自由绕轴承702转动。磁铁704和614最好是盘状的，但也可以是其他适当的形状。
在本发明的另一可选择的实施例中，使用尖端磁性驱动(tipmagnetic drive)机构。即电磁线圈位于壳体302内的风扇的外周面上，而磁性环连接到风扇转子613的外周面(靠近电磁线圈)。
对于显示的所有实施例，轴显示出是单个连续纵向件。在可选择的实施例中，轴包括连接到风扇头的第一轴部分，和连接到泵头部的第二轴部分，其中第一和第二轴部分是通过齿轮机构，如一个或多个齿轮；连杆机构，或其他如机械轴节来机械连接。使用分开的轴的好处是泵的速度和功率可根据马达的能力进行调整。
应当认识到，任何形式的热交换器都可以用于本发明。图9到11显示了三种热交换器112，具有分开的入口902和出口904。更具体地，图9显示一种翅片管(tube-through-fin)的实施例，包括多个薄的平行翅片908。图10显示了折叠翅片热交换器，包括多个折叠的翅片909。图11显示了特征为多个盘状翅片的热交换器。这些图示的实施例不是为了限制本发明，而是，任何热交换器，不论现在已有的或将来开发的，都可以用于本发明。
类似地，泵和/或热交换器使用的冷却剂可根据设计用途的不同来选择。一般冷却剂包括水，酒精，抗冻液，乙二醇，热交换流体(如道氏热载体)和其他适合液体，而且还可以用适当的冷却剂。
总之，所介绍的是一种紧凑的高效的冷却装置，包括可驱动风扇和泵的电驱动机构。所示的实施例不是对系统的各种结构和应用的限制。例如，尽管本发明经常以冷却电子元件，如计算机CPU和类似件，为例进行介绍，应当理解本文所公开的系统可应用于任何有热传递的场合。例如，具有高热负荷装置的电讯和其他电子系统，这些热负荷装置位于高密度的封装空间而强迫通风热汇和热管难以取得很好的效果。在不脱离所附权利要求限定的发明范围内，可对各种元件的选择，设计和布置以及步骤进行各种改进。

Claims (23)

1.一种冷却装置，其包括：
风扇，
泵，所述泵可从至少一个入口传输冷却剂到至少一个出口；
电子驱动机构，可同时驱动所述风扇和所述泵。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括固定到膨胀箱的热交换器，所述膨胀箱连接到所述泵的所述入口，所述热交换器连接到热源，所述泵的所述出口连接到所述热源以提供冷却。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括连接到所述泵的所述出口的热交换器，膨胀箱连接到所述泵的所述入口，所述热交换器和所述膨胀箱连接到热源以提供冷却。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述泵可使气体基本上不被泵阻挡地流过所述风扇。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述驱动机构包括电马达，所述电马达可相对壳体转动所述风扇和所述泵。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述风扇包括连接到风扇转子的风扇头，所述泵包括连接到泵轮的泵头部，所述风扇头和所述泵头部连接到共用轴。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述电马达包括固定到所述壳体的电磁线圈和固定到所述风扇头的磁铁。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述风扇转子从轴向式叶片，轴流式叶片，离心式叶片，横流式叶片，后曲叶片，前曲叶片，翼型叶片，涡轮叶片和径向直叶片组成的一组叶片中选择。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述泵轮从轴向螺旋桨叶片，径向直叶片，离心式叶片，后曲叶片，前曲叶片和涡轮叶片组成的一组叶片中选择。
10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述轴包括连接到所述风扇头的第一轴部分，和连接到所述泵头部的第二轴部分，所述第一和第二轴部分通过机械轴节进行连接。
11.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述风扇包括连接到风扇转子的风扇头，所述泵包括连接到泵轮的泵头部，所述风扇头和所述泵头部绕固定到所述壳体的共用轴转动。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述电马达包括固定到所述壳体的电磁线圈，固定到所述风扇头的第一磁铁，和固定到所述泵头部的第二磁铁。
13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述第一磁铁和所述第二磁铁基本上是同轴环形磁铁，设有固定其间的所述电磁线圈。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述第一磁铁和所述第二磁铁基本上是盘状磁铁，设有固定其间的所述电磁线圈。
15.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述风扇转子从轴向式叶片，轴流式叶片，离心式叶片，横流式叶片，后曲叶片，前曲叶片，翼型叶片，涡轮叶片和径向直叶片组成的一组叶片中选择。
16.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述泵轮从轴向螺旋桨叶片，径向直叶片，离心式叶片，后曲叶片，前曲叶片和涡轮叶片组成的一组叶片中选择。
17.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述轴包括连接到所述风扇头的第一轴部分，和连接到所述泵头部的第二轴部分，所述第一和第二轴部分通过机械轴节进行连接。
18.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述电马达是直流无电刷马达。
19.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述电马达是直流电刷马达。
20.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述电马达是直流马达。
21.一种用于冷却部件的一体的风扇泵，所述风扇泵包括：
壳体；
风扇，具有连接到风扇转子的风扇头；
泵，具有连接到泵轮的泵头部，所述泵可从至少一个入口输送冷却液到至少一个出口；
热交换器，连接到所述泵的所述出口并与部件进行热交换；
电马达，可同时相对所述壳体转动所述风扇和所述泵。
22.根据权利要求21所述一体的风扇泵，其特征在于，所述风扇头和所述泵头部连接到共用轴，所述电马达包括固定到所述风扇头的磁铁。
23.根据权利要求21所述一体的风扇泵，其特征在于，所述风扇头和所述泵头部可绕连接到所述壳体的共用轴转动，所述电马达包括固定到所述风扇头的第一磁铁和固定到所述泵头部的第二磁铁。
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