CN1658125A - 内置微型液泵的液冷散热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一款将微型水泵置于小型水冷散热器内，作为陶瓷半导体致冷器件(下称“冷堆”)散热所需的高效液冷散热器。本发明以普通液冷散热器的散热原理和微型液泵为基础，将已经成熟应用的两者相结合，将微型液泵科学地置于液冷散热器内部，从而省却液冷散热器与液泵之间的外连管线，成为比传统金属合金材料结构的固体散热器更为科学、合理、高效的散热器。本发明所涉及的散热器主要用于安装冷堆，构成冷源组件，在相关控制电路的作用下，为一个具体、有限的空间(如计算机机箱)提供25℃～30℃的冷环境。内置液泵散热器的原理可变通适用于其他液冷散热器，适用后可减少此类散热器的外连管线，利于安装、应用。

Description

内置微型液泵的液冷散热器

本发明涉及一款将微型水泵置于小型水冷散热器内，作为陶瓷半导体致冷器件(下称“冷堆”)散热所需的高效闭合循环液冷散热器。

附件：柯瑞沃液冷散热器产品宣传资料。

众所周知：商用、家用计算机工作时，中央处理器(CPU)、显卡图形处理器(GPU)等功率器件在不停地散发热量。近年来，随着计算机技术的发展，CPU、GPU功能效能的不断提高，它们的电功率也越来越高，发热量也越来越大，造成计算机机箱内部温度不断上升，成为业界十分头疼的问题。

在一般散热需求场合，人们通常使用铝合金、铜合金、或铝合金与铜合金相嵌合的复合金属材料制作的散热器作为热源的散热材料。由于金属材料有程度不同的热阻现象，在大容量热源高发热量的恶劣情况下，用金属合金材料制作的固体散热器并不能及时、迅速地将发热物体的大量热量适时散发，难以达到人们所需的理想散热效果。

申请人曾于2003年4月23日申请了03117743.3《新款计算机用防尘、温控、除霜机箱》发明专利，该专利申请用冷堆为封闭的机箱提供冷源，达到防尘、温控和更好的电磁屏蔽三大目的。但申请人通过防尘温控机箱样机的制作实践发现：冷堆工作时，其热端产生的热量非常大，在小功率冷堆的一般应用中，传统金属合金材料的固体散热器可以满足其散热需求，而在较大功率的冷堆使用中，用传统金属合金材料制作的固体散热器往往不能满足冷堆工作时苛刻的散热条件，必须用体积适宜而效率更高的散热装置来适时散发冷堆工作时产生的大量热量，否则冷堆将不能长时间正常运行。

我们知道，水是自然界最容易获得、导热性能优于绝大多数金属导热材料的介质。由于自然形态的水富含杂质而具有导电性质，如果不慎泄漏到电路板上，必将造成短路事故，故附件中“柯瑞沃液冷散热器”所使用的液体是将普通水适当过滤，并加入便于观察流动状况的色素和某些添加剂后，具有不导电的特性，成为专用冷却液。

近年来，随着计算机CPU、GPU功率的增大，一些计算机部件生产厂家为了配合计算机DIY玩家对CPU、GPU散热的更大需求，生产了一些以上述冷却液为冷却剂的散热装置套件(见附件参考资料所列的柯瑞沃液冷散热器)。这些套件由铜质中空吸热块、塑料液管、泵、液冷散热器(结构类似汽车散热水箱)，若干卡具、经特殊处理的冷却液等组成，使用中，吸热块安装在计算机CPU、GPU和北桥芯片甚至高档内存条上，用塑料液管将吸热块、泵、散热器等连接起来，液泵驱使冷却液不断流过吸热块，将CPU、GPU和北桥芯片工作产生的大量热量转移到液冷散热器中，在外置风机强制风冷的作用下，达到比使用金属合金材料的传统散热方式更为高效地散热的目的。

前些年，一种电动出水的家用烧水器具进入了人们的日常生活。该水具内安装了一种微型电磁感应电机作为将开水泵出水具的动力，实质为微型水泵。该微型水泵的基本结构是：将用直径较细的漆包线绕制的多个微型线圈以偶数对称排列成直径约15毫米、厚约3毫米的圆饼状，构成该电机的定子；在紧挨定子轴向的一侧，安装一直径与定子相近、厚约1毫米、与定子有气隙、具有N、S极的磁性金属圆盘作为该电机的转子，再用耐高温塑料包覆转子并沿转子轴向延长固化一微型三叶桨叶，与其他结构件组合构成一微型水泵。工作时，该微型水泵的电机定子在电路控制下产生旋转磁场，带动磁性转子转动，进而带动与转子固化在一起的桨叶转动，将包覆在桨叶四周的液体搅动，形成水泵机理。目前，此类电动出水的家用烧水器具已经在家庭中广泛使用。

上述微型水泵的应用价值在于：水泵的定子与磁性转子之间经相关材料的隔离，使定子与转子可以分别处在不同的物理环境中正常工作。

本发明的实现

本发明以上述柯瑞沃类似的液冷散热器的散热原理和家用烧水器具中的微型水泵为基础，将已经成熟应用的这两者相结合，即：将微型水泵科学地置于液冷散热器内部，从而省却了柯瑞沃一类液冷散热器中用于连接液冷散热器与液泵之间的管线，使液泵与液冷散热器融为一体，成为一个理想的内置微型液泵的闭环液冷散热器整体，高效地为冷堆散热，以配合03117743.3发明专利的实施，或变通使用到其他场合。

附图1是本发明涉及的内置微型液泵闭环液冷散热器的基本结构示意图。

附图仅示出实现本发明相关技术的基本方法，不涉及具体的生产工艺和装配工艺，故勿需标示具体、详细、准确的结构关系、变通结构和各部件具体尺寸。

据相关资料，本发明涉及的微型电机，其转速在每分钟300(即每秒5)转左右，属低速电机，其转子结构重量仅10克左右，加之该微型电机的转子及其支撑结构均浸泡在温度小于(设有保护范围的)55℃的液体中，故转子转动时与支承材料摩擦产生的热量可适时散发，转子支承体的材料、结构机械承受能力等，可选者众，此处忽略，不议。

具体实施例

实施例1、专用于陶瓷半导体致冷器件的内置微型液泵闭环液冷散热器

见图1、图3。图中2是冷堆热端，其上是厚约2毫米的铜(铝)质金属散热器基座13，基座中央是掏空的液槽14，液槽与液管10构成容纳冷却液的封闭体；液槽上部固化了由定子线圈7、磁性转子6和桨叶8构成的微型液泵。冷堆工作时产生的大量热量通过金属基座13底部的薄壁传导给液槽中的冷却液，冷却液在微型液泵桨叶的作用下，沿图中16所指的方向在液管中循环流动。液冷散热器的总体结构上，与液槽相连的液管在绕行分布的同时，与板状金属隔板12焊接成均匀相间的层叠网状(类似汽车散热水箱结构)，使液管中液体承载的大量热量较为均匀地分布到散热器金属结构的各个部位，利于风机M1转动时更好地带走散热器金属表面堆积的热量，达到散热的目的。

冷堆冷端3的下部连接金属材料散热器11，冷堆工作时，安装在冷堆冷端散热器上的风机(图中省略)将带走冷堆冷端的冷量并使之在所需冷却的有限封闭区域内循环，从而为该区域降温。至于冷堆冷端工作时的结霜、除霜问题，申请人已在03117743.3号发明专利申请中作了相应表述，解决了该问题，这里不再赘述。

如果内置微型液泵电机定子损坏，电机电源引线故障，或液泵桨叶卡住导致冷却液停止循环，散热器液槽内冷却液的温度将持续升高无法散发，进而导致冷堆超温损坏，因此，本发明涉及的散热器液槽内靠近冷堆热端安置了用于探测温度的传感器(热敏电阻)1和探测内置微型液泵电机磁性转子是否正常运转的霍尔传感器9，该两种传感器与控制电路连接后，当测到因故导致冷却液停止循环使冷堆超温时，保护电路将控制冷堆断电停止工作，从而避免损坏冷堆。温度探头和霍尔传感器的工作原理及其控制电路等早已广泛成熟应用，这里不再赘述。本实施例中，由于有内置微型液泵动力源的存在，可使本散热器内的散热介质持续循环，故本散热器可以采取任意角度安装。

实施例2、用于普通功能性散热需求场合的内置微型液泵闭环液冷散热器

图5是用于普通功能性散热需求场合的内置微型液泵闭环液冷散热器结构示意图。

在现行的通用计算机结构上，有CPU、GPU和北桥芯片三个主要热源，前述柯瑞沃液冷散热器产品，由于不便为这三个热源设置三个各自独立的液泵，因此该液冷散热器产品的实际使用中是用塑料管线将CPU、GPU乃至北桥芯片甚至高档内存条等多个热源串接起来再与液泵和液冷散热器连接，这样连接的结果会导致冷却液被层层加温，如果遇到CPU、GPU两者的发热量非常接近的情况(有这样的高档显卡)，不管CPU、GPU两者谁排在前面，顺序连接在第二位的热源的实际散热效果必定会大打折扣(冷却水入水温度已升高)，由此可见柯瑞沃一类液冷散热器产品依然存在顾此失彼的弊端。

本例的内置液泵液冷散热器，在结构上设置了三组循环管线(见图6)，使CPU、GPU和北桥芯片各自独立使用一套管路(而不是象现行的柯瑞沃一类液冷散热器那样将三者的管线相互串接在一起)，使CPU、GPU和北桥芯片三者真正获得独自“凉爽”的效果(由于北桥芯片和高档内存条的发热量相对较小，实际使用中可以将这两者用管线串联后共用一组管路散热)。

本例虽然设置了三组循环散热管线，但只设置了一副微型电机定子(功率按需要设定)，其余两组散热管线的四只桨叶的动力由磁性转子6通过中间介轮17传递、转换后提供。经过中间介轮的转换，另四只桨叶还能保持与磁性转子6相同的旋转方向。

本发明的有益效果是：

一、本发明以普通液冷散热器的散热原理和微型液泵为基础，将已经成熟应用的这两者相结合，将微型液泵科学地置于液冷散热器内部，使液冷散热器与液泵融为一体，从而省却了液冷散热器与液泵之间的外连管线，构成一个理想的液冷散热器整体，成为比传统金属合金材料结构的固体散热器更为高效的散热器，成为比普通结构液冷散热器中将受热体、散热器、液泵三者分离的结构上更为科学、合理、高效的散热器。

二、前述柯瑞沃类散热套件，针对的仅仅是计算机中央处理器CPU和计算机显卡的图形处理器GPU及北桥芯片等，液泵外置增加了组件的安装复杂程度。而本发明所涉及的内置液泵散热器除主要用于安装冷堆，构成一个冷源组件，象家用空调那样，在相关控制电路的作用下为一个具体、有限的空间(计算机机箱)提供25℃～30℃的冷环境外，还可变通适用于前述柯瑞沃一类不使用冷堆的液冷散热器，适用后可以减少此类散热器与外置液泵之间的连接管线，且一路以上的散热管路结构能为多个热源提供独立的散热通道，使内置液泵液冷散热器的使用更为科学合理、安全高效，简洁美观。

附图说明

图1是本发明的基本结构示意图。

图2是图1的A-A示意图。

图3是图1的B-B示意图。该图表示采用两片冷堆时的情况，并以非对称形式画出了可能存在的液管不同的分布情况。采用两片冷堆比同等功率情况下单片冷堆的有效散热面积至少增加50％，利于冷堆散热。图3上部表示用两对即四只桨叶分别驱动两路散热管的情况，下部表示用一对即两只桨叶驱动一路散热管的情况。图中的微型电机仅使用了一个定子，这样可以简化结构，提高微型液泵的总体可靠性，同时减少霍尔传感器的数量，各桨叶8通过齿轮与微型电机的转子6联动。

冷堆工作时必须用绝热材料严格隔离冷、热两端，否则热端的大量热量会回窜到冷端，使冷端的制冷效果急剧下降甚至不制冷，故图4是用AB组份的绝热材料填充冷堆的冷热隔离区5，以及冷却液在内置微型液泵作用下循环流动的示意图。

图5是根据实施例1的原理，新设计的用于与前述柯瑞沃用途类似的液冷散热器套件的新型液冷散热器结构示意图。该图将原液冷散热器的外置液泵做到了散热器内部，优化了结构，减少了原散热器与外置液泵之间的连接管线。由于该图的基本结构、工作原理与前图类似，故图5省略了图中大部分部件编号。

图6是图5的C-C示意图。图中中间一路散热管线实际产品中并不是一进一出直通，而是与另两路一样，仍然需要在散热器结构上绕行数圈后再引出。

以上各图中，M1是散热器热端散热风机，1是温度探头，2是冷堆热端，3是冷堆冷端，4是装夹螺钉，5是冷堆冷热隔离区，6是微型电机的磁性转子，7是微型电机的定子绕组，8是微型液泵的桨叶，9是霍尔传感器，10是液管，11是冷堆冷端散热器，12是与散热液管相焊接的板状金属隔板，13是散热器金属基座，14是液槽，15是在风机M1的作用下散热空气流动方向，16是冷却液流动方向，17是中间介轮，18是耐高温塑料微型电机、液泵的结构支撑架，19是外部热源接口。

以上各图省略了温度探头和霍尔传感器及微型液泵的引出线，同时省略了冷堆冷端金属散热器上的风机。

本发明涉及的液冷散热器所用的内置微型液泵可以根据需要设置一个或多个。

Claims (3)

1.在液冷散热器物理结构的下部，设置一容纳冷却液的液槽，液槽底部为一平整的受热面，受热面面积与热源面积相当，接收热源的热量；为解决冷却液在液管内的流动问题，一对自身相通、在散热器物理结构上绕行以利于散发热量的金属液管开口两两轴向相对，轴心重叠；在液槽中间与液管轴心平面平行的位置，安放一组或一组以上由电磁感应电机组成的液泵，液泵位于两液管之间，液泵的桨叶轴心与液管轴心重叠，液泵桨叶伸入液管开口；液泵的微型电磁感应电机工作时，磁性转子直接驱动或通过齿轮、介轮间接驱动桨叶，使冷却液在金属管内与液槽之间循环流动，达到为发热体充分散发热量的目的。

2.根据权利要求1所述装置，为确保热源不因液泵故障而超温损坏，在液槽底部对应热源的位置安装温度传感器，在液泵磁性转子旋转平面平行的对应位置安装霍尔传感器，温度传感器和霍尔传感器分别与控制电路连接，构成液冷散热器的运行状态监控、保护功能。

3.根据权利要求1所述装置，为变通、延展该装置的使用，液槽底部不安装热源，将自成一组的液管另设一对开口，且将该开口用柔性液管与外部热源连接，成为该热源的液冷散热器。

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