CN2640041Y - 一种热管水冷散热系统 - Google Patents

Abstract

一种热管水冷散热系统涉及冷却系统制造技术领域。本实用新型由热管组件与水冷组件两部分组成，包括热管(2)、底板(1)，水冷散热片(3)、微型水泵(6)、水箱(5)，水冷散热片(3)通过水管(4)与微型水泵(6)及水箱(5)构成循环回路，热管(2)通过底板(1)与需要散热的集成电路联接。本实用新型设计的热管导热水冷系统，既保留水冷系统的高效性，又保证了水冷系统的安全性，本实用新型主要用于高发热量的集成电路散热。

Description

一种热管水冷散热系统

技术领域    本发明涉及冷却系统制造技术领域，尤其涉及热管水冷散热系统。

背景技术    随着半导体技术的飞速发展，集成电路芯片的集成度不断提高，芯片的工作频率也不断提高，集成电路芯片的发热量大大地增加了。尤其在计算机领域，CPU的主频飞速提升，发热量也越来越大，在带给广大用户更强性能的同时，高频CPU的散热问题也越来越严重，P42.4G的发热量已经达到了75W。CPU散热系统的散热能力，已经成了关系到计算机能否稳定工作重要问题。为此，众多厂家及科研人员付出了不懈的努力。

目前市场上的散热系统最常见的是风冷系统，即在CPU上覆盖散热片，散热片材料采用纯铜或铝，为增加散热面积，散热片往往有很多鳍片，用风扇吹风以提高散热能力。随着CPU发热量的增加，采用的散热片体积逐渐增大，所需要的风量也逐渐增大，风冷系统噪音也在增加。风冷系统的体积必然受到计算机机箱容积的限制，用户对噪音的忍受能力也是有限的，因此风冷系统的散热能力受到上述两个因素的限制。

市场上还出现了采用热管技术的风冷系统，其原理是应用导热能力很高的热管，将CPU发出的热量传输到散热片各部分，降低散热片各部分的温差。使系统的散热能力有了较大的提高，但仍无法从根本上摆脱传统风冷系统所受到的限制。

除此之外，市场上还有少数采用液冷的系统。其中最常见的是水冷系统。使用水冷的系统其优点是取材方便，而且能使CPU的温度与水温相接近。但水冷系统的安全性是阻碍它普遍使用的原因，如果水冷系统发生泄漏的话，将使整套计算机系统烧毁。

一般轴向热管由管壳、管芯和工质三部分构成。管壳通常由金属制成，两端焊有端盖，管壳内壁装有一层由多孔性物质构成的管芯(若为重力式热管则无管芯)，管内抽真空后注入某种工质，然后密封。热管的工作原是在管的一端加热，管内的工质吸收潜热被蒸发，变成蒸气，压力增大后沿中间通道流向另一端，凝结成液体，放出潜热；液态工质在管芯毛细力和重力等的回流动力作用下又返回蒸发段，继续蒸发吸热。如此循环往复，把热量源源不断地从加热段(蒸发段)传递到冷却段。由于热管传递的是相变潜热，因此肯有很高的传热效率。

发明内容    本发明设计出一套采用热管导热的水冷系统。即采用热管将集成电路发出的热量导出机箱外，而后再使用水冷。

本申请热管导热的水冷系统由两个部分组成，一是热管组件，包括热管2、底板1。根据需要可增加固定集成电路与热管相对位置的固定支架及固定热管与机箱位置的支架。二是水冷组件，包括水冷散热片3、微型水泵6、水箱5。热管将集成电路的热量导出机箱外，在机箱外用微型水泵从水箱抽水，然后进入水冷散热片冷却热管，再通过水管(4)返回水箱，反复循环工作将集成电路发出的热量带走。微型水泵、水箱作用是提供循环冷却水，在某些场合也可以用其他水源替代，例如自来水等。

热管与水冷散热片可以采用两种方式联接：一种方式是将水冷散热片作为热管的端盖；另一种方式是，水冷散热片与热管的端盖采用机械机构紧密联接，并涂以导热膏，例如硅胶等。两种联接方式前者热阻较小，散热效果好，但加工复杂，水冷散热片体积大；后者热阻较大，但加工简单，易于安装。

本申请的热管可以选用的热管类型有：两相闭式热虹吸管(重力热管)、有芯热管、分离式热管、毛细泵回路等。

若采用两相闭式热虹吸管，则热管的冷凝段必须位于蒸发段上方，因此热管的安装受到一定限制，但两相闭式热虹吸管结构简单，制造成本低；若采用有芯热管，由于吸液芯的作用，热管对冷凝段和于蒸发段相对位置无特殊要求，因此安装位置灵活，但制造成本有所提高；若采用分离式热管和毛细泵回路，热管的散热能力和效率有所提高，但制造成本很高，只适合于对成本不敏感的场合。

可以作为热管壳体材料有铜、铝、不锈钢、碳钢、低合金钢等。在对传热效率要求较高的使用场合热管壳体材料使用传热能力较高的铜和铝。采用铜作为壳体材料，优点是导热能力高，焊接等工艺性能好，且与铜相容的工质品种多，缺点是铜的密度大，成本高；相对的，铝的导热能力稍差，焊接等工艺难度也大，但铝的比重小，成本较低。

热管工作温度约在0-100℃，可以在这个温度范围工作的工质主要有氨、氟里昂-21、氟里昂-11、氟里昂-113、己烷、丙酮、乙醇、甲醇、水等。其中氨、氟里昂-21、氟里昂-11、氟里昂-113、丙酮与铝相容；氟里昂-11、氟里昂-113、己烷、丙酮、乙醇、甲醇、水与铜相容。氨、氟里昂-21、氟里昂-11、氟里昂-113常用于低温热管，在0-100℃工作其饱和气压较高，若采用需要设计耐压能力较高的壳体；己烷、丙酮、乙醇、甲醇、水通常用于常温热管，其中水的工作能力最高，但考虑到在高寒地区的冬季气温较低，以水为工质可能导致热管出现冷冻启动极限而无法工作，故采用水的热管仅适于冬季气温高于0℃的地区，其余工质熔点均较低，使用范围不受限制。

可在上述壳体材料和工质中选择相容的组合作为热管的壳体材料和工质。若采用有芯热管，还需要选择吸液芯结构。典型的吸液芯结构共有3种：丝网型吸液芯、烧结型吸液芯、沟槽型吸液芯。还可采用各种内壁喷(镀)涂方法制造吸液芯，如蒸汽喷镀、阴极溅射、火焰喷涂等。采用何种吸液芯可根据制造热管的工艺条件及生产成本确定。

热管通过底板1与集成电路联接，将集成电路热量传递到热管的另一端。必须将底板1紧密固定到集成电路上，以确保热管工作的可靠性，针对不同的集成电路可采用不同的联接方式。热管的另一端可以伸出机箱，则需在机箱开孔，穿过机箱后采用机械结构将热管固定在机箱上，也可以安装在机箱内合适位置，并与与其他元件隔离。两种安装方式前者易于实施，机箱自然将循环水与其他元件隔离；后者受机箱空间限制且循环水必须确实与其他元件隔离，以保证系统安全可靠。

水冷散热片可采用合适的结构以保证散热效果，例如可以在水冷散热片上钻孔，作为冷却水循环的通道。钻孔的孔径及长度应在制造成本可接受范围内保证水冷散热片的导热能力。在水冷散热片内钻孔末端加工螺纹，并配以相应的接头，通过水管与水泵及水箱构成循环回路。水泵的选用应采用扬程及流量能满足冷却需要的产品，可采用的类型有：潜水泵、自吸泵、离心泵等。热管将集成电路的热量传导到水冷散热片后再采用水泵从水箱抽水循环冷却。水箱放于通风处，靠自然对流散热。水箱的容积可根据需要确定，应有足够的容积确保水温不至于过快上升，可以在水箱外壁装置散热片以增加水箱散热面积，如有必要还可以在散热片上使用风扇，进一步提高散热能力。

由于热管有很高的传热效率，因此在集成电路散热系统中使用热管将集成电路散发出的热量带出计算机外，再进行水冷与直接在集成电路上采用水冷的效果是相当的。而且由于冷却水循环是与其他元件隔离进行的，即使因意外冷却水泄漏，也不至于造成集成电路等配件烧毁。因此，笔者设计的热管导热水冷系统，既保留水冷系统的高效性，又保证了水冷系统的安全性，将使集成电路水冷进入大规模应用阶段。本申请的热管导热水冷系统，能使目前发热量最大的集成电路(CPU 75W)表面的温度接近于冷却水的温度，并有进一步提高散热能力的潜力。

附图说明    附图为热管水冷散热系统示意图。

具体实施方式    本申请主要用于高发热量的集成电路散热。可使用于高主频的P4，AthlonXP及其它服务器CPU等。

以下为应用本申请为INTEL P4 CPU设计的散热系统(参见附图)。该系统由底板1、热管2、水冷散热片3、水管4、水箱5及潜水泵6等组成。

在该系统中热管类型为热虹吸管，壳体为Φ16×1mm紫铜管，工质为甲醇，充液量7-8ml，根据《热管与热管换热器》(庄骏等编著“上海交通大学出版社”出版)及《热管技术及其工程应用》(庄骏等编著“化学工业出版社”出版)所列出的公式计算热管的传热极限(携带极限、沸腾极限、干涸极限)得出该热管在首先发生的传热极限为携带极限，40℃携带极限为326W大大高于现有P4 CPU的最大发热量75W。满足系统散热需求。

热管伸出机箱外的端盖就是水冷散热片，厚度为12mm，并在端盖上钻孔，作为冷却水通道。其孔径为Φ4，水冷片内钻孔总长度为74mm，末端加工的螺纹为M5。水冷散热片上安装两个接头，接水管内径为Φ4，其中一个接头接回水箱，另一个接头接潜水泵。选择的潜水泵型号为SP-980，广东日生集团生产，排量550L/小时、扬程1.3m，功率9W。

P4主板上固定散热片的塑料支架上设置有方形孔，利用穿过方形孔的“U”形簧片形变产生的压紧力使热管的底板与CPU紧密贴合在一起，并在底板与CPU贴合面涂上硅胶，以保证贴合面导热良好。热管和机箱的固定由机箱固定架用螺钉固定在机箱上。

水箱采用厚0.5mm的A3钢板制作，内外表面涂防锈漆。外形尺寸为430×430×188mm。即使不考虑水箱在空气中散热，水箱的温度30分钟仅上升1℃左右。

采用这套系统后，P4 CPU(75W)正常运行时表面温度仅比水温高5℃左右。

若将本系统用于其他CPU或大发热量集成电路，仅需改变热管固定支架即可。

Claims (1)

1、一种热管水冷散热系统，由热管组件与水冷组件两部分组成，其特征在于：热管组件包括热管(2)、底板(1)，水冷组件包括水冷散热片(3)、微型水泵(6)、水箱(5)；水冷散热片(3)与热管的端盖采用机械机构紧密联接或将水冷散热片(3)直接作为热管的端盖；水冷散热片(3)通过水管(4)与微型水泵(6)及水箱(5)构成循环回路；热管(2)通过底板(1)与需要散热的集成电路联接。