TW201806468A - 液冷式散熱系統 - Google Patents

Abstract

一種液冷式散熱系統，包含一液冷排、一液冷頭、複數個流管及一加壓裝置。液冷頭熱接觸於至少一熱源。流管連通於液冷頭與液冷排之間，以與液冷頭、液冷排形成供冷卻液流通循環的迴路。加壓裝置連通於迴路。加壓裝置對迴路加壓，使得迴路內的壓強大於環境氣壓。

Description

液冷式散熱系統

本發明係關於一種液冷式散熱系統，特別是一種適用於電子裝置散熱的液冷式散熱系統。

現有的電子裝置中設置許多高功率的電子元件，例如中央處理器或圖像處理器。這些電子元件具有優異的資料處理效能，但在運轉時會產生驚人的熱能，若沒有經過適當的散熱機制來排除熱能，熱能會讓這些電子元件超過其安全操作溫度而降低運作效能，甚至使得整個電子裝置因過熱而當機。

隨著散熱技術的進步，液冷式散熱系統逐漸成為電子裝置散熱的主流之一。所謂液冷式散熱，是以液體作為散熱媒介。傳統上，液冷式散熱系統主要是由多條流管將一液冷頭與一液冷排串連所組成的循環。在該循環中填充有冷卻液，冷卻液可受液冷頭內裝設的泵(pump)驅動而在該循環中不斷流動以進行解熱。

然而，該循環內的冷卻液會在流經流管時向外蒸散。統計顯示，在約為攝氏60度的使用環境下，每年經由流管向外蒸散的冷卻液的量約為8~10克不等。嚴重的是，在冷卻液向外蒸散的過程中，空氣中的小分子氣體，如氦氣，將經由流管的管材置換進入該循環內而溶解於冷卻液中，當溶解飽和後，空氣將以氣泡的方式存在於該循環中。這些氣泡除了干擾液冷循環而影響散熱效能外，在配置有泵的液冷系統中，當這些氣泡經循環被吸進泵時，將干擾槳葉的轉動，不僅影響泵的效能，還使得泵在旋轉時產生噪音。甚至，氣泡將使槳葉在旋轉時產生晃動，造成槳葉的軸承損壞，進而影響整個液冷系統的壽命。也就是說，隨著逐年的使用，進入液冷式散熱系統的空氣越來越多，除了讓散熱系統的散熱效能越來越低，還會有泵損壞的潛在問題。

本發明在於提供一種液冷式散熱系統，藉以防止空氣進入液冷循環，進而可解決傳統的液冷式散熱系統因空氣進入循環而降低散熱效能、甚至損壞泵等問題。

本發明所揭露的液冷式散熱系統，包含一液冷排、一液冷頭、複數個流管及一加壓裝置。液冷頭熱接觸於至少一熱源。流管連通於液冷頭與液冷排之間，以與液冷頭、液冷排形成供冷卻液流通循環的迴路。加壓裝置連通於迴路。加壓裝置在冷卻液向外蒸散的過程中自動對迴路加壓，使得迴路內的壓強大於環境氣壓。

本發明所揭露的液冷式散熱系統，藉由加壓裝置對冷卻液的循環迴路加壓而使得迴路內的壓強大於環境氣壓的設計，可防止冷卻液向外蒸散的過程中空氣也一併置換進入液冷迴路的問題，不僅可維持泵順暢的運轉而延長其使用壽命，更可同時維持散熱系統所預定的散熱效果。

以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

本發明實施方式提供了一種液冷式散熱系統，包含一液冷排、一液冷頭、複數個流管及一加壓裝置。液冷頭熱接觸於至少一熱源。流管連通於液冷頭與液冷排之間，以與液冷頭、液冷排形成供冷卻液流通循環的迴路。加壓裝置連通於迴路。在冷卻液向外蒸散的過程中，加壓裝置根據壓強變化對迴路自動加壓，使得迴路內的壓強大於環境氣壓，空氣不會一併置換進入迴路中，從而可避免空氣進入液冷迴路而影響散熱效能的問題。在配置有泵的散熱系統中，可確保泵能不受氣泡影響而順暢的運轉。

一種改進中，加壓裝置同時是一個補液裝置，其主腔體內經由可活動的活塞件分隔為第一可變容積腔室與第二可變容積腔室。第一可變容積腔室內存有備用冷卻液，藉由第二可變容積腔室內的推抵件持續將活塞件推向第一可變容積腔室，可迫使備用冷卻液流進迴路，使得在對該迴路加壓的同時，補充迴路中向外蒸散而失去的冷卻液。

另一種改進是在將加壓裝置替換成一可變形腔體，整個加壓裝置填充冷卻液，並可藉由本身的形變恢復力而持續的將冷卻液推進液冷迴路中，進而對液冷迴路加壓及補液。

以下透過具體實施例詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

需注意的是，本發明所附圖式均為簡化之示意圖，僅以示意方式說明本發明之基本結構。因此，在所附圖式中僅標示與本發明有關之元件，且所顯示之元件並非以實際實施時之數目、形狀、尺寸比例等加以繪製，其實際實施時之規格尺寸實為一種選擇性之設計，且其元件佈局形態可能更為複雜，先予敘明。

首先，請參照圖1，圖1係為根據本發明之第一實施例所繪示之液冷式散熱系統的示意圖。於本實施例中，提出了一種液冷式散熱系統1a，適用於對電子裝置散熱。電子裝置可以是例如桌上型電腦，但本發明並非以此為限。

具體來說，於本實施例中，液冷式散熱系統1a包含一液冷頭10、一液冷排20、一第一流管31、一第二流管32、一第三流管33及一加壓裝置40。

液冷頭10可用以熱接觸於至少一熱源9。熱源9可以是例如前述電子裝置中的中央處理器(Central Processing Unit，CPU)、圖形處理器(Graphics Processing Unit，GPU)等運轉時會產生大量熱能的電子元件，但本發明並非以此為限。液冷頭10具有一中空容腔10s，及連通於該中空容腔10s的一第一接口10a、一第二接口10b及一補充液接口10c。

液冷排20可以是例如由複數個散熱鰭片(未繪示)及穿過這些散熱鰭片中的輸送管(未繪示)所構成。液冷排20具有一第三接口20a與一第四接口20b，分別為該輸送管的兩開口。

加壓裝置40包含一主腔體410、一活塞件420及一推抵件430。活塞件420容置於主腔體410中以將主腔體410內部的腔室分隔為一第一可變容積腔室411與一第二可變容積腔室412。此外，主腔體410具有連通第一可變容積腔室411的一第一開口411a。第一可變容積腔室411可用來填充備用冷卻液，以作為冷卻液補充之用。推抵件430容置於第二可變容積腔室412中。於本實施例中，推抵件430為一壓縮彈簧，其一端與活塞件420相連，另一端固定於第二可變容積腔室412，可用於將活塞件420推向第一可變容積腔室411而壓縮第一可變容積腔室411的容積，但本發明並非以此為限。例如於其他實施例中，推抵件430也可以是一個具有形變恢復力的彈性球。

這裡將針對液冷頭10、液冷排20與加壓裝置40的連接關係進行說明。第一流管31的兩端分別直接連接於液冷頭10的第一接口10a與液冷排20的第三接口20a。第二流管32的兩端分別直接連接於液冷頭10的第二接口10b與液冷排20的第四接口20b。藉此，第一流管31與第二流管32可與液冷頭10及液冷排20形成供冷卻液流通循環的一迴路A。而第三流管33的兩端分別直接連接於液冷頭10的補充液接口10c與加壓裝置40的第一可變容積腔室411的第一開口411a。可知，在此實施例中，加壓裝置40位於該迴路A之外，僅經由第一開口411a與迴路A連通。

接著，將針對液冷式散熱系統1a的運作進行說明。液冷式散熱系統1a所形成的迴路A內填充有冷卻液。此外，於本實施例中，液冷頭10的中空容腔10s內裝設有一泵8，可用以驅動冷卻液的流動。當電子裝置在運作時，熱源9產生的熱能會直接傳導至液冷頭10中而讓液冷頭10內的冷卻液升溫，而泵8可將液冷頭10內高溫的冷卻液經由第一流管31輸送至液冷排20作散熱降溫後，再經由第二流管32帶回液冷頭10以完成液冷循環。

其中，由於流管的材質通常是使用鐵氟龍(Teflon)所構成，其聚合物之間的鏈結長度會讓少量的冷卻液通過而經由管材蒸散至外界環境。且在蒸散的過程中，流管內的壓強將下降而使得外界空氣中較小的氣體(如氦氣)一併經由管材吸引進入流管而溶解於冷卻液。若溶解的空氣飽和，將存在氣泡。這些氣泡存在於冷卻液中，不僅會提高流阻而且會影響散熱效能，更嚴重的是，若這些氣泡經液冷循環進入泵8，將受到泵8的槳葉的撞擊而產生噪音，且將干擾泵槳葉的轉動而影響泵8的效能，甚至，氣泡將使得槳葉在旋轉時過度晃動而造成槳葉的軸承損壞，進而使泵8停止運作並可能縮短了整個液冷系統的使用壽命。

為了避免發生前述的問題，本實施例的液冷式散熱系統1a配置有加壓裝置40，其內部的推抵件430在常態下是處於壓縮狀態，推抵件430的彈性恢復力會持續地推抵活塞件420而壓縮第一可變容積腔室411的容積，以驅使第一可變容積腔室411內填充的備用冷卻液流進液冷頭10而進入迴路A，進而對迴路A產生加壓的效果。在設計上，加壓裝置40對迴路A的加壓可使得迴路A內的壓強大於環境氣壓（環境氣壓係指各流管的外部大氣壓）。藉此，可防止第一流管31、第二流管32及第三流管33因冷卻液向外蒸散降壓而引發外界空氣經由管材置換進入迴路A的問題。

同時，經由第一流管31、第二流管32及第三流管33向外蒸散的冷卻液，可即時地由第一可變容積腔室411內的備用冷卻液獲得補充。可知，加壓裝置40除了可對迴路A加壓而防止空氣進入迴路A之外，還可作為一種補液裝置，以補充向外蒸散而失去的冷卻液。

也就是說，加壓裝置40是以補液的方式加壓液冷迴路，以防止空氣進入系統內，進而可避免因空氣進入冷卻液提升流阻而降低散熱效能、甚至損壞泵而縮短系統使用壽命等問題。換句話說，藉由加壓裝置40，液冷式散熱系統1a的液冷迴路可在較長的時限內維持充滿冷卻液但無空氣氣泡的狀態，除了有助於維持預定的散熱效能，還有助於延長系統的使用壽命。

但需聲明的是，本發明並非以加壓裝置40與迴路A之間的連接方式與連接位置為限。例如於其他實施例中，加壓裝置40也可以是經由第三流管33直接連通於液冷排20，即此時補充液接口10c位於液冷排一側。又例如於其他實施例中，也可省略第三流管33，而加壓裝置40的第一開口411a可直接對接補充液接口10c。

另外，本發明的加壓裝置40也可設置於迴路A上。例如，請參閱圖2，圖2係為根據本發明之第二實施例所繪示之液冷式散熱系統的示意圖。本實施例提出了一種液冷式散熱系統1b，但由於本實施例的液冷式散熱系統1b與前述實施例的液冷式散熱系統1a相似，故以下僅針對差異處進行說明。

與前述實施例的差異在於，在本實施例的液冷式散熱系統1b中，加壓裝置40’的主腔體410’除了第一開口411a外，還具有連通第一可變容積腔室411的一第二開口411b，而第二流管32的兩端改以分別直接連接於加壓裝置40的第一可變容積腔室411的第二開口411b與液冷排20的第四接口20b。

在此情況下，液冷頭10、第一流管31、液冷排20、第二流管32、加壓裝置40’與第三流管30形成供冷卻液流通循環的一迴路A。也就是說，在此實施例中，加壓裝置40是位於迴路A上。

接著，還需聲明的是，本發明並非以前述實施例的加壓裝置40的設計為限。例如，請參閱圖3~4，圖3係為根據本發明之第三實施例所繪示之液冷式散熱系統的示意圖，而圖4係為圖3之液冷式散熱系統的局部放大剖切示意圖。

本實施例提出了一種液冷式散熱系統1c，但由於本實施例的液冷式散熱系統1c與前述實施例的液冷式散熱系統1a相似，故以下僅針對差異處進行說明。

與前述實施例的差異在於，在本實施例的液冷式散熱系統1c中，液冷頭10’省略了補充液接口10c。此外，加壓裝置40替換成一加壓裝置50，而第一流管31替換成一第四流管34與一第五流管35。如圖4所示，加壓裝置50具有一備用冷卻液流動腔室50s與連通於備用冷卻液流動腔室50s兩側的一第三開口50a與一第四開口50b。第四流管34的兩端分別直接連接於液冷頭10’的第一接口10a與加壓裝置50的第三開口50a，而第五流管35的兩端分別直接連接於加壓裝置50的第四開口50b與液冷排20的第三接口20a。可知，在此實施例中，加壓裝置50位於迴路A上。

值得注意的是，加壓裝置50其外形如一水球般，是由具有形變恢復力的材質所構成，其材質可以但不限於是橡膠。在製造過程中，液冷系統內會灌入額外的冷卻液，使得整個迴路內冷卻液的量足以撐大加壓裝置50後才將迴路密封。因此，在運作的過程中，撐脹的加壓裝置50會因其材質的形變恢復力而持續的對迴路加壓，以維持迴路內壓強大於環境壓強的狀態。藉此，同樣可防止空氣在流管有冷卻液向外蒸散的情況發生時進入該迴路的問題。此外，額外存於加壓裝置50內的液體，也同時會藉由加壓裝置50的形變恢復力的施壓而進入迴路A，以補充向外蒸散而失去的冷卻液。

也就是說，藉由加壓裝置50，液冷式散熱系統1c的液冷迴路可在較長的時限內維持充滿冷卻液但無空氣氣泡的狀態，除了有助於維持預定的散熱效能，還可防止空氣進入泵而產生噪音或造成泵損壞的問題發生。

由上述可知，在本發明所揭露的液冷式散熱系統中，藉由加壓裝置對冷卻液的循環迴路加壓而使得迴路內的壓強大於環境氣壓的設計，可防止冷卻液向外蒸散的過程中空氣也一併置換進入液冷迴路的問題，不僅可維持泵順暢的運轉而延長其使用壽命，更可同時維持散熱系統所預定的散熱效果。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

1a、1b、1c‧‧‧液冷式散熱系統
8‧‧‧泵
9‧‧‧熱源
10、10’‧‧‧液冷頭
10s‧‧‧中空容腔
10a‧‧‧第一接口
10b‧‧‧第二接口
10c‧‧‧補充液接口
20‧‧‧液冷排
20a‧‧‧第三接口
20b‧‧‧第四接口
31‧‧‧第一流管
32‧‧‧第二流管
33‧‧‧第三流管
34‧‧‧第四流管
35‧‧‧第五流管
40、40’‧‧‧加壓裝置
50‧‧‧可變形腔體
50a‧‧‧第三開口
50b‧‧‧第四開口
50s‧‧‧備用冷卻液流動腔室
410、410’‧‧‧主腔體
411‧‧‧第一可變容積腔室
411a‧‧‧第一開口
411b‧‧‧第二開口
412‧‧‧第二可變容積腔室
420‧‧‧活塞件
430‧‧‧推抵件
A‧‧‧迴路

圖1係為根據本發明之第一實施例所繪示之液冷式散熱系統的示意圖。 圖2係為根據本發明之第二實施例所繪示之液冷式散熱系統的示意圖。 圖3係為根據本發明之第三實施例所繪示之液冷式散熱系統的示意圖。 圖4係為圖3之液冷式散熱系統的局部放大剖切示意圖。

1a‧‧‧液冷式散熱系統

8‧‧‧泵

9‧‧‧熱源

10‧‧‧液冷頭

10s‧‧‧中空容腔

10a‧‧‧第一接口

10b‧‧‧第二接口

10c‧‧‧補充液接口

20‧‧‧液冷排

20a‧‧‧第三接口

20b‧‧‧第四接口

31‧‧‧第一流管

32‧‧‧第二流管

33‧‧‧第三流管

40‧‧‧加壓裝置

410‧‧‧主腔體

411‧‧‧第一可變容積腔室

411a‧‧‧第一開口

412‧‧‧第二可變容積腔室

420‧‧‧活塞件

430‧‧‧推抵件

A‧‧‧迴路

Claims (9)

1. 一種液冷式散熱系統，包含：一液冷排；一液冷頭，熱接觸於至少一熱源；複數個流管，連通於該液冷頭與該液冷排之間，以與該液冷頭、該液冷排形成供冷卻液流通循環的一迴路；以及一加壓裝置，連通於該迴路，該加壓裝置在該冷卻液向外蒸散的過程中自動對該迴路加壓，使得該迴路內的壓強大於環境氣壓。
2. 如請求項1所述之液冷式散熱系統，其中該加壓裝置的一端連通該迴路，其與部分位於該迴路之外以使該加壓裝置與該迴路不再形成另一迴路。
3. 如請求項1所述之液冷式散熱系統，其中該加壓裝置至少部分地形成為該迴路的一部分。
4. 如請求項2或3所述之液冷式散熱系統，其中該加壓裝置為一補液裝置，且包含一主腔體、一活塞件與一推抵件，該活塞件容置於該主腔體中以將該主腔體的腔室分隔為一第一可變容積腔室與一第二可變容積腔室，該第一可變容積腔室填充一備用冷卻液，且連通於該迴路，該推抵件容置於該第二可變容積腔室並與該活塞件相連，用以在該冷卻液向外蒸散的過程中根據壓強變化而自動將該活塞件推向該第一可變容積腔室，進而驅使該備用冷卻液流向該迴路而對該迴路加壓。
5. 如請求項4所述之液冷式散熱系統，其中當該加壓裝置的一端連通該迴路，其與部分位於該迴路之外時，該第一可變容積腔室直接連通於該液冷頭或者該液冷排。
6. 如請求項4所述之液冷式散熱系統，其中當該加壓裝置至少部分地形成為該迴路的一部分時，該第一可變容積腔室直接連通於該液冷排與該液冷頭。
7. 如請求項4所述之液冷式散熱系統，其中該推抵件為一壓縮彈簧。
8. 如請求項4所述之液冷式散熱系統，其中該推抵件為一具有形變恢復力的材質所構成。
9. 如請求項2或3所述之液冷式散熱系統，其中該加壓裝置為一可變形腔體，並具有一備用冷卻液流動腔室位於該可變形腔體中，且該可變形腔體具有形變恢復力以驅使該備用冷卻液流動腔室的冷卻液流出該可變形腔體，進而對該迴路加壓。