TWI613541B - 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、複數個流管及一空氣吸附裝置。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連通循環的一迴路。空氣吸附裝置連通於迴路以吸附冷卻液中的空氣。

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，空氣中小分子的氣體，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，會干擾槳葉的轉動，不僅影響泵的效能，還會讓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，藉以解決傳統的液冷式散熱系統因循環中有空氣所造成降低散熱效能、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、複數個流管及一空氣吸附裝置。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連通循環的一迴路。空氣吸附裝置連通於迴路以吸收冷卻液中的空氣。

本發明所揭露的液冷式散熱系統，藉由空氣吸附裝置連通液冷迴路的設計，可吸收進入迴路中的空氣，不僅可防止空氣在迴路中對散熱效能的影響，還可維持泵順暢的運轉，避免泵吸入空氣而產生運轉噪音，更能延長泵的使用壽命。

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、複數個流管及一空氣吸附裝置。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連通循環的一迴路。空氣吸附裝置連通於迴路以吸附冷卻液中的空氣。由於空氣吸附裝置連通液冷迴路的設計，可吸收進入迴路中的空氣，不僅可防止空氣在迴路中對散熱效能的影響，還可維持泵順暢的運轉，避免泵吸入空氣而產生運轉噪音，更能延長泵的使用壽命。

一種改進中，液冷式散熱系統還額外配有一可變容積腔體在迴路上，由於可變容積腔體為一不具形變恢復力的材質所構成，例如為一個可收縮且不具彈性的水球。藉此，可平衡空氣吸附裝置吸附氣泡後所帶來的壓力改變。

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1~2，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，而圖2係為圖1的局部放大剖式圖。

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及一空氣吸附裝置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及一第二接口10b。

液冷排20可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，分別為該輸送管兩端的開口。

空氣吸附裝置40包含一主腔體410與容置於主腔體410內的複數個吸附單元420。而主腔體410的兩側上分別具有一第一開口410a與一第二開口410b。

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與空氣吸附裝置40的第一開口410a，第二流管32的兩端分別直接連接於空氣吸附裝置40的第二開口410b與液冷排20的第三接口20a，而第三流管33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，液冷頭10、第一流管31、空氣吸附裝置40、第二流管32、液冷排20與第三流管33形成供冷卻液流通循環的一迴路A。

在運轉上，液冷式散熱系統1a所形成的該迴路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、空氣吸附裝置40、第二流管32輸送至液冷排20作散熱降溫後，再經由第三流管33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讓外界空氣中較小的空氣分子(如氦氣)一併經由管材吸引進入流管中而溶解於冷卻液。若溶解的空氣飽和，則會以氣泡的方式存在。這些氣泡存在於冷卻液中，不僅會提高流阻而影響散熱效能，更嚴重的是，若這些氣泡經液冷循環進入泵8，會受到泵8的槳葉的撞擊而產生噪音，且會干擾泵槳葉的轉動而影響泵8的效能，甚至，氣泡會讓槳葉在旋轉時過度晃動而造成槳葉的軸承損壞，進而讓泵8停止運作而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配置有空氣吸附裝置40。空氣吸附裝置40內有多個吸附單元420，每一吸附單元420為一具有超親水-超疏水特性的多孔結構，例如，為具超疏水表面的超疏水-超親水轉換結構，其具有不與冷卻液發生浸潤現象的特色。超疏水表面是指水滴在表面上呈現大接觸角（例如大於150度）的表面。因此，當流過空氣吸附裝置40的冷卻液存有空氣氣泡F(如圖2)，或溶有空氣時，空氣可輕易取代孔洞中的液體，即空氣會被吸收進入這些微小的孔洞內。也就是說，吸附單元420可吸收並容納這些空氣，以確保流出空氣吸附裝置40的冷卻液內不會摻雜空氣氣泡。藉此，除了可防止冷卻液中存有空氣氣泡而影響散熱效能之外，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。在一實施例中，前述具有超親水-超疏水特性的吸附單元可以在其內部充滿冷卻液如水，當水路中有空氣接觸在上面，則發生吸附。其中，使吸附單元內部充滿水的方式可以是：在一實現中，使用超疏水-超親水材料，通過改變外部條件（如光照或磁場），可以在親水-疏水兩種狀態下相互轉換，需要注水時，將材料調整為親水狀態；注水完成後，再將其轉換為疏水狀態；或者在另一實現中，使用疏水材料，且提供一種與之配套的溶質，疏水材料可與溶有一定濃度的此溶質的水親和；當注水完成後，在保證迴路沒有氣泡的情況下，通過例如化學反應或者稀釋降低此溶質濃度。

此外，需聲明的是，本發明並非以空氣吸附裝置40與迴路A之間的連接方式與連接的位置為限。例如於其他實施例中，空氣吸附裝置40也可以位於迴路A外，僅以一開口連通於迴路A。

接著，請參閱圖3，圖3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，液冷式散熱系統1b還包含有一可變容積腔體50。而第二流管32替換成一第四流管34與一第五流管35。如圖所示，可變容積腔體50兩側分別具有一第三開口50a與一第四開口50b。第四流管34的兩端分別直接連接於空氣吸附裝置40的第二開口410b與可變容積腔體50的第三開口50a，而第五流管35的兩端分別直接連接於可變容積腔體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，可變容積腔體50位於迴路A上。

一種具體實現中，可變容積腔體50外形可以是如一水球般，且是由不具有形變恢復力的材質所構成。可變容積腔體50在冷卻液蒸散而減少的過程中，液冷系統中的冷卻液的量會減少，可變容積腔體50會隨著冷卻液的減少而凹陷扁塌，有助於平衡空氣吸附裝置40吸收氣泡時對迴路A產生的壓力改變。

另一種具體實現中，可變容積腔體50也可以是採用活塞方式實現，即將圖3所示球狀可變容積腔體50替換為如圖4所示，迴路中增加支路53，其中支路53的一端（即分液路51）連通迴路，另一端設有一開口54直接連通外界大氣，分液路51和開口54之間設有一可滑動活塞52，當迴路內的壓強與外界大氣壓有差異時，活塞52會因受到壓力而活動，直至迴路內外壓力平衡。

由上述可知，在本發明所揭露的液冷式散熱系統中，藉由空氣吸附裝置連通液冷迴路的設計，可吸收進入迴路中的空氣，不僅可防止空氣在迴路中對散熱效能的影響，還可維持泵順暢的運轉，避免泵吸入空氣而產生運轉噪音，更能延長泵的使用壽命。

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‧‧‧液冷散熱系統

8‧‧‧泵

9‧‧‧熱源

10‧‧‧液冷頭

10a‧‧‧第一接口

10b‧‧‧第二接口

10s‧‧‧中空容腔

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‧‧‧空氣吸附裝置

50‧‧‧可變容積腔體

50a‧‧‧第三開口

50b‧‧‧第四開口

410‧‧‧主腔體

410a‧‧‧第一開口

410b‧‧‧第二開口

420‧‧‧吸附單元

51‧‧‧分液路

52‧‧‧可滑動活塞

53‧‧‧支路

54‧‧‧開口

A‧‧‧迴路

F‧‧‧氣泡

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係為圖1的局部放大剖式示意圖。 圖3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4係為根據本發明之第二實施例所繪示之液冷式散熱系統中的空氣吸附裝置的示意圖。

1a‧‧‧液冷散熱系統

8‧‧‧泵

9‧‧‧熱源

10‧‧‧液冷頭

10a‧‧‧第一接口

10b‧‧‧第二接口

10s‧‧‧中空容腔

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‧‧‧空氣吸附裝置

410‧‧‧主腔體

410a‧‧‧第一開口

410b‧‧‧第二開口

420‧‧‧吸附單元

A‧‧‧迴路

Claims (7)

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連通循環的一迴路；一空氣吸附裝置，連通該迴路，以吸收冷卻液中的空氣；以及一可變容積腔體，連通該迴路，用以平衡該空氣吸附裝置吸收空氣之後帶來的壓力改變，其中，該可變容積腔體為一不具有形變恢復力的材質所構成。
2. 如請求項1所述之液冷式散熱系統，其中該空氣吸附裝置包含一主腔體與容置於該主腔體的複數個吸附單元。
3. 如請求項2所述之液冷式散熱系統，其中每一該吸附單元為一具有疏水特性的多孔結構。
4. 如請求項1所述之液冷式散熱系統，其中該吸附單元為一具超疏水表面的超親水-超疏水轉換結構。
5. 如請求項1所述之液冷式散熱系統，其中該可變容積腔體具有一分液路、一可滑動活塞和一開口，該分液路連通該迴路，該開口直接連通外界，該可滑動活塞位於該分液路與該開口之間，該可滑動活塞用以在該迴路的壓強與外界有差異時滑動直至該迴路內外壓力平衡。
6. 如請求項1所述之液冷式散熱系統，其中該空氣吸附裝置的一端連通該迴路，其餘部分位於該迴路之外以使該空氣吸附裝置與該迴路不再形成另一迴路。
7. 如請求項1所述之液冷式散熱系統，其中該空氣吸附裝置形成為該迴路的一部分。