專利名稱：相變冷卻器和設(shè)有該相變冷卻器的電子設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體裝置和電子設(shè)備的冷卻。本發(fā)明具體地涉及通過利用相變現(xiàn)象使制冷劑循環(huán)的半導(dǎo)體冷卻裝置和包括這種半導(dǎo)體冷卻裝置的電子設(shè)備。
背景技術(shù)：
為了輸送半導(dǎo)體或電子設(shè)備中產(chǎn)生的大量熱量，已經(jīng)開發(fā)出一種通過將具有高熱導(dǎo)率的材料結(jié)合到半導(dǎo)體的外部單元并使制冷劑作為吸熱器流動通過該半導(dǎo)體的內(nèi)部以獲得高冷卻性能的方法。已經(jīng)還開發(fā)了一種通過以吸熱器使制冷劑沸騰來獲得高冷卻效果的方法。為了將制冷劑已經(jīng)獲得的熱量散發(fā)到外部，需要使制冷劑在吸熱單元與散熱單元之間循環(huán)。通常，泵被采用以循環(huán)制冷劑。在沸騰冷卻系統(tǒng)的情況下，已經(jīng)提出了一種熱虹吸式冷卻結(jié)構(gòu)，通過將吸熱單元 安裝在冷卻器的下部中并將散熱單元安裝在上部中，所述熱虹吸式冷卻結(jié)構(gòu)通過利用由于產(chǎn)生的蒸氣與液體之間的密度差而產(chǎn)生的蒸氣相對于重力的方向向上聚集的原理而不需要泵。例如，在專利文獻(xiàn)I和專利文獻(xiàn)2中公開了這種冷卻結(jié)構(gòu)。專利文獻(xiàn)I提供了一種用于冷卻功率半導(dǎo)體裝置的虹吸式沸騰冷卻器。這種沸騰冷卻器的特征在于下述結(jié)構(gòu)除了不需要泵之外，吸熱單元和散熱單元相比較地一體形成。在這種沸騰冷卻器中，需要與發(fā)熱體接觸的吸熱單元和散熱單元以及制冷劑的循環(huán)路徑的結(jié)構(gòu)的一體成型。為此，當(dāng)為了使電子部件小型化時(shí)，這種沸騰冷卻器是昂貴的，因此使用該沸騰冷卻器用于各種目的都是困難的。專利文獻(xiàn)2提供了一種通過將冷凝器安裝在沸騰單元上方以產(chǎn)生虹吸效果來執(zhí)行制冷劑的循環(huán)的方法。然而，在電子設(shè)備中，由于內(nèi)部布局，不總是可以使管向上延伸并安裝冷凝器。此外，在待連接到冷凝器的管從蒸發(fā)器垂直向上安裝的情況下，不可避免地在管內(nèi)發(fā)生冷凝。在這種情況下，液膜形成在管中并且產(chǎn)生流，且該流由于重力而試圖返回到沸騰單元。這不僅成為正在朝向冷凝器移動的蒸氣的阻力，而且會減小蒸發(fā)路徑的橫截面面積，從而產(chǎn)生壓力損失。因此，不僅沒有利用冷凝器的性能，而且冷凝器作為冷卻器的操作變得不穩(wěn)定。此外，在最壞的情況下，會誘發(fā)蒸發(fā)器變干的風(fēng)險(xiǎn)。專利文獻(xiàn)3中公開的結(jié)構(gòu)與專利文獻(xiàn)2中公開的結(jié)構(gòu)相同。也就是說，在專利文獻(xiàn)3的結(jié)構(gòu)中，由于冷凝器垂直設(shè)置在蒸發(fā)吸熱單元的上方，因此具有如以上專利文獻(xiàn)2中所述的不穩(wěn)定因素。由于從冷凝器到蒸發(fā)單元然后到冷凝器的制冷劑流動通道通過向回彎曲單個(gè)管而形成，因此專利文獻(xiàn)3的結(jié)構(gòu)可以被廉價(jià)地制造而成。然而，這種結(jié)構(gòu)不適于同時(shí)為液相和氣相的制冷劑的流動。此外，在蒸發(fā)器中，沒有在整個(gè)發(fā)熱表面上執(zhí)行熱量接收。為了解決該問題，專利文獻(xiàn)4提供了一種通過將管道形成為兩層結(jié)構(gòu)來分離液相流動路徑和氣相流動路徑的結(jié)構(gòu)。利用這種結(jié)構(gòu)，可以提高制冷劑的循環(huán)特性，同時(shí)保持能夠?qū)⑸釂卧惭b成與受熱單元分離的特性。也就是說，可以減少散熱單元與受熱單元之間的壓力損失，從而導(dǎo)致冷卻特性的提高。所有上述建議在電子裝置內(nèi)具有一個(gè)主要電力消耗的元件的情況下都是有吸引力的冷卻方法。然而，在具有多個(gè)發(fā)熱元件的情況下，變得需要多個(gè)這種冷卻器。專利文獻(xiàn)5提供了一種冷卻多個(gè)發(fā)熱部件的結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)為利用相變的冷卻器。使用數(shù)量等于要被冷卻的元件的受熱單元，且受熱單元和散熱單元由一連串的流體回路構(gòu)成。在這種結(jié)構(gòu)中，已經(jīng)通過從上游側(cè)的發(fā)熱元件接收到的熱量被蒸發(fā)的制冷劑通過下游側(cè)的元件的受熱單元。由于液相制冷劑需要被供應(yīng)給下游側(cè)以冷卻下游側(cè)元件，因此已經(jīng)提出了一種通過泵強(qiáng)制循環(huán)制冷劑的結(jié)構(gòu)。通過使用泵，例如，可以根據(jù)發(fā)熱量改變流量。然而，作為冷卻結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜并且昂貴。此外，由于液相制冷劑被強(qiáng)制供應(yīng)，因此在受熱單元中從元件到制冷劑的熱移動期間，不伴隨相變的液體冷卻和伴隨相變的沸騰冷卻被混合。沸騰冷卻的傳熱特性較高。為此，期望的是增加沸騰冷卻的比率以改進(jìn)性能。為此，專利文獻(xiàn)5的特征在于在制冷劑即將進(jìn)入受熱單元之前加熱該制冷劑以使該制冷劑處于容易進(jìn)行相變的狀態(tài)下。用于加熱的結(jié)構(gòu)使冷卻器的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜和昂貴。此外，具有散熱單元上的負(fù)載變得不必要的大的問題。專利文獻(xiàn)6提供了一種以多個(gè)發(fā)熱元件為目標(biāo)的冷卻器。這種冷卻器是通過平行布置的管將已經(jīng)被散熱單元冷卻的制冷劑供應(yīng)給每一個(gè)受熱單元以優(yōu)化每一個(gè)發(fā)熱元件 的冷卻的結(jié)構(gòu)。在這種冷卻器中，假定液體冷卻系統(tǒng)，因此對于平行安裝的每一個(gè)回路都需要制冷劑的循環(huán)。制冷劑回流到集結(jié)成為一個(gè)元件的散熱單元。散熱單元被設(shè)計(jì)成消散收集的整個(gè)熱量，但是與散熱單元沒有被集結(jié)的情況下進(jìn)行散熱的情況相比較，熱耗散效率更差。[現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)][專利文獻(xiàn)][專利文獻(xiàn)I]日本專利公開出版物第4026039號(圖I)[專利文獻(xiàn)2]日本未審查專利申請第一次公開出版物第2002-168547號(第6-7頁，圖I、圖2、圖3)[專利文獻(xiàn)3]日本未審查專利申請第一次公開出版物第2005-195226號(第13-17 頁)[專利文獻(xiàn)4]日本專利公開出版物第3924674號(圖I)[專利文獻(xiàn)5]日本未審查專利申請第一次公開出版物第2009-267181號(圖I)[專利文獻(xiàn)6]日本未審查專利申請第一次公開出版物第2007-335624號(圖6)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題如上所述，在專利文獻(xiàn)1-6中公開了冷卻裝置中各種問題。第一問題是冷卻器的小型化。電子部件以高密度安裝在電子設(shè)備中，并且這種趨勢近年來已經(jīng)變得較為顯著。相對于裝置中的有限區(qū)域，被散熱器占據(jù)的比例較大。在具有高熱傳遞效率的沸騰制冷式冷卻器的情況下，可以小型化受熱單元和散熱單元。然而，在受熱部和散熱部一體形成的冷卻器中，散熱鰭片在部件附近需要大體積。在專利文獻(xiàn)2和專利文獻(xiàn)3中，通過分離受熱單元和散熱單元，散熱單元可以被安裝成遠(yuǎn)離發(fā)熱部件的附近。為此，可以解決上述問題。也就是說，可以例如靠近設(shè)備的排氣口安裝散熱單元，因此至少最小化部件安裝區(qū)域的可能性增加。然而，對于第二個(gè)問題，僅通過分離受熱單元和散熱單元不會改變絕對體積。也就是說，在其中受熱單元和散熱單元為成對關(guān)系的沸騰制冷式冷卻器中，在多個(gè)部件的冷卻期間，需要所述數(shù)量的散熱面積。例如，在其中安裝四個(gè)CPU的服務(wù)器中，對于外部空氣的散熱單元必須對應(yīng)于四個(gè)CPU。因此，與安裝有一個(gè)CPU的裝置相比較，四倍的散熱面積以及用于該四倍散熱面積的體積變得必要。第三問題涉及散熱單元的數(shù)量需要與發(fā)熱單元的數(shù)量一樣。此外，散熱面積和散熱單元的體積被設(shè)計(jì)成能夠?qū)?yīng)于每一個(gè)發(fā)熱單元在最大發(fā)熱量下被驅(qū)動的情況。為此，需要確保散熱單元的體積被安裝成與發(fā)熱單元的數(shù)量成比例。傳統(tǒng)的技術(shù)包括試圖使散熱單元成一體。例如，在專利文獻(xiàn)6中，通過平行地安裝受熱單元，需要兩個(gè)泵。此外，對于另一個(gè)傳統(tǒng)的技術(shù)，通過以串聯(lián)方式連接受熱單元，一個(gè)泵就足夠了。然而，在這種結(jié)構(gòu)中，在受熱單元的內(nèi)部設(shè)置分隔部只不過是消散來自每一個(gè)受熱單元的熱量。這種方案顯示出在冷卻多個(gè)發(fā)熱體的情況下，僅通過對泵的下游的流動路徑進(jìn)行分支來進(jìn)行流量的管理是困難的。 第四問題涉及冷卻風(fēng)扇的數(shù)量也需要與發(fā)熱單元的數(shù)量一樣。通過設(shè)置對應(yīng)于發(fā)熱單元(即，散熱單元)的風(fēng)扇，可以根據(jù)分別與風(fēng)扇相對應(yīng)的CPU的運(yùn)行狀態(tài)操作所述風(fēng)扇。這從噪聲減少和電力節(jié)省的觀點(diǎn)來看是有效的。另一方面，由于需要等于散熱單元的數(shù)量的風(fēng)扇，因此對成本降低沒有貢獻(xiàn)。如果散熱單元被集結(jié)，則可以解決上述問題。然而，對于第五問題，可能會出現(xiàn)散熱特性變差。例如，當(dāng)比較冷卻一個(gè)元件的情況和冷卻兩個(gè)元件的情況時(shí)，通過根據(jù)發(fā)熱量增加散熱面面積，可以保持冷卻特性。如果發(fā)熱量相同，則兩倍的散熱面面積變得必要。由于流量也被加倍，并且控制流量的泵變成兩個(gè)，因此集結(jié)散熱單元的效果相當(dāng)于去除一個(gè)散熱器和一個(gè)風(fēng)扇。已經(jīng)考慮了這些情況構(gòu)思本發(fā)明。本發(fā)明的一個(gè)示例性目的是提供一種裝置，在 內(nèi)部安裝電子部件或半導(dǎo)體作為多個(gè)發(fā)熱體的電子裝置中，即使在特定電子部件或類似部件的操作率高的情況下，所述裝置也能夠可靠地冷卻電子部件。解決所述問題的技術(shù)方案為了獲得上述目的，本發(fā)明的相變冷卻器包括多個(gè)受熱單元，所述多個(gè)受熱單元通過從發(fā)熱體接收的熱量使制冷劑從液相改變到氣相；一個(gè)散熱單元，所述一個(gè)散熱單元通過將熱量散發(fā)到周圍區(qū)域使制冷劑從氣相改變到液相；多個(gè)蒸氣管，所述多個(gè)蒸氣管分別將來自每一個(gè)受熱單元的蒸氣狀態(tài)的制冷劑輸送到散熱單元；液體管，所述液體管使來自散熱單元的液態(tài)制冷劑分別循環(huán)到每一個(gè)受熱單元；和旁通管，所述旁通管將每一個(gè)受熱單元相互連接。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，對應(yīng)于在每一個(gè)受熱單元處接收的熱量的量，蒸氣通過連接到熱交換單元的多個(gè)蒸氣管流入到熱交換單元中。冷凝的液相制冷劑通過液體管循環(huán)到受熱單元，所述液體管安裝在熱交換單元的在重力方向上的下部處并對應(yīng)于一個(gè)至所述數(shù)量的受熱單元。供應(yīng)給每一個(gè)受熱單元的制冷劑的量對應(yīng)于通過蒸發(fā)損失的量。所需的液體量在不需要有源液體驅(qū)動設(shè)備的情況下以自持運(yùn)轉(zhuǎn)的方式被供應(yīng)。此外，在某一部件的工作比處于高狀態(tài)的情況下，不僅從液體管供應(yīng)給受熱單元(在所述受熱單元處，在從所述部分接收熱量時(shí)，更多制冷劑蒸發(fā))制冷劑，而且制冷劑還經(jīng)由旁通管從相鄰受熱單元供應(yīng)。
本發(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明的相變冷卻器，在某一部件的工作比處于高狀態(tài)的情況下，不僅從液體管將制冷劑供應(yīng)給受熱單元(在所述受熱單元處，在從所述部分接收熱量時(shí)，更多制冷劑蒸發(fā))，而且制冷劑還經(jīng)由旁通管從相鄰受熱單元供應(yīng)。因此，可以更可靠地冷卻具有高工作比的部件。此外，根據(jù)本發(fā)明的相變冷卻器，可以使散熱單元的數(shù)量少于受熱單元的數(shù)量，并且從整個(gè)裝置的觀點(diǎn)來看，能夠獲得冷卻結(jié)構(gòu)的簡化和尺寸減小。例如，通過將來自多個(gè)受熱單元的蒸氣收集到散熱單元中，不僅由于部件的數(shù)量減少獲得成本減少，而且還可以由于構(gòu)成散熱單元的風(fēng)扇的數(shù)量的減少而獲得電力節(jié)省。


圖I是顯示根據(jù)本發(fā)明的第一示例性實(shí)施例的相變冷卻器的概略立體圖； 圖2是根據(jù)本發(fā)明的第一示例性實(shí)施例的相變冷卻器的概略平面圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的第一示例性實(shí)施例的相變冷卻器的概略前視圖；圖4是顯示安裝有根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的相變冷卻器的電子裝置的概略平面圖；圖5是顯示安裝有圖I所示的相變冷卻器的電子裝置的概略縱向剖視圖；圖6是顯示圖I所示的相變冷卻器的受熱單元的構(gòu)造的概略縱向剖視圖；圖7A是顯示構(gòu)成圖6所示的受熱單元的側(cè)壁單元的概略平面圖；圖7B是顯示沿圖7A的線A-A截得的側(cè)壁單元的橫截面圖；圖8A是顯示構(gòu)成圖6所示的受熱單元的頂板的概略平面圖；圖8B是顯示沿圖8A的線B-B截得的頂板的橫截面圖；圖9A是顯示構(gòu)成圖6所示的受熱單元的底板的概略平面圖；圖9B是顯示沿圖9A的線C-C截得的底板的橫截面圖；圖IOA是顯示在圖6所示的受熱單元的橫截面形狀為近似矩形的情況下的側(cè)壁單元的概略平面圖；圖IOB是顯示沿圖IOA的線D-D截得的側(cè)壁單元的橫截面圖；圖IlA是顯示在圖6所示的受熱單元的橫截面形狀為近似矩形的情況下的底板的概略平面圖；圖IlB是顯示沿圖IlA的線E-E截得的底板的橫截面圖；圖12A是圖I所示的散熱單元的概略前視圖；圖12B是顯示沿圖12A的線F-F截得的散熱單元的橫截面圖；圖13是顯示圖I的相變冷卻器在安裝有兩個(gè)CPU的工作站中的評估結(jié)果的曲線圖；圖14A是顯示根據(jù)本發(fā)明的第二示例性實(shí)施例的相變冷卻器的概略前視圖；圖14B是顯示根據(jù)本發(fā)明的第二示例性實(shí)施例的相變冷卻器的概略平面圖；圖15是顯示根據(jù)本發(fā)明的第三示例性實(shí)施例的相變冷卻器的概略前視圖；圖16A是顯示根據(jù)本發(fā)明的第四示例性實(shí)施例的相變冷卻器的概略前視圖；圖16B是顯示根據(jù)本發(fā)明的第四示例性實(shí)施例的相變冷卻器的概略前視圖17A是顯示根據(jù)本發(fā)明的第五示例性實(shí)施例的相變冷卻器的概略平面圖；以及圖17B是顯示根據(jù)本發(fā)明的第五示例性實(shí)施例的相變冷卻器的概略前視圖。
具體實(shí)施例方式[第一示例性實(shí)施例]以下將參照

本發(fā)明的示例性實(shí)施例。首先，將說明根據(jù)本發(fā)明的第一示例性實(shí)施例的相變冷卻器的構(gòu)造。圖1-3顯示了本示例性實(shí)施例的相變冷卻器10的構(gòu)造。圖I是相變冷卻器10的概略立體圖。圖2是圖I所示的相變冷卻器10的概略平面圖。圖3是圖I所示的相變冷卻器10的概略前視圖。圖I顯示了根據(jù)本發(fā)明的第一示例性實(shí)施例的相變冷卻器10，所述相變冷卻器10具有兩個(gè)受熱單元11和一個(gè)散熱單元12。
如圖4和5所示，設(shè)置在基板K上的電子部件D經(jīng)由導(dǎo)熱潤滑脂、散熱板和類似物安裝在受熱單元11下方。為了保持熱連接，受熱單元11通過螺釘N固定在基板K上。此時(shí)，優(yōu)選的是通過將彈簧特性施加到固定結(jié)構(gòu)而在受熱單元11與電子部件D之間出現(xiàn)接觸壓力。在圖4中顯示了在如下所述的第二示例性實(shí)施例中使受熱單元11相互連接的旁通管。對于這種接觸壓力，優(yōu)選的是該接觸壓力是IOOkPa到IMPa而不會超過部件規(guī)格的壓力。受熱單元11是具有良好熱導(dǎo)率的中空室，所述中空室由諸如銅或鋁的金屬制成。圖6是顯示受熱單元11的概略剖視圖。受熱單元11包括側(cè)壁單元111 (參照圖7A和圖7B)、頂板112(參照圖8A和圖8B)以及底板113 (參照圖9A和圖9B)。側(cè)壁單元111具有基本上為圓柱形的形狀。頂板112具有圓形形狀，并且頂板112被設(shè)置成覆蓋側(cè)壁單元111的一側(cè)開口。底板113具有基本上為圓形的形狀，并且底板113被設(shè)置成覆蓋側(cè)壁單元111的另一側(cè)開口。如圖7A和7B所示，液體流入端口 Illa貫穿側(cè)壁單元111形成。如圖8A和8B所示，蒸氣流出端口 112a貫穿頂板112形成。如圖9A和9B所示，用于提高與制冷劑R的導(dǎo)熱性的多個(gè)散熱片113a形成在底板113的在室內(nèi)部的表面上。雖然在圖9A和9B*沒有詳細(xì)地顯示，但是用于控制液體或蒸氣的流動的流動路徑也可以形成在底板113的在室內(nèi)部的表面上。優(yōu)選的是確保散熱片113a的間隔和流動路徑壁之間的距離為大約Imm至幾mm或更大，使得散熱片113a或流動路徑不會妨礙產(chǎn)生的氣泡分離。底板113的在室內(nèi)部的表面優(yōu)選地通過噴砂或類似處理變粗糙到幾十毫米至幾百毫米的水平，以變成氣泡產(chǎn)生的核。利用這種結(jié)構(gòu)，當(dāng)氣泡產(chǎn)生時(shí)的核的數(shù)量增加。受熱單元11的橫截面形狀不局限于圓柱形形狀，并且適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)改變是可以的。圖10A-11B顯示了在受熱單元11的橫截面形狀為近似矩形的情況下側(cè)壁單元111和底板113的構(gòu)造。由于受熱單元11的底板113與發(fā)熱元件接觸，因此優(yōu)選地使用具有高導(dǎo)熱率的材料形成底板113。銅和鋁是具有高導(dǎo)熱率的被廣泛使用的金屬。為此，使用這些材料，理想的是從與發(fā)熱元件接觸的表面到流動控制突起113b以一體的方式形成底板113。設(shè)置流動控制突起113b的第一目的是在沸騰面表面上均勻地分配液相制冷劑R。這具有在始終執(zhí)行所需液體的供應(yīng)以持續(xù)沸騰的同時(shí)在整個(gè)底部單元上防止使在高熱量生成期間液相被用盡的干燥的效果。在使用有機(jī)制冷劑R的情況下，表面張力通常小于水，因此在沸騰時(shí)形成的氣泡的直徑大約為1.0mm。在這種情況下，不理想的是使流動控制突起113b之間的距離極窄而小于氣泡直徑。優(yōu)選的是流動控制突起113b之間的距離等于或大于氣泡直徑。流動控制突起113b的第二目的是擴(kuò)大散熱面積?？紤]到表面面積越寬，則熱量排放量越大，如果流動控制突起113b之間的距離形成得太大，則可以形成的流動控制突起113b的數(shù)量受到限制。通過流動控制突起113b內(nèi)部的熱量的量取決于突起的厚度。流動控制突起113b越厚，流動的熱量越多。然而，如果流動控制突起113b被形成得極厚，則散熱表面面積受到限制?？紤]到這些點(diǎn)，最好的是使流動控制突起113b形成為滿足以下條件。也就是說，流動控制突起113b之間的距離被設(shè)定為大約I. 0mm。流動控制突起113b的厚度被設(shè)定為大約I. 0-2. Omm0流動控制突起113b的高度被設(shè)定為大約I. 0-5. Omm0在流動控制突起113b在這些毫米等級下以I : 5的縱橫比構(gòu)造而成的情況下，通過機(jī)械加工進(jìn)行制造是有利方法之一。如果受熱單元11中的流動控制突起113b和底板113 —體形成，則與單獨(dú)形成受熱單元11中的流動控制突起113b和底板113然后連結(jié)該流動控制突起113b和底板113的情況相比較，可以減少在流動控制突起113b和底板113的連接部處出現(xiàn)的熱阻。圖6顯示了在流動控制突起113b和底板113 —體形成的情況下的示例。
在受熱單元11的內(nèi)部中，制冷劑R通過來自電子部件D的熱量進(jìn)行相變，并且產(chǎn)生蒸氣。該蒸氣沿著圖I所示的受熱單元11的上部處的蒸氣管13通過，并朝向作為散熱器的散熱單元12的上部前迸。與另ー個(gè)受熱單元11連接的蒸氣管13也連接到散熱單元12的上部。波紋式散熱鰭片121形成在散熱單元12的中心部分處。熱量被在散熱鰭片121之間通過的空氣耗散棹?？諝饬髯鳛槔鋮s空氣通過圖3所示的軸流式風(fēng)扇122被均勻地供應(yīng)到散熱鰭片121之間。軸流式風(fēng)扇122的直徑大約為120mm，并且?guī)缀跖c散熱單元12的橫截面尺寸相同。多個(gè)蒸氣管13連接到散熱單元12的上部。來自多個(gè)受熱單元11的蒸氣分別經(jīng)由多個(gè)蒸氣管13被攜帯到散熱單元12。優(yōu)選的是多個(gè)蒸氣管13在散熱單元12的上部處以均等的間隔連接到冷卻空氣被排放的ー側(cè)的表面。例如，如圖I所示，多個(gè)蒸氣管13可以在散熱單元12的長側(cè)側(cè)面上同樣地對準(zhǔn)。雖然在圖中沒有詳細(xì)地顯示，但是兩個(gè)蒸氣管13也可以分別連接到散熱單元12的短側(cè)處的左側(cè)面和右側(cè)面。對于其密度相對較低的蒸氣流動通過的蒸氣管13，理想的是擴(kuò)大直徑以將在蒸氣通過期間的壓カ損失減少到最小。如圖I所示，多個(gè)液體管14中的每ー個(gè)的一端都連接到散熱單元12的下部。此夕卜，每ー個(gè)液體管14的另一端分別連接到每ー個(gè)受熱單元11。液體管14的管直徑與蒸氣管13的管直徑相比較小。當(dāng)整個(gè)冷卻器處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，基于質(zhì)量的流量在各處都相同，但是基于體積的流量大大地不同。這是由于液體與氣體之間的密度大大改變。連接到受熱単元11的液體管14的較小直徑還有效地防止蒸氣的混合。因此，可以在不需要可以防止回流或當(dāng)回流出現(xiàn)時(shí)將回流的影響限制到最小的止回閥的情況下獲得系統(tǒng)。接下來，將給出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的相變冷卻器10的優(yōu)選結(jié)構(gòu)的補(bǔ)充說明。此外，將說明相變冷卻器10的制造方法的概略。如圖6所示，使用具有高導(dǎo)熱率的材料(銅或鋁)生成側(cè)壁單元111。上面形成有螺紋的冷凝液流入?yún)g元Illb被擰入到側(cè)壁単元111中。接下來，底板113和側(cè)壁單元111通過諸如釬焊的方法連結(jié)。受熱單元11的主體根據(jù)以上步驟形成。接下來，通過諸如釬焊的方法將使用具有高導(dǎo)熱率的材料類似形成的圖8A和8B所示的頂板112連結(jié)到受熱單元11的主體來制造受熱單元11。頂板112預(yù)先與蒸氣流出単元112b —體形成。可選地，上面形成有螺紋的蒸氣流出単元112b被預(yù)先擰入到頂板112中。通過釬焊連結(jié)每ー個(gè)單元，可以獲得具有能夠在沸騰期間承受壓カ波動的氣密結(jié)構(gòu)的受熱單元U。如圖12A所示，散熱單元12主要由散熱單元集水箱123、冷凝液收集單元124、制冷劑流動通道125和散熱鰭片121構(gòu)成。散熱單元12的基本結(jié)構(gòu)類似于在汽車中使用的散熱器。然而，在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，由于除了散熱之外還執(zhí)行制冷劑蒸氣的冷凝，因此重要的是在制冷劑R的冷凝中能夠執(zhí)行有效的散熱。如沿圖12B的線F-F截得的橫截面圖中所示，以垂直方式將蒸氣流入端ロ 126連接到散熱單元集水箱123是有利的。因此，流入到散熱單元集水箱123中的蒸氣與散 熱單元集水箱123的后表面?zhèn)忍幍谋谂鲎?，并且可以使得蒸氣散開而散布到散熱單元集水箱123。因此，散熱單元集水箱123內(nèi)部的壓カ可以被形成為恒定。因此，可以使制冷劑流動通道125的流量均勻。從散熱的觀點(diǎn)來看，制冷劑流動通道125越窄越好，但是從冷凝的制冷劑R的流動的觀點(diǎn)來看，需要一定程度的厚度。在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，冷凝依賴于取決于重力的液相排斥性能。理想地，冷凝的制冷劑R在流動通道的內(nèi)壁上形成薄膜液相，并且通過重力被排放到冷凝液收集單元124側(cè)。在很少的情況下，蒸氣在冷凝的液相下變成氣泡并被收集，并且在這種情況下，蒸氣用作對液相的排放的抵抗。為了避免這種情況，流動通道寬度應(yīng)該為最小值。在使用有機(jī)制冷劑的情況下，優(yōu)選的是將流動通道內(nèi)表面的寬度設(shè)定到
O.3_或更大，并且從散熱特性的觀點(diǎn)來看，類似地，流動通道的內(nèi)表面的寬度優(yōu)選地被設(shè)定到I. Omm或更小。理想的是使用柔性管材用于連接受熱單元11和散熱單元12的蒸氣管13和液體管14。聚合物材料具有高柔性，但是可滲透水。為此，制冷劑R可能通過管壁面滲漏。為了獲得柔性連接，采用諸如丁基橡膠的具有低透水性的聚合物材料、金屬薄膜被層疊在里面的聚合物管材、保持柔性的具有波紋形狀等的金屬管材作為蒸氣管13和液體管14的材料是有利的。優(yōu)選的是將流入/流出噴嘴設(shè)置在蒸氣管13或液體管14連接到受熱單元11和散熱單元12的位置處。蒸氣管13或液體管14連接到該流入/流出噴嘴。還具有制冷劑R通過連接部與蒸氣管13或液體管14之間的邊界泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。為此，優(yōu)選的是使用粘合材料密封連接部。還可以使用蒸氣管13或液體管14，蒸氣管13或液體管14使用用于受熱單元11和散熱單元12的連接的金屬材料。通過使用金屬材料，可以提高冷卻器內(nèi)部的氣密性，因此獲得防止制冷劑泄漏的效果。當(dāng)使用由薄金屬膜和上述聚合物材料形成的層疊結(jié)構(gòu)以保持柔性的管材時(shí)，獲得相同的效果。甚至在具有波紋形狀的金屬管中，具有柔性的連接也是可能的。如圖5所示，在從受熱単元11垂直向上拉出蒸氣管13并將蒸氣管彎曲成近似水平之后，蒸氣管13連接到散熱單元12。這種構(gòu)造可以防止在蒸氣管13中被冷凝的制冷劑沿著蒸氣管13向后流動。也就是說，由于該蒸氣管13中的制冷劑的壓カ從上游側(cè)到下游側(cè)減小，因此最下游部分處的制冷劑容易冷凝。為此，如果通過將蒸氣管13的最下游部分形成為近似平行來防止已經(jīng)被冷凝的液體層回流，則液相冷卻器10的更加穩(wěn)定運(yùn)行變得成為可能。當(dāng)完成連接部的密封時(shí)，制冷劑通過制冷劑注入ロ(未示出)被注入，并執(zhí)行對包含的空氣的除去。除去空氣產(chǎn)生相變冷卻器10內(nèi)部的制冷劑R的飽和蒸氣壓力。作為對制冷劑R的選擇的ー個(gè)條件，優(yōu)選的是飽和蒸氣壓力盡可能接近latm。這是因?yàn)楫?dāng)飽和蒸氣壓カ大大地不同于Iatm時(shí)，需要增加相變冷卻器10的強(qiáng)度。例如，由DuPont制造的為ー種氟化制冷劑的Vertrel (商標(biāo))在大氣壓力下具有55°C的沸點(diǎn)并在室溫下具有近似30kPa的飽和蒸氣壓力。當(dāng)考慮電子設(shè)備的冷卻吋，由于Vertrel與大氣壓カ之間在室溫下的差異不大，并且由于可以在操作期間保持Vertrel處于2atm或更小壓力下，因此Vertrel作為本發(fā)明的示例性實(shí)施例的相變冷卻器10的制冷劑是有利的。接下來，說明根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的相變冷卻器10的操作效果。當(dāng)制冷劑R在受熱單元11內(nèi)部沸騰時(shí)，由于產(chǎn)生的蒸氣的比重與液相相比較小，因此蒸氣朝向在重力方向上位于上部中的蒸氣流出端ロ 112a前迸。通過逐漸改變角度，蒸氣管13以低阻力朝向散熱單元12輸送蒸氣。在排放冷卻空氣的ー側(cè)連接到散熱單元12的上部的蒸氣管13處于確保散熱單元12的性能的良好狀態(tài)。被引導(dǎo)到散熱單元12的蒸氣在散熱單元12中從頂部流動到底部并返回到液體。已經(jīng)返回到液體的制冷劑R收集在散熱單元12的底部處，在圖5所示的箭頭方向上移動通過液體管14并返回到受熱單元U。已經(jīng)作為蒸氣從蒸氣流入端ロ 126到達(dá)散熱単元12的制冷劑R在通過制冷劑流動通道125的同時(shí)冷凝。通過在散熱鰭片121之間流動的冷卻空氣，冷凝熱量從制冷劑R 傳遞到制冷劑流動通道125的壁和散熱鰭片121并被耗散棹。冷凝后的制冷劑R流入到冷凝液收集單元124,所述冷凝液收集單元124在重力方向上相對地位于下部中。確定聚集在冷凝液收集單元124中的液體的量，以便不會干擾來自散熱單元12的上部的蒸氣。冷凝液收集單元124的冷凝后的制冷劑R通過重力被供應(yīng)給相應(yīng)的受熱單元U。由于本發(fā)明的示例性實(shí)施例的集中散熱的結(jié)構(gòu)，可以通過軸流式風(fēng)扇122對制冷劑R進(jìn)行冷卻。因此，冷卻結(jié)構(gòu)是簡單的，并且可以減少電カ消耗。例如，如圖13所示，當(dāng)在具有兩個(gè)CPU(CPU0和CPU1)的工作站中采用相變冷卻器10的情況(圖13中的“相變”)與通過導(dǎo)致兩倍熱阻率的水冷卻進(jìn)行冷卻的情況(圖13中的“水冷卻”)比較時(shí)，可以抑制熱阻的増加。甚至在里面安裝有諸如CPU的運(yùn)算元件的服務(wù)器、個(gè)人計(jì)算機(jī)、巨型計(jì)算機(jī)和類似設(shè)備中也能夠獲得相同的效果。冷卻目標(biāo)不局限于諸如CPU的運(yùn)算元件，而是可以是任何發(fā)熱體。即使在里面安裝有多個(gè)發(fā)熱體的諸如路由器的網(wǎng)絡(luò)裝置、具有多個(gè)發(fā)光元件的LED投影儀和利用LCD和DMD的光學(xué)裝置和投影儀中采用相變冷卻器10也能夠獲得相同的效果。此外，在本示例性實(shí)施例中，由于散熱單元12的內(nèi)部是沒有分隔部的一體式結(jié)構(gòu)，因此在ー個(gè)受熱単元11從其接收熱量的電子裝置D產(chǎn)生低量的熱量的情況下，可以使用整個(gè)散熱単元12冷卻另ー個(gè)受熱單元11從其接收熱量的電子裝置D。因此，能夠獲得熱阻減少的效果。此外，在本示例性實(shí)施例中，每ー個(gè)蒸氣管13連接到散熱單元12的在排放冷卻空氣的ー側(cè)的表面。根據(jù)這種類型的構(gòu)造，可以在近似垂直于冷卻空氣的排放方向的方向上限制散熱單元12的厚度，并且可以使散熱單元12的厚度減小。[第二示例性實(shí)施例]接下來，說明根據(jù)本發(fā)明的第二示例性實(shí)施例的相變冷卻器20。如圖14A和圖14B所示，在相變冷卻器20中，使散熱單元11相互連接的旁通管21被設(shè)置成保持制冷劑R到受熱單元11的供應(yīng)能力。極大可能的是發(fā)熱量以電子裝置中的發(fā)熱電子部件D的工作比變化。通過設(shè)置旁通管21，在一個(gè)電子部件D的工作比處于高狀態(tài)下的情況下，不僅從液體管14供應(yīng)液體，而且還從相鄰的受熱單元11供應(yīng)液體。當(dāng)旁通管21被連接成以此方式直接連接多個(gè)受熱單元11時(shí)，液相制冷劑R的供應(yīng)能力提高，并且即使例如在發(fā)熱量急劇變化期間也可以保持良好的冷卻性能。通過由柔性材料制造旁通管21，可以將多個(gè)受熱単元11適當(dāng)?shù)匕惭b在要被冷卻的相應(yīng)電子部件D上，并且可以單獨(dú)執(zhí)行對于冷卻來說重要的接觸條件的管理。[第三示例性實(shí)施例]接下來，說明根據(jù)本發(fā)明的第三示例性實(shí)施例的相變冷卻器30。如圖15所示，在相變冷卻器30中，蒸氣管13和液體管14的各個(gè)長度對于每一個(gè)受熱単元11來說都不同。在應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的相變冷卻器30的電子裝置和類似裝置中，對于發(fā)熱電子部件D的安裝位置來說，除了冷卻之外的諸如電力的方面的要求同樣重要。在確定電子部件D的位置和散熱位置并且每一個(gè)受熱単元11與散熱單元12之間的距離不同的情況下，通過根據(jù)需要延長蒸氣管13和液體管14，可以保持冷卻性能。此外，與第二示例性實(shí)施 例的旁通管21的結(jié)合使用是優(yōu)選的。[第四示例性實(shí)施例]接下來，說明根據(jù)本發(fā)明的第四示例性實(shí)施例的相變冷卻器40。如圖16A和圖16B所示，在相變冷卻器40中，連接到兩個(gè)受熱單元11的蒸氣管13分別連接到構(gòu)成受熱單元12的兩個(gè)彼此相対的表面上，更詳細(xì)地，連接到與排放冷卻空氣的表面近似垂直的兩個(gè)表面。在每ー個(gè)蒸氣管13連接到散熱單元12的短側(cè)的側(cè)面的情況下，由于蒸氣管13和液體管14沒有在冷卻空氣的流動路徑上，因此可以増加通風(fēng)效率，并且可以提高冷卻性倉^:。此外，如圖16A和圖16B所示，在相變冷卻器40中，液體管41的一個(gè)端側(cè)在ー個(gè)位置處連接到散熱單元12。液體管41的另ー個(gè)端側(cè)分支井分別連接到每ー個(gè)受熱單元11。換句話說，液體管41具有在ー個(gè)位置處連接到散熱單元12的一個(gè)端部和具有分別連接到每ー個(gè)受熱單元11的多個(gè)分支的分支部的另ー個(gè)端部。沿重力方向向下安裝的液體管41高度可能地需要靠近電子裝置內(nèi)部的電子部件D的安裝區(qū)域安裝。在電子部件以高密度安裝的狀態(tài)下減少布置在該區(qū)域內(nèi)的液體管41的數(shù)量是優(yōu)選的。[第五示例性實(shí)施例]接下來，說明根據(jù)本發(fā)明的第五示例性實(shí)施例的相變冷卻器60。如圖17A和圖17B所示，在相變冷卻器60中，一個(gè)受熱単元61和一個(gè)散熱単元12經(jīng)由蒸氣管13和液體管14相互連接。在其中發(fā)熱電子部件D以高密度安裝的電子裝置中，具有優(yōu)選受熱結(jié)構(gòu)的一體化的情況。優(yōu)選的是根據(jù)由每ー個(gè)相應(yīng)電子部件D生成的熱量的量來確定每一個(gè)蒸氣管13的直徑。此外，通過在受熱單元61中靠近電子部件D設(shè)置蒸氣流出端ロ，形成具有低壓カ損失的制冷劑循環(huán)系統(tǒng)，并且獲得有效的蒸氣排放，即，電子部件D的冷卻。此外，由于具有一個(gè)受熱単元61，因?yàn)榭梢詼p少液體管41的數(shù)量，因此不僅簡化結(jié)構(gòu)，而且有助于降低在使用期間制冷劑泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。本申請基于并主張2010年3月29日提出申請的日本專利申請第2010-076126號的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，該申請的公開內(nèi)容在此整體并入本文供參考。エ業(yè)應(yīng)用性本發(fā)明的相變冷卻器可以被應(yīng)用于諸如計(jì)算機(jī)和服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)裝置和個(gè)人計(jì)算機(jī)的電子設(shè)備的冷卻。此外，本發(fā)明的相變冷卻器可以被應(yīng)用于諸如投影儀和顯示器的光學(xué)設(shè)備的冷卻應(yīng)用。雖然已經(jīng)參照示例性實(shí)施例說明了本發(fā)明，但是本發(fā)明不局限于以上實(shí)施例?？梢栽诓槐畴x本發(fā)明的保護(hù)范圍的情況下對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)進(jìn)行本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的各種改變。附圖標(biāo)記列表11 受熱單元
12 散熱單元13 蒸氣管14 液體管21 旁通管113b流動控制突起121 散熱鰭片122 軸流式風(fēng)扇123 散熱單元集水箱125 制冷劑流動路徑D 電子部件K 基板N 螺釘R 制冷劑
權(quán)利要求
1.一種相變冷卻器,包括 多個(gè)受熱單元，所述多個(gè)受熱單元通過從發(fā)熱體接收的熱量使制冷劑從液相改變到氣相； 一個(gè)散熱單元，所述一個(gè)散熱單元通過將熱量散發(fā)到周圍區(qū)域使所述制冷劑從氣相改變到液相； 多個(gè)蒸氣管，所述多個(gè)蒸氣管分別將來自每一個(gè)所述受熱單元的蒸氣狀態(tài)的制冷劑輸送到所述散熱單元； 液體管，所述液體管將來自所述散熱單元的液態(tài)制冷劑分別循環(huán)到每一個(gè)所述受熱單元；和 旁通管，所述旁通管將每一個(gè)所述受熱單元相互連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的相變冷卻器，其中，每一個(gè)蒸氣管的長度對于每一個(gè)受熱單元來說都是不同的。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的相變冷卻器，其中，所述液體管具有在一個(gè)位置處連接到所述散熱單元的一個(gè)端部單元和具有分別連接到每一個(gè)受熱單元的多個(gè)分支單元的另一個(gè)端部單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的相變冷卻器，其中，具有兩個(gè)受熱單元，從每一個(gè)受熱單元延伸的所述蒸氣管分別連接到形成所述散熱單元的兩個(gè)彼此相對的表面。
5.一種電子裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的相變冷卻器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種相變冷卻器，該相變冷卻器包括多個(gè)受熱單元，所述多個(gè)受熱單元通過從發(fā)熱體接收的熱量使制冷劑從液相改變到氣相；一個(gè)散熱單元，所述一個(gè)散熱單元通過將熱量散發(fā)到周圍區(qū)域使制冷劑從氣相改變到液相；多個(gè)蒸氣管，所述多個(gè)蒸氣管分別將來自每一個(gè)受熱單元的蒸氣狀態(tài)的制冷劑輸送到散熱單元；液體管，所述液體管將來自散熱單元的液態(tài)制冷劑分別循環(huán)到每一個(gè)受熱單元；和旁通管，所述旁通管將每一個(gè)受熱單元相互連接。
文檔編號F28D15/02GK102834688SQ20118001767
公開日2012年12月19日 申請日期2011年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月29日
發(fā)明者坂本仁, 吉川實(shí), 稻葉賢一, 橋口毅哉 申請人:日本電氣株式會社