相变冷却器和设有该相变冷却器的电子设备制造技术

本发明专利技术公开了一种相变冷却器，该相变冷却器包括：多个受热单元，所述多个受热单元通过从发热体接收的热量使制冷剂从液相改变到气相；一个散热单元，所述一个散热单元通过将热量散发到周围区域使制冷剂从气相改变到液相；多个蒸气管，所述多个蒸气管分别将来自每一个受热单元的蒸气状态的制冷剂输送到散热单元；液体管，所述液体管将来自散热单元的液态制冷剂分别循环到每一个受热单元；和旁通管，所述旁通管将每一个受热单元相互连接。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及半导体装置和电子设备的冷却。本专利技术具体地涉及通过利用相变现象使制冷剂循环的半导体冷却装置和包括这种半导体冷却装置的电子设备。
技术介绍
为了输送半导体或电子设备中产生的大量热量，已经开发出一种通过将具有高热导率的材料结合到半导体的外部单元并使制冷剂作为吸热器流动通过该半导体的内部以获得高冷却性能的方法。已经还开发了一种通过以吸热器使制冷剂沸腾来获得高冷却效果的方法。为了将制冷剂已经获得的热量散发到外部，需要使制冷剂在吸热单元与散热单元之间循环。通常，泵被采用以循环制冷剂。在沸腾冷却系统的情况下，已经提出了一种热虹吸式冷却结构，通过将吸热单元 安装在冷却器的下部中并将散热单元安装在上部中，所述热虹吸式冷却结构通过利用由于产生的蒸气与液体之间的密度差而产生的蒸气相对于重力的方向向上聚集的原理而不需要泵。例如，在专利文献I和专利文献2中公开了这种冷却结构。专利文献I提供了一种用于冷却功率半导体装置的虹吸式沸腾冷却器。这种沸腾冷却器的特征在于下述结构除了不需要泵之外，吸热单元和散热单元相比较地一体形成。在这种沸腾冷却器中，需要与发热体接触的吸热单元和散热单元以及制冷剂的循环路径的结构的一体成型。为此，当为了使电子部件小型化时，这种沸腾冷却器是昂贵的，因此使用该沸腾冷却器用于各种目的都是困难的。专利文献2提供了一种通过将冷凝器安装在沸腾单元上方以产生虹吸效果来执行制冷剂的循环的方法。然而，在电子设备中，由于内部布局，不总是可以使管向上延伸并安装冷凝器。此外，在待连接到冷凝器的管从蒸发器垂直向上安装的情况下，不可避免地在管内发生冷凝。在这种情况下，液膜形成在管中并且产生流，且该流由于重力而试图返回到沸腾单元。这不仅成为正在朝向冷凝器移动的蒸气的阻力，而且会减小蒸发路径的横截面面积，从而产生压力损失。因此，不仅没有利用冷凝器的性能，而且冷凝器作为冷却器的操作变得不稳定。此外，在最坏的情况下，会诱发蒸发器变干的风险。专利文献3中公开的结构与专利文献2中公开的结构相同。也就是说，在专利文献3的结构中，由于冷凝器垂直设置在蒸发吸热单元的上方，因此具有如以上专利文献2中所述的不稳定因素。由于从冷凝器到蒸发单元然后到冷凝器的制冷剂流动通道通过向回弯曲单个管而形成，因此专利文献3的结构可以被廉价地制造而成。然而，这种结构不适于同时为液相和气相的制冷剂的流动。此外，在蒸发器中，没有在整个发热表面上执行热量接收。为了解决该问题，专利文献4提供了一种通过将管道形成为两层结构来分离液相流动路径和气相流动路径的结构。利用这种结构，可以提高制冷剂的循环特性，同时保持能够将散热单元安装成与受热单元分离的特性。也就是说，可以减少散热单元与受热单元之间的压力损失，从而导致冷却特性的提高。所有上述建议在电子装置内具有一个主要电力消耗的元件的情况下都是有吸引力的冷却方法。然而，在具有多个发热元件的情况下，变得需要多个这种冷却器。专利文献5提供了一种冷却多个发热部件的结构，所述结构为利用相变的冷却器。使用数量等于要被冷却的元件的受热单元，且受热单元和散热单元由一连串的流体回路构成。在这种结构中，已经通过从上游侧的发热元件接收到的热量被蒸发的制冷剂通过下游侧的元件的受热单元。由于液相制冷剂需要被供应给下游侧以冷却下游侧元件，因此已经提出了一种通过泵强制循环制冷剂的结构。通过使用泵，例如，可以根据发热量改变流量。然而，作为冷却结构，所述结构变得复杂并且昂贵。此外，由于液相制冷剂被强制供应，因此在受热单元中从元件到制冷剂的热移动期间，不伴随相变的液体冷却和伴随相变的沸腾冷却被混合。沸腾冷却的传热特性较高。为此，期望的是增加沸腾冷却的比率以改进性能。为此，专利文献5的特征在于在制冷剂即将进入受热单元之前加热该制冷剂以使该制冷剂处于容易进行相变的状态下。用于加热的结构使冷却器的结构更加复杂和昂贵。此外，具有散热单元上的负载变得不必要的大的问题。专利文献6提供了一种以多个发热元件为目标的冷却器。这种冷却器是通过平行布置的管将已经被散热单元冷却的制冷剂供应给每一个受热单元以优化每一个发热元件 的冷却的结构。在这种冷却器中，假定液体冷却系统，因此对于平行安装的每一个回路都需要制冷剂的循环。制冷剂回流到集结成为一个元件的散热单元。散热单元被设计成消散收集的整个热量，但是与散热单元没有被集结的情况下进行散热的情况相比较，热耗散效率更差。[现有技术文献][专利文献][专利文献I]日本专利公开出版物第4026039号(图I)[专利文献2]日本未审查专利申请第一次公开出版物第2002-168547号(第6-7页，图I、图2、图3)[专利文献3]日本未审查专利申请第一次公开出版物第2005-195226号(第13-17 页)[专利文献4]日本专利公开出版物第3924674号(图I)[专利文献5]日本未审查专利申请第一次公开出版物第2009-267181号(图I)[专利文献6]日本未审查专利申请第一次公开出版物第2007-335624号(图6)
技术实现思路
本专利技术要解决的问题如上所述，在专利文献1-6中公开了冷却装置中各种问题。第一问题是冷却器的小型化。电子部件以高密度安装在电子设备中，并且这种趋势近年来已经变得较为显著。相对于装置中的有限区域，被散热器占据的比例较大。在具有高热传递效率的沸腾制冷式冷却器的情况下，可以小型化受热单元和散热单元。然而，在受热部和散热部一体形成的冷却器中，散热鳍片在部件附近需要大体积。在专利文献2和专利文献3中，通过分离受热单元和散热单元，散热单元可以被安装成远离发热部件的附近。为此，可以解决上述问题。也就是说，可以例如靠近设备的排气口安装散热单元，因此至少最小化部件安装区域的可能性增加。然而，对于第二个问题，仅通过分离受热单元和散热单元不会改变绝对体积。也就是说，在其中受热单元和散热单元为成对关系的沸腾制冷式冷却器中，在多个部件的冷却期间，需要所述数量的散热面积。例如，在其中安装四个CPU的服务器中，对于外部空气的散热单元必须对应于四个CPU。因此，与安装有一个CPU的装置相比较，四倍的散热面积以及用于该四倍散热面积的体积变得必要。第三问题涉及散热单元的数量需要与发热单元的数量一样。此外，散热面积和散热单元的体积被设计成能够对应于每一个发热单元在最大发热量下被驱动的情况。为此，需要确保散热单元的体积被安装成与发热单元的数量成比例。传统的技术包括试图使散热单元成一体。例如，在专利文献6中，通过平行地安装受热单元，需要两个泵。此外，对于另一个传统的技术，通过以串联方式连接受热单元，一个泵就足够了。然而，在这种结构中，在受热单元的内部设置分隔部只不过是消散来自每一个受热单元的热量。这种方案显示出在冷却多个发热体的情况下，仅通过对泵的下游的流动路径进行分支来进行流量的管理是困难的。 第四问题涉及冷却风扇的数量也需要与发热单元的数量一样。通过设置对应于发热单元(即，散热单元)的风扇，可以根据分别与风扇相对应的CPU的运行状态操作所述风扇。这从噪声减少和电力节省的观点来看是有效的。另一方面，由于需要等于散热单元的数量的风扇，因此对成本降低没有贡献。如果散热单元被集结，则可以解决上述问题。然而，对于第五问题，可能会出现散热特性变差。例如，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.03.29 JP 2010-0761261.一种相变冷却器,包括 多个受热单元，所述多个受热单元通过从发热体接收的热量使制冷剂从液相改变到气相； 一个散热单元，所述一个散热单元通过将热量散发到周围区域使所述制冷剂从气相改变到液相； 多个蒸气管，所述多个蒸气管分别将来自每一个所述受热单元的蒸气状态的制冷剂输送到所述散热单元； 液体管，所述液体管将来自所述散热单元的液态制冷剂分别循环到每一个所述受热单元；和 旁通管，所述旁通管将每一...

【专利技术属性】
技术研发人员：坂本仁，吉川实，稻叶贤一，桥口毅哉，
申请(专利权)人：日本电气株式会社，
类型：
国别省市：