CN100414243C - 沸腾冷却装置 - Google Patents

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Abstract

一种沸腾冷却装置，冷媒槽(110)，其内部贮存冷媒并在相对置的2个壁部(111、112)中的第一壁部(111)的外表面安装发热体(10)；和散热部(120)，其设在2个壁部(111、112)中的第二壁部(112)的外表面并在内部流入由发热体(10)沸腾汽化的冷媒且形成冷凝液后，将该冷媒返回到冷媒槽(110)中。其中：在第一壁部(111)的内侧面设有从以2个壁部(111、112)朝向上下方向姿势使用时的下侧区域至配置发热体的区域的第1油绳(131)。因此，不管发热体相对于冷媒槽的位置如何，并且即使以除了水平方向姿势之外还以上下方向姿势使用冷媒槽时，也能高性能地冷却发热体。

Description

沸腾冷却装置
技术领域
本发明涉及利用由冷媒沸腾和冷凝产生的潜热移动使半导体元件等发热体冷却的沸腾冷却装置。
背景技术
作为现有的沸腾冷却装置，我们知道例如JP 2002-206880A所示的装置。即，该沸腾冷却装置，由形成扁平状沿水平方向配置且内部贮存冷媒的冷媒槽(专利文献1中为冷媒容器)、和安装在该冷媒槽上侧的散热部(专利文献1中为散热器)构成，在冷媒槽的下侧安装发热体(半导体元件等)。
散热部，由竖立设置在冷媒槽上侧的2个集管和介由该两个集管与冷媒槽内连通的管构成，管相对于冷媒槽倾斜配置。
该沸腾冷却装置中，冷媒槽内的冷媒受到发热体的热而沸腾汽化、上升流入管内，在流经管内时，由于与外部空气热交换而冷凝，成为冷凝液回流到冷媒槽。因此，从发热体发生的热传递给冷媒、在散热部向外部空气释放，从而发热体被冷却。
这里，在管内冷凝的冷凝冷媒由于管的倾斜而能顺畅地流动，防止管内滞留冷凝冷媒、提高冷媒的循环性。
不过，近年来，在如上所述的沸腾冷却装置中，为了发热体装配密度的提高和对各种电子设备的共通使用(通用)等，而要求除了水平方向姿势使用外、还可以以如图1所示的上下方向姿势使用冷媒槽。
特别是，在上下方向姿势中发热体10配置在冷媒槽110上侧时，与其配合必须升高冷媒液面，散热部120的有效区域(冷凝区域)减少从而性能显著降低。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而做出的，其目的在于提供一种不管发热体相对于冷媒槽的位置如何，并且即使除了以水平方向姿势之外还以上下方向(垂直方向)姿势使用冷媒槽时也能高性能地冷却发热体的沸腾冷却装置。
本发明中，该沸腾冷却装置，具有冷媒槽和散热部，该冷媒槽，其内部贮存冷媒，并在相对置的2个壁部中的第一壁部的外表面安装发热体，该散热部，其设在2个壁部中的第二壁部的外表面，在内部流入由发热体沸腾汽化的冷媒且形成冷凝液后，将该冷媒返回到冷媒槽中；其中：在第一壁部的内侧面设有第1油绳，该第1油绳的设置范围为：从以2个壁部朝向上下方向姿势使用时的下侧区域到配置发热体的区域，在以上述2个壁部朝向上下方向的姿势使用时的上述冷媒槽内的下侧区域设有第2油绳，该第2油绳与上述第1油绳的下部相接触。
据此，在以2个壁部朝向上下方向的姿势使用时，不管发热体位置如何，即使将冷媒槽内部的冷媒液面设定在较低位置，也能基于第1油绳的毛细管力，沿着一方壁的内壁面将冷媒供给到配置发热体的区域。另外，由于将冷媒液面设定得较低，而能增大在散热部的冷媒冷凝区域。从而，使冷媒槽内的冷媒沸腾汽化，将沸腾汽化的冷媒在散热部充分形成冷凝液(将冷凝潜热向空气释放)，再返回到冷媒槽，从而能冷却发热体。
还有，2个壁部设成朝向水平方向的姿势、发热体配置在冷媒槽下侧时，冷媒成为贮存在第一壁部上的形态，因此，能容易地使冷媒沸腾汽化、在散热部充分形成冷凝液。
总之，本发明提供一种不管发热体相对于冷媒槽的位置如何，且即使在除了以水平方向姿势之外还以上下方向姿势使用冷媒槽时，也能高性能地冷却发热体的沸腾冷却装置。
另外，本发明的另一种沸腾冷却装置，其特征在于：其具备：冷媒槽，其内部贮存冷媒，并在相对置的2个壁部中的第一壁部的外表面安装发热体，和散热部，其设在上述2个壁部中的第二壁部的外表面，在内部流入由上述发热体沸腾汽化的上述冷媒且形成冷凝液后，将该冷媒返回到上述冷媒槽中；其特征在于：在上述第一壁部的内侧面设有第1油绳，该第1油绳的设置范围为：从以上述2个壁部朝向上下方向的姿势使用时的下侧区域到配置上述发热体的区域，还在以上述2个壁部朝向上下方向的姿势使用时的上述冷媒槽内的下侧区域设有第2油绳，上述第2油绳的多孔质结构比上述第1油绳的多孔质结构粗。
另外，本发明的再一种沸腾冷却装置，其具备：冷媒槽，其内部贮存冷媒，并在相对置的2个壁部中的第一壁部的外表面安装发热体，和散热部，其设在上述2个壁部中的第二壁部的外表面，在内部流入由上述发热体沸腾汽化的上述冷媒且形成冷凝液后，将该冷媒返回到上述冷媒槽中；其特征在于：在上述第一壁部的内侧面设有第1油绳，该第1油绳的设置范围为：从以上述2个壁部朝向上下方向的姿势使用时的下侧区域到配置上述发热体的区域，在以上述2个壁部朝向上下方向的姿势使用时的上述冷媒槽内的上述冷媒的液面的上侧区域设有隔壁，该隔壁贯穿上述第1油绳并且将上述冷媒槽内区划成上侧和下侧。
另外，本发明的又一种沸腾冷却装置，其具备：冷媒槽，其内部贮存冷媒，并在相对置的2个壁部中的第一壁部的外表面安装发热体，和散热部，其设在上述2个壁部中的第二壁部的外表面，在内部流入由上述发热体沸腾汽化的上述冷媒且形成冷凝液后，将该冷媒返回到上述冷媒槽中；其特征在于：在上述第一壁部的内侧面设有第1油绳，该第1油绳的设置范围为：从以上述2个壁部朝向上下方向的姿势使用时的下侧区域到配置上述发热体的区域，上述散热部由一对集管和1根以上的管构成，上述一对集管，其从上述第二壁部竖立设置，且一端侧连通到上述冷媒槽内，上述1根以上的管，其在上述一对集管之间与上述2个壁部平行配置，并且连通到上述一对集管内，还在上述一对集管中的一方内设有第3油绳，该第3油绳从该集管中位于与冷媒槽相反一侧的前端部向上述第1油绳延伸并且与上述第1油绳相连。
另外，本发明还提供一种沸腾冷却装置，其具备：冷媒槽，其内部贮存冷媒，并在相对置的2个壁部中的第一壁部的外表面安装发热体，和散热部，其设在上述2个壁部中的第二壁部的外表面，在内部流入由上述发热体沸腾汽化的上述冷媒且形成冷凝液后，将该冷媒返回到上述冷媒槽中；其特征在于：在上述第一壁部的内侧面设有第1油绳，该第1油绳的设置范围为：从以上述2个壁部朝向上下方向的姿势使用时的下侧区域到配置上述发热体的区域，上述散热部，由多根管和连通集管构成，上述多根管，其从上述第二壁部竖立设置，且一端侧连通到上述冷媒槽内，上述连通集管，其在上述多根管的另一端侧相连接，用于连通上述多根管之间，在上述多根管中的任意一根内设有从上述连通集管侧与上述第1油绳相连的第4油绳。
另外，本发明的其他沸腾冷却装置，其具备：冷媒槽，其内部贮存冷媒，并在相对置的2个壁部中的第一壁部的外表面安装发热体，和散热部，其设在上述2个壁部中的第二壁部的外表面，在内部流入由上述发热体沸腾汽化的上述冷媒且形成冷凝液后，将该冷媒返回到上述冷媒槽中；其特征在于：在上述第一壁部的内侧面设有第1油绳，该第1油绳的设置范围为：从以上述2个壁部朝向上下方向的姿势使用时的下侧区域到配置上述发热体的区域，在以上述2个壁部朝向上下方向的姿势使用时的上述冷媒槽内的下侧区域设有第2油绳，该第2油绳与上述冷媒槽的底部相接触。
附图说明
图1是表示以垂直方向姿势使用本发明的第1实施方式的沸腾冷却装置的冷媒槽时的剖视图。
图2是表示以水平方向姿势使用第1实施方式的沸腾冷却装置的冷媒槽时的剖视图。
图3是表示第1实施方式的沸腾冷却装置的变形例1的剖视图。
图4是表示以垂直方向姿势使用本发明的第2实施方式的沸腾冷却装置的冷媒槽时的剖视图。
图5是表示沸腾冷却装置所产生的冷媒液的落差的剖视图。
图6是表示第2实施方式的沸腾冷却装置的变形例2的剖视图。
图7是表示第2实施方式的沸腾冷却装置的变形例3的剖视图。
图8是表示以垂直方向姿势使用本发明的第3实施方式的沸腾冷却装置的冷媒槽时的剖视图。
图9是表示将冷媒槽设成水平方向姿势、将发热体设在上侧时使用本发明的第4实施方式的沸腾冷却装置的剖视图。
图10是表示第4实施方式的沸腾冷却装置的变形例4的剖视图。
图11是表示以垂直方向姿势使用现有的沸腾冷却装置的冷媒槽时的剖视图。
具体实施方式
(第1实施方式)
图1、图2表示本发明的沸腾冷却装置100的第1实施方式。图1是表示将冷媒槽110设成上下方向(以下称“垂直方向”)姿势时的沸腾冷却装置100的剖视图，图2是表示将冷媒槽110设成水平方向姿势时的沸腾冷却装置100的剖视图。
沸腾冷却装置100，是冷却半导体元件等发热体10的装置，由冷媒槽110和散热部120构成。且，以下说明的各部件，由铜材料或铜系材料构成，各部件间由施加在被接合部位的钎焊材料钎焊成一体。
首先，冷媒槽110为形成扁平状的容器，具有对置的受热壁(与本发明中的第一壁部对应)111和散热壁(与本发明中的第二壁部对应)112。并且，如图1所示，在使受热壁111、散热壁112为垂直姿势时的受热壁111上侧，利用没有图示的螺栓等拧合固定有发热体10。这里，为了减小发热体10与受热壁111之间的接触热阻，可以在两者间夹入导热润滑脂。
散热部120，由连通到2个集管121、122内的多根散热管(与本发明中的1个以上的管对应)123a、夹在各散热管123a间的散热片124构成。2个集管121、122从散热壁112大致直立地被分别安装在冷媒槽110的两端侧(图1中上侧和下侧)，与冷媒槽110的内部空间连通设置。散热管123a与散热壁112大致平行排列配置，介由2个集管121、122与冷媒槽110的内部空间连通。散热片124为众所周知的波纹片，是为了增大散热面积而被使用的。
并且，作为本发明的特征部，在冷媒槽110的受热壁111的内侧面设有从受热壁111(冷媒槽110)下侧的区域至配置有发热体10的区域的油绳(只是名称而已，吸引的对象并非只是油)131。还有，这里，油绳131被设置从受热壁111的两端部侧(图1中的上侧和下侧)至发热体10的区域，以使不管受热壁111的垂直方向的两端部哪个为下侧，都满足上述条件。油绳131如众所周知，是由金属丝网、金属制毡、烧结金属等形成的多孔质部件，本实施方式中采用铜制烧结金属。
并且，被抽成真空的沸腾冷却装置100的内部空间中被封入一定量的冷媒。冷媒这里使用水，作为封入量设为冷媒槽110的容积以下。冷媒(水)的沸点通常(1个大气压下)为100℃，而由于将沸腾冷却装置100内抽成真空，因而沸点为30～40℃。还有，作为冷媒，也可以采用水以外的乙醇、碳氟化合物、氟利昂等。
下面，关于根据上述构成的沸腾冷却装置100的工作进行说明。
首先，在将冷媒槽110的受热壁111、散热壁112设为垂直方向使用时(图1)，沸腾冷却装置100内的冷媒，成为贮存在冷媒槽110、散热管123a下侧及集管122中的形态，其液面处于比发热体10还低的位置，而该冷媒基于油绳131的毛细管力被向上抽起，向发热体10的区域供给。
并且，该冷媒从发热体10受热而沸腾汽化，在冷媒槽110内上升，流入一方的集管121内(图1中的虚线)，从该集管121分散流向各散热管123a。流入散热管123a内的冷媒蒸气，在该散热管123a内流动时，受到由例如没有图示的送风装置供给的冷却风而被冷却，成为冷凝液，从另一方集管122回流到冷媒槽111(图1中的实线)中。
如此，从发热体10发生的热传递给冷媒、向散热部120输送，冷媒蒸气在该散热部120冷凝时释放冷凝潜热，介由散热片124向外部空气(冷却风)散热。即，从发热体10发生的热传递给冷媒、在散热部120向外部空气释放，从而发热体10当然能被冷却。
本发明中，在以2个壁111、112朝向垂直方向的姿势被使用时，不管发热体10的位置如何，即使将冷媒槽110内部的冷媒液面设定为比发热体10低的位置，如上所述，也能基于油绳131的毛细管力，沿受热壁111的内壁面将冷媒供给到发热体10配置的区域。另外，由于降低了冷媒液面，因此，与现有技术中说明的图11相比较，能增大散热部120的冷媒冷凝区域。从而，将冷媒槽110内的冷媒沸腾汽化后，使沸腾汽化的冷媒在散热部120充分形成冷凝液(将冷凝潜热向空气释放)，再返回到冷媒槽110因此能冷却发热体10。
还有，如图2所示，以散热部120向上的方式将冷媒槽110的受热壁111、散热壁112设成水平方向使用时，冷媒在冷媒槽110内成为贮存在受热壁111上的形态，因此，能容易使冷媒沸腾汽化，在散热部120充分形成冷凝液。
总之，本发明是一种不管发热体10相对于冷媒槽110的位置如何，且即使除以水平方向姿势使用外还以上下方向姿势使用冷媒槽110时，也能高性能地冷却发热体10的沸腾冷却装置100。
还有，作为变形例1，关于散热部120如图3所示，也可以由从散热壁112竖立设置并一端侧连通到冷媒槽110内的多根管123b、和在这些多根管123b的另一端侧相连接并将多根管123b彼此连通的连通集管125构成。
通常，2个壁部111、112扩大方向(图3中的上下方向)的尺寸，大多设定得比散热部120的2个壁部111、112对置的方向(图3中的左右方向)的尺寸大，这种情形，由于在上下方向配置多根散热管123b，而能扩大冷媒的流路截面积，降低冷媒的流通阻力，因此，能促进冷媒的循环、提高冷却性能。
(第2实施方式)
本发明的第2实施方式如图4、图5所示。第2实施方式，相对于上述第1实施方式而言，添加了油绳(与本发明的第2油绳相对应)132。
如图4所示，油绳132被配置在以2个壁部111、112朝向垂直方向的姿势使用时的冷媒槽110内的下侧区域。并且，油绳132，相对于油绳131而言，其多孔质结构形成得粗(形成的孔大)。
沸腾冷却装置100，由于发热体10的发热而促进冷媒的沸腾、冷媒循环量增加。于是，散热管123a的冷媒的流通阻力增大(冷媒的压力损失增大)，如图5所示，相对于冷媒槽110内的A点的压力PA，散热管1内的B点的压力PB降低(压力PA＞压力PB)，冷媒液产生落差h。即，冷凝区域减少。
不过，本第2实施方式中，能基于油绳132的毛细管力，将散热部120侧的冷媒拉向冷媒槽110侧，因此，降低散热部120的冷媒液面而增大冷凝区域，能提高冷却性能。
另外，油绳132，只要具有将散热部120侧的冷媒拉向冷媒槽110侧的毛细管力就足够了，因此，应该能使多孔质结构形成得粗，从而能降低冷媒流通时的流通阻力，因此，能使冷媒的循环顺畅、提高冷却性能。
还有，作为第2实施方式的变形例2，如图6所示，可以使油绳132与油绳131一体形成，从而，能降低部件数目、容易安装，并可获得相对应的廉价。这里，油绳131和132一体化时，如上述说明，可以使油绳132多孔质结构形成得粗，两油绳131、132经由烧结成为一体化。
另外，作为变形例3如图7所示，油绳132也可以延伸到配置发热体10的区域，从而，除了油绳131之外还具有油绳132，而能将冷媒向发热体10的区域供给，因此，能促进由发热体10进行的沸腾、增加冷媒的循环量，提高冷却性能。
(第3实施方式)
本发明的第3实施方式如图8所示。第3实施方式，相对于上述第2实施方式而言，通过隔壁113降低冷媒液的落差h。
隔壁113被配置在比以2个壁部111、112朝向垂直方向姿势使用时的冷媒槽110内的冷媒液面靠上侧的区域，贯穿油绳131、且将冷媒槽110内区划成上侧和下侧。
从而，冷媒槽110内的沸腾冷媒的压力PA不会作用于冷媒槽110的液冷媒，而能防止散热部120(散热管123a)内的冷媒液面的上升，因此，能增大散热部120的冷凝区域，提高冷却性能。
(第4实施方式)
本发明的第4实施方式如图9所示。第4实施方式，其冷媒槽110相对于上述第1实施方式～第3实施方式而言，即使进一步以不同的姿势使用时也能冷却发热体10。
这里，集管122内，设有油绳(与本发明的第3油绳对应)133，从该集管122的与冷媒槽相反侧的前端部起延伸到与油绳131连结。
从而，将冷媒槽110设为水平方向姿势，且发热体10位于冷媒槽110上侧使用时，也能构成一种可以基于油绳133的毛细管力，将贮存在散热部120下侧的冷媒介由油绳131向发热体10供给，因此，能冷却发热体10的沸腾冷却装置100。
还有，由多根散热管123b和连通集管125构成散热部120时，作为变形例4如图10所示，可以在多根散热管123b的任意一根(这里为图中右侧的管123b)上设置从连通集管125侧与油绳131连结的油绳(与本发明的第4油绳对应)134，从而能获得与上述同样的效果。

Claims (12)

1. 一种沸腾冷却装置，其具备：
冷媒槽(110)，其内部贮存冷媒，并在相对置的2个壁部(111、112)中的第一壁部(111)的外表面安装发热体(10)，和
散热部(120)，其设在上述2个壁部(111、112)中的第二壁部(112)的外表面，在内部流入由上述发热体(10)沸腾汽化的上述冷媒且形成冷凝液后，将该冷媒返回到上述冷媒槽(110)中；其特征在于：
在上述第一壁部(111)的内侧面设有第1油绳(131)，该第1油绳(131)的设置范围为：从以上述2个壁部(111、112)朝向上下方向的姿势使用时的下侧区域到配置上述发热体(10)的区域，
在以上述2个壁部(111、112)朝向上下方向的姿势使用时的上述冷媒槽(110)内的下侧区域设有第2油绳(132)，该第2油绳(132)与上述第1油绳(131)的下部相接触。
2. 根据权利要求1所述的沸腾冷却装置，其特征在于：上述散热部(120)由一对集管(121、122)和1根以上的管(123a)构成，
上述一对集管(121、122)，其从上述第二壁部(112)竖立设置，且一端侧连通到上述冷媒槽(110)内，
上述1根以上的管(123a)，其在上述一对集管(121、122)之间与上述2个壁部(111、112)平行配置，并且连通到上述一对集管(121、122)内。
3. 根据权利要求1所述的沸腾冷却装置，其特征在于：上述散热部(120)，由多根管(123b)和连通集管(125)构成，
上述多根管(123b)，其从上述第二壁部(112)竖立设置，且一端侧连通到上述冷媒槽(110)内，
上述连通集管(125)，其在上述多根管(123b)的另一端侧相连接，用于连通上述多根管(123b)。
4. 根据权利要求1所述的沸腾冷却装置，其特征在于：上述第2油绳(132)与上述第1油绳(131)形成一体。
5. 根据权利要求1所述的沸腾冷却装置，其特征在于：上述第2油绳(132)被延伸到配置上述发热体(10)的区域。
6. 根据权利要求1所述的沸腾冷却装置，其特征在于：
上述第2油绳(132)的多孔质结构比上述第1油绳(131)的多孔质结构粗。
7.根据权利要求6所述的沸腾冷却装置，其特征在于：上述第2油绳(132)与上述第1油绳(131)形成一体。
8. 根据权利要求6或7所述的沸腾冷却装置，其特征在于：上述第2油绳(132)被延伸到配置上述发热体(10)的区域。
9. 根据权利要求1所述的沸腾冷却装置，其特征在于：
在以上述2个壁部(111、112)朝向上下方向的姿势使用时的上述冷媒槽(110)内的上述冷媒的液面的上侧区域设有隔壁(113)，该隔壁(113)贯穿上述第1油绳(131)并且将上述冷媒槽(110)内区划成上侧和下侧。
10. 根据权利要求2所述的沸腾冷却装置，其特征在于：
还在上述一对集管(121、122)中的一方(122)内设有第3油绳(133)，该第3油绳(133)从该集管(122)中位于与上述冷媒槽(110)相反一侧的前端部向上述第1油绳(131)延伸并且与上述第1油绳(131)相连。
11. 根据权利要求3所述的沸腾冷却装置，其特征在于：
在上述多根管(123b)中的任意一根内设有从上述连通集管(125)侧与上述第1油绳(131)相连的第4油绳(134)。
12. 根据权利要求1所述的沸腾冷却装置，其特征在于：该第2油绳(132)与上述冷媒槽(110)的底部相接触。
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