CN102832185A - 沸腾冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供抑制发热开始时的过冲，实现稳定的沸腾开始的沸腾冷却系统。该沸腾冷却系统是一种在与发热体热接触的基座上具有由金属构成的沸腾导热部，上述沸腾导热部与液体制冷剂接触的沸腾冷却系统，上述沸腾导热部在表面下平行设置有多个通过孔或间隙与外部连通的通道，在与上述通道垂直的方向上具备贯通所有的通道的、比通道直径深的槽，在上述槽的上部具备盖板。

Description

沸腾冷却系统

技术领域

本发明涉及适合例如半导体元件等发热体的冷却的沸腾冷却系统，特别涉及针对热能密度较高的发热体也能够进行稳定的沸腾开始的沸腾冷却系统。

背景技术

近些年，搭载于个人计算机和服务器等电子设备的中央处理装置（CPU）等半导体元件因小型化、高集成化而使发热量增大。但是，上述半导体元件通常若超过规定的温度，则不仅不能够维持其性能，有时还会破损。因此需要冷却等温度管理措施。因此，以往一般通过使用散热装置和对其送给冷风的风扇的空冷系统来实现冷却。但因上述的半导体元件的小型化、高集成化而产生发热部位的局部化，而且从近些年的对环保社会的期望来讲，要求降低电子设备的消耗电力、噪音。

从上述课题、期望来讲，强烈要求替换以往的空冷系统，采用例如使用了水等制冷剂的液冷系统等高效的冷却技术。在上述液冷系统中利用液体的沸腾，利用该制冷剂的气化潜热而能够得到较高的冷却效率的沸腾冷却系统备受瞩目。

另外，作为与本发明相关的现有技术，例如以下的专利文献1~3公开了如下的冷却系统，具备与发热的半导体元件等热连接并使收纳的液体制冷剂沸腾的受热套管，以及接收来自受热套管的制冷剂蒸气并冷凝成液体的冷凝器，通过相变化来使制冷剂循环。

另外，以下的专利文献4公开了为了使沸腾面的导热性能提高，在与沸腾面的液体接触的表面下使通过微小的孔或间隙与外部连通的微细通道接近而设置。

现有技术

专利文献

专利文献1：日本特开2011-47616号公报

专利文献2：日本特开2001-77256号公报

专利文献3：日本特开2008-147482号公报

专利文献4：日本特开2005-164126号公报

在使用上述的沸腾冷却系统冷却发热体的情况下，特别在该沸腾开始时产生的过冲（overshoot）成为问题。即，如图1的虚线所示，沸腾面的温度上升至开始沸腾，沸腾开始后急剧降低并稳定。该沸腾开始时的最高温度和稳定沸腾时的温度的差异为过冲。该过冲起因于与突沸（爆发性的沸腾现象）相同的现象。

在使外部条件完全相同且反复使发热体发热和停止的情况下，如图2所示，该过冲具有每次过冲的大小以及发热开始至沸腾开始的时间不同的性质。而且，有时也会产生从发热开始经过几个小时以上还不开始沸腾的状况。因此，在使用沸腾冷却系统对半导体元件进行冷却的情况下，需要完全抑制上述过冲。若产生该过冲，则半导体元件成为允许限度以上的温度，半导体元件故障、破损的可能性变高。

在上述的专利文献1~3中记述了用于使沸腾面的基于沸腾的导热性能提高的技术，但没有对能够抑制过冲的技术进行叙述。

为了抑制过冲，需要具备在发热开始时，促进成为沸腾开始的最初的气泡产生的结构。即，需要通过诱导气泡的产生来抑制过冲的发生。

根据图3所示的专利文献4的结构，在产生成为沸腾开始的气泡后，上述气泡在通道内扩散，蒸气层充满通道内部。并且，如图4所示，因上述蒸气层通过微小的孔或间隙与液体接触，而能够进行连续的沸腾。

但在专利文献4的结构形成于平面上的情况下，如图5所示，由于通道分别平行，所以无论在哪里产生一个气泡，都只能够在1列通道内形成蒸气层。因此，为了使蒸气层向沸腾面整体扩散，需要产生很多气泡。但由于气泡的产生是随机的，所以在专利文献4的结构中，不能够抑制图2所示那样的沸腾开始时期的不稳定状态。

另外，为了抑制过冲，需要具备防止异物向沸腾面浸透的结构，特别需要具备防止用于钎焊的钎料向沸腾面浸透的结构。一般，沸腾现象的性质较大地受液体与构成沸腾面的材质的湿润性，即接触角的大小影响。公知一般上述接触角小会使沸腾导热性能提高。其理由是接触角越小，液体越流入气泡和沸腾面之间，从而一个个气泡变小，导热率较小的蒸气层变薄。相反，在成为沸腾开始的最初的气泡产生时，若接触角小，则因上述液体的流入，气泡难以成长，所以接触角越大，沸腾开始越稳定。因此，与构成沸腾面的材质相比与液体的接触角更小，例如钎料等异物向沸腾面内的浸透成为沸腾开始不稳定的原因。

发明内容

本发明的目的在于提供抑制发热开始时的过冲，实现稳定的沸腾开始的沸腾冷却系统。

本发明涉及在与发热体热接触的基座上具有由金属构成的沸腾导热部，上述沸腾导热部与液体制冷剂接触的沸腾冷却系统，其特征在于，在上述沸腾导热部的表面下平行设置有多个通过孔或间隙与外部连通的通道，在与上述通道垂直的方向上具备贯通所有通道的、比通道直径深的槽，在上述槽的上部具有盖板。

本发明的效果如下。

根据本发明的沸腾冷却系统，通过在上述沸腾导热部设置的槽，槽部分的基座厚度变薄，所以槽部分的温度与周边部相比变高，促进该部中的气泡产生。而且，若在任何一点产生气泡，则通过由上述槽以及盖板形成的新通道，蒸气充满上述沸腾导热面的全部通道，能够实现发热开始时的稳定的沸腾开始。

附图说明

图1是用于说明在沸腾冷却系统中沸腾开始时产生的过冲的图。

图2是表示上述过冲的产生不稳定的图。

图3是专利文献4的沸腾导热结构的立体图。

图4是表示专利文献4的沸腾状态的沸腾导热面的剖视图。

图5是表示具有形成于平面上的通道结构的沸腾导热面中的蒸气层扩散方法的包含部分剖面的立体图。

图6是表示上述沸腾导热面的蒸气层扩散方法的包含部分剖面的立体图。

图7是表示本发明的实施方式的利用了热虹吸管的沸腾冷却系统的整体概要结构的剖视图。

图8是用于表示构成上述沸腾冷却系统的冷凝器的详细结构的主视图以及立体图。

图9是用于表示构成上述沸腾冷却系统的受热套管的详细结构的包含部分剖面的立体图。

图10是用于表示构成上述受热套管的沸腾导热面的详细结构的放大立体图。

图11是表示了上述沸腾导热面的制造步骤的包含部分剖面的立体图。

图12是用于表示上述沸腾导热面的更加详细的结构的包含部分剖面的立体图。

图13是表示上述沸腾导热面的温度分布的剖视图。

图14是用于表示上述受热套管的详细结构的剖视图。

图15是表示在同一电路基板上配置有多个应沸腾冷却的半导体元件时的沸腾冷却系统的结构的图。

图中：201—过冲；300、904—沸腾导热部；301—孔；302、1201—通道；303、901、1101—基座；401—孔；402—蒸气；403、711—气泡；501—气泡产生点；502—蒸气层的扩散；601—追加的通道；602—气泡产生点；603—蒸气层的扩散；700—沸腾冷却系统；701—电路基板；702、1301—发热体；703、900—受热套管；704—液体制冷剂；705—蒸气管；706—液体返回管；707、800—冷凝器；708—冷却风扇；709—蒸气的流动；710—返回液体的流动；801—蒸气头；802—冷凝液头；803—冷凝管；804—散热片；805—偏置翅片；902—罩；903—钎焊部；905—平滑加工面；906—盖板；907—槽；1001—通道方向；1102—滚花加工；1103—翅片加工；1104—滚压加工；1302—沸腾面温度分布；1304—热流动；

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。

实施例1

图7表示本发明的一个实施方式的沸腾冷却系统的整体结构。在电路基板701上搭载有半导体元件等发热体702。并且，在该发热体的表面上安装有具备了本发明的沸腾稳定化结构的受热套管703，发热体702与受热套管703热接触。而且，液体制冷剂704被收纳在受热套管703的内部，通过蒸气管705和液体返回管706与冷凝器707连接。而且，冷风扇708被搭载在能够向冷凝器707送去冷风的位置。

在具有以上结构的沸腾冷却系统700中，在发热体702中产生的热被传递至受热套管703，液体制冷剂704因传递而来的热沸腾而变成蒸气。产生的蒸气通过蒸气管705按照箭头709流动，被导入至冷凝器707。蒸气在该冷凝器707被冷风冷却，冷凝成为液体。成为液体的制冷剂因重力通过液体返回管706按照箭头710返回受热套管。如以上所述，沸腾冷却系统700构成为依靠液体制冷剂704的相变和重力，能够不设置传导泵等外部动力而循环该制冷剂的所谓热虹吸管。

由于如上所述冷却沸腾系统700利用制冷剂的潜热输送热，因此作为制冷剂使用的液体若采用具有较大潜热的例如水等，则能够得到较高的冷却效率。但在将水作为制冷剂进行常温下的冷却时，为了降低水的沸点，需要对构成热虹吸管的配管内部进行减压。此时，优选受热套管703、蒸气管705、液体返回管706、冷凝器707分别例如由铜等不对水表示出腐蚀性的金属材料构成，为了维持内部的减压状态，优选对各自的接合部进行钎焊或焊接。而且，在作为制冷剂例如使用氢氟醚等沸点较低的有机制冷剂的情况下，由于不需要对配管内部进行减压，所以作为蒸气管以及冷凝管例如能够使用硅胶管以及橡胶管等能够变形的材料，能够自由变更上述冷凝器的位置。除此而外，只要是依靠从发热体702传递而来的热而沸腾的材料，则不对制冷剂进行特别限定。在本实施例中，作为制冷剂采用水，其他的金属材料采用铜。

优选冷凝器707为散热片与蒸气通过的配管连接，能够进行高效率热交换的结构。在本实施例中，采用图8所示的结构。冷凝器800由使送来的蒸气扩散的蒸气头801、储藏冷凝得到的液体制冷剂的冷凝液头802、连接两者的冷凝管、以及与冷凝管803热连接的散热片804构成。在蒸气头801和冷凝液头802上分别连接有蒸气管703和液体返回管704，送至冷凝器800的蒸气在通过冷凝管803时被冷却冷凝，热量通过散热片被传导至周围的空气。在本实施例中，通过采用偏置翅片805作为散热片来提高放热性能的体积效率。作为构成冷凝器的材料，优选导热率良好的例如铜、铝等金属。

图9表示本实施方式中的受热套管的结构。受热套管900例如在由铜等导热率良好的金属构成的矩形基座901的上部装上将铜或不锈钢等金属拉深成碗状而形成的罩902，罩902的下部通过使用了例如Ag72-Cu28（BAg-8）等钎料的钎焊而与基座901接合。并且，为了使作为液体制冷剂的水的沸点降低，对内部进行减压处理。在罩902的上部和侧面形成有贯通孔，分别与蒸气管703和液体返回管704连接。并且，通过对基座901进行加工，来形成基于本发明的沸腾导热部904。

此外，作为妨碍沸腾开始的最初气泡产生的主要原因，列举出钎料向沸腾导热部904内的浸透。其理由是因液体制冷剂与基座材料的接触角给予气泡的产生较大的影响，所以若向沸腾导热部904浸透了的钎料在沸腾面上形成部分的被膜，则在上述被膜上制冷剂和基座的接触角变化，妨碍了气泡的产生。因此，需要防止钎料从受热套管900的钎焊部903向沸腾导热部904浸透。

在钎焊时，在炉内被加热融化后的钎料依靠毛细管力通过基座上的微细凹凸的间隙、槽而浸透至内部，因此产生上述钎料的浸透。所以为了解决上述问题，通过在钎焊部903和沸腾导热部904之间进行基于铣床的立铣刀加工，形成表面粗糙度抑制为3.2S（距平均面的最大高度为3.2μm）以下的平滑加工面905。

图14表示上述受热套管900的剖视图。由于通过上述加工，在钎焊时，钎料在钎焊部903中形成焊脚（フイレツト）形状，所以不会从钎焊部903向受热套管900的内部浸透。

图10表示本发明的沸腾导热部904。该沸腾导热面在与受热套管的基座901上的制冷剂接触的一侧具备通过微细的孔与外部连通的微细的通道结构1001，在沸腾导热部904的中央具备宽度1mm、深度0.9mm的槽907，在其上部通过点焊设置厚度0.5mm、宽度8mm的由与基座相同的金属材料构成的盖板906。该盖板906用于使在槽907中产生的气泡不向上部上升而从槽907向延伸的通道结构1001扩散，盖板906的宽度由气泡向通道结构1001的扩散和气泡向上部的上升的均衡决定。

图3表示通道结构1001的放大图。如在发明的概要中叙述的那样，若在该通道结构中的某个地方产生成为沸腾开始的气泡，则成为气泡在1列通道302内扩散，通过孔301与制冷剂接触的状态。然后，如图4所示，可能通过孔301保持连续沸腾。此时根据采用的制冷剂的物性、特别根据表面张力，通道直径以及孔径的大小存在最佳值。若相对于制冷剂的表面张力，孔径过大或通道直径过小，则存在较冷的液体制冷剂大量流入通道内，通道内的蒸气再次冷凝，停止沸腾的可能性。另外，若相对于制冷剂的表面张力，孔径过小或通道直径过大，则气泡不能顺畅地从沸腾面剥离，导热性能下降。在本实施例中，针对作为制冷剂的水进行最优化，设平均孔径为0.25mm，设通道直径为0.8mm。

如图11所示，能够通过滚压加工1104对通过翅片加工1103连续挖掘在金属板的基座1101上通过滚花加工1102开槽得到的面而形成的翅片的前端部进行压制来形成上述通道结构1001。即，通过来自上方的压制使前端部向槽侧弯曲成直角，得到图11的右示的通道结构。

图12表示追加于中央的槽的附近的放大图。在沸腾面上具备相对于邻接且平行设置的通道1201在垂直方向上，且与通道1201的底面相比挖掘得较深的槽1202。

图13表示挖掘了槽1202的沸腾导热部的剖视图。在发热体1301向沸腾导热部传递热时，剖面的温度分布1302为越靠近发热体越高，越靠近制冷剂侧越低。因此，能够使有槽907的部分的沸腾面的温度与在没有槽907的地方都相同的沸腾面的温度相比特别高，如以上所述，通过在沸腾面形成温度特别高的地方，能够促进成为沸腾开始的最初的气泡产生。而且，通过改变槽907的深度，槽907的底和表面的温度差变得较大，所以能够调节气泡产生的促进。

另外，在不具备追加的槽907的现有结构中，即便产生最初的气泡，也只能够如图5所示向1列通道扩散，但如图10所示，通过另外具备槽907以及盖板906，如图6所示，相对于并列的通道，在垂直方向上形成新的通道601，从气泡产生点602扩散的蒸气层能够将通道601作为旁路，像附图标号603那样在所有通道内扩散。

实施例2

图15表示在电路基板上有多个图7的结构时的结构。与配置在电路基板701上的3个半导体元件的分别对应地设置有受热套管703a、b、c，从各个受热套管703a、b、c到进行热交换的冷凝器707分别连接有蒸气管705a、b、c以及液体返回管706a、b、c。冷凝器707对从3个受热套管703a、b、c送来的蒸气汇总后进行热交换。在冷凝器707的附近设置有用于促进热交换的冷却风扇708。而且，在蒸气管705a、b、c各自的冷凝器707侧的出口设置检测蒸气的蒸气压、温度的传感器，在液体返回管706a、b、c各自的冷凝器707侧的入口设置控制液体返回量的阀，也能够根据由各半导体元件的传感器检测出的发热的程度（蒸气的产生量）对各个阀的开闭进行控制，从而控制返回液体的回流量。通过控制电路1500进行上述控制。

其结果，能够有效地灵活使用有限量的液体制冷剂，能够进行适当的沸腾冷却。而且，与在各个受热套管703a、b、c上分别设置冷凝器707的情况相比，能够节约冷凝器707的设置空间。

在图15中，虽然在图中的下方设置用于进行上述热交换的冷凝器707、冷却风扇708以及控制电路1500，但是也可以考虑电路基板701上的部件设置和冷却效果来适当地选择设置场所。

如以上所述，在本发明的沸腾冷却系统中，能够抑制发热开始时的过冲，进行稳定的沸腾开始。

Claims (6)

1.一种沸腾冷却系统，该沸腾冷却系统具备：

受热套管，其以能够导热的方式安装在搭载于基板的发热体上，通过来自上述发热体的热量使收纳于内部的液体制冷剂蒸发；

冷凝器，其接收来自上述受热套管的制冷剂蒸气，向外部传递热量，使上述制冷剂蒸气冷凝成液体制冷剂；

第一配管，其将来自上述受热套管的制冷剂蒸气引导至上述冷凝器；

第二配管，其将来自上述冷凝器的液体制冷剂引导至上述受热套管，

上述沸腾冷却系统的特征在于，

上述受热套管具有对与发热体热接触的由金属构成的基座和用于在内部收纳液体制冷剂的由金属构成的罩进行钎焊而得到的结构，

上述基座在与上述液体制冷剂接触的一侧具有沸腾导热部，

上述沸腾导热部在表面下平行设置有多个通过孔或间隙与外部连通的通道，在与上述通道垂直的方向上具备贯通所有通道的、比通道直径深的槽，在上述槽的上部具备盖板。

2.根据权利要求1所述的沸腾冷却系统，其特征在于，

在上述沸腾导热部周边的与上述罩进行钎焊的部分中，以将表面粗糙度抑制为较小，直至钎料不向上述罩内部浸透的程度的方式对上述基座的表面进行表面加工。

3.根据权利要求1所述的沸腾冷却系统，其特征在于，

上述液体制冷剂是水，且对上述受热套管内部进行减压。

4.根据权利要求1所述的沸腾冷却系统，其特征在于，

将上述冷凝器配置于比上述受热套管高的位置。

5.一种沸腾冷却系统，其特征在于，

该沸腾冷却系统与配置在电路基板上的多个半导体元件对应设置，

与上述半导体元件的每一个对应地具有：

基座，其设置在各半导体元件的每一个的上部，在沸腾导热面上构成有相互平行的多个通道以及与上述通道正交且比上述通道深的槽，在上述槽的上部具备盖部，

受热套管，其设置在各基座的每一个的上部，且封入了液体制冷剂，

冷凝器，其设置在上述电路基板上，对从各受热套管通过蒸气管聚集的蒸气进行热交换，液化后的蒸气通过液体返回管回流至各受热套管的每一个。

6.根据权利要求5所述的沸腾冷却系统，其特征在于，

上述沸腾冷却系统还在各蒸气管的每一个上述冷凝器侧的出口具有检测蒸气的蒸气压力、温度的传感器，以及在各液体返回管的每一个上述冷凝器侧的入口具有控制液体返回量的阀，

且具有控制电路，其根据由与上述多个半导体元件对应的上述传感器检测出的发热程度，对各阀的每一个的开关进行控制，从而控制返回液体的回流量。

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