CN102834688B - 相变冷却器和设有该相变冷却器的电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

相变冷却器和设有该相变冷却器的电子设备

技术领域

本发明涉及半导体装置和电子设备的冷却。本发明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。

背景技术

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1和专利文献2中公开了这种冷却结构。专利文献1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1]日本专利公开出版物第4026039号(图1)

[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1、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1)

[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1)

[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)

发明内容

本发明要解决的问题

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，当比较冷却一个元件的情况和冷却两个元件的情况时，通过根据发热量增加散热面面积，可以保持冷却特性。如果发热量相同，则两倍的散热面面积变得必要。由于流量也被加倍，并且控制流量的泵变成两个，因此集结散热单元的效果相当于去除一个散热器和一个风扇。

已经考虑了这些情况构思本发明。本发明的一个示例性目的是提供一种装置，在内部安装电子部件或半导体作为多个发热体的电子装置中，即使在特定电子部件或类似部件的操作率高的情况下，所述装置也能够可靠地冷却电子部件。

解决所述问题的技术方案

为了获得上述目的，本发明的相变冷却器包括：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，所述液体管使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。

根据这种结构，对应于在每一个受热单元处接收的热量的量，蒸气通过连接到热交换单元的多个蒸气管流入到热交换单元中。冷凝的液相制冷剂通过液体管循环到受热单元，所述液体管安装在热交换单元的在重力方向上的下部处并对应于一个至所述数量的受热单元。供应给每一个受热单元的制冷剂的量对应于通过蒸发损失的量。所需的液体量在不需要有源液体驱动设备的情况下以自持运转的方式被供应。此外，在某一部件的工作比处于高状态的情况下，不仅从液体管供应给受热单元(在所述受热单元处，在从所述部分接收热量时，更多制冷剂蒸发)制冷剂，而且制冷剂还经由旁通管从相邻受热单元供应。

本发明的效果

根据本发明的相变冷却器，在某一部件的工作比处于高状态的情况下，不仅从液体管将制冷剂供应给受热单元(在所述受热单元处，在从所述部分接收热量时，更多制冷剂蒸发)，而且制冷剂还经由旁通管从相邻受热单元供应。因此，可以更可靠地冷却具有高工作比的部件。

此外，根据本发明的相变冷却器，可以使散热单元的数量少于受热单元的数量，并且从整个装置的观点来看，能够获得冷却结构的简化和尺寸减小。例如，通过将来自多个受热单元的蒸气收集到散热单元中，不仅由于部件的数量减少获得成本减少，而且还可以由于构成散热单元的风扇的数量的减少而获得电力节省。

附图说明

图1是显示根据本发明的第一示例性实施例的相变冷却器的概略立体图；

图2是根据本发明的第一示例性实施例的相变冷却器的概略平面图；

图3是根据本发明的第一示例性实施例的相变冷却器的概略前视图；

图4是显示安装有根据本发明的一个示例性实施例的相变冷却器的电子装置的概略平面图；

图5是显示安装有图1所示的相变冷却器的电子装置的概略纵向剖视图；

图6是显示图1所示的相变冷却器的受热单元的构造的概略纵向剖视图；

图7A是显示构成图6所示的受热单元的侧壁单元的概略平面图；

图7B是显示沿图7A的线A-A截得的侧壁单元的横截面图；

图8A是显示构成图6所示的受热单元的顶板的概略平面图；

图8B是显示沿图8A的线B-B截得的顶板的横截面图；

图9A是显示构成图6所示的受热单元的底板的概略平面图；

图9B是显示沿图9A的线C-C截得的底板的横截面图；

图10A是显示在图6所示的受热单元的横截面形状为近似矩形的情况下的侧壁单元的概略平面图；

图10B是显示沿图10A的线D-D截得的侧壁单元的横截面图；

图11A是显示在图6所示的受热单元的横截面形状为近似矩形的情况下的底板的概略平面图；

图11B是显示沿图11A的线E-E截得的底板的横截面图；

图12A是图1所示的散热单元的概略前视图；

图12B是显示沿图12A的线F-F截得的散热单元的横截面图；

图13是显示图1的相变冷却器在安装有两个CPU的工作站中的评估结果的曲线图；

图14A是显示根据本发明的第二示例性实施例的相变冷却器的概略前视图；

图14B是显示根据本发明的第二示例性实施例的相变冷却器的概略平面图；

图15是显示根据本发明的第三示例性实施例的相变冷却器的概略前视图；

图16A是显示根据本发明的第四示例性实施例的相变冷却器的概略前视图；

图16B是显示根据本发明的第四示例性实施例的相变冷却器的概略前视图；

图17A是显示根据本发明的第五示例性实施例的相变冷却器的概略平面图；以及

图17B是显示根据本发明的第五示例性实施例的相变冷却器的概略前视图。

具体实施方式

[第一示例性实施例]

以下将参照附图说明本发明的示例性实施例。首先，将说明根据本发明的第一示例性实施例的相变冷却器的构造。图1-3显示了本示例性实施例的相变冷却器10的构造。图1是相变冷却器10的概略立体图。图2是图1所示的相变冷却器10的概略平面图。图3是图1所示的相变冷却器10的概略前视图。

图1显示了根据本发明的第一示例性实施例的相变冷却器10，所述相变冷却器10具有两个受热单元11和一个散热单元12。

如图4和5所示，设置在基板K上的电子部件D经由导热润滑脂、散热板和类似物安装在受热单元11下方。为了保持热连接，受热单元11通过螺钉N固定在基板K上。此时，优选的是通过将弹簧特性施加到固定结构而在受热单元11与电子部件D之间出现接触压力。在图4中显示了在如下所述的第二示例性实施例中使受热单元11相互连接的旁通管。

对于这种接触压力，优选的是该接触压力是100kPa到1MPa而不会超过部件规格的压力。

受热单元11是具有良好热导率的中空室，所述中空室由诸如铜或铝的金属制成。图6是显示受热单元11的概略剖视图。受热单元11包括侧壁单元111(参照图7A和图7B)、顶板112(参照图8A和图8B)以及底板113(参照图9A和图9B)。侧壁单元111具有基本上为圆柱形的形状。顶板112具有圆形形状，并且顶板112被设置成覆盖侧壁单元111的一侧开口。底板113具有基本上为圆形的形状，并且底板113被设置成覆盖侧壁单元111的另一侧开口。如图7A和7B所示，液体流入端口111a贯穿侧壁单元111形成。如图8A和8B所示，蒸气流出端口112a贯穿顶板112形成。如图9A和9B所示，用于提高与制冷剂R的导热性的多个散热片113a形成在底板113的在室内部的表面上。虽然在图9A和9B中没有详细地显示，但是用于控制液体或蒸气的流动的流动路径也可以形成在底板113的在室内部的表面上。优选的是确保散热片113a的间隔和流动路径壁之间的距离为大约1mm至几mm或更大，使得散热片113a或流动路径不会妨碍产生的气泡分离。底板113的在室内部的表面优选地通过喷砂或类似处理变粗糙到几十毫米至几百毫米的水平，以变成气泡产生的核。利用这种结构，当气泡产生时的核的数量增加。受热单元11的横截面形状不局限于圆柱形形状，并且适当的设计改变是可以的。图10A-11B显示了在受热单元11的横截面形状为近似矩形的情况下侧壁单元111和底板113的构造。

由于受热单元11的底板113与发热元件接触，因此优选地使用具有高导热率的材料形成底板113。铜和铝是具有高导热率的被广泛使用的金属。为此，使用这些材料，理想的是从与发热元件接触的表面到流动控制突起113b以一体的方式形成底板113。设置流动控制突起113b的第一目的是在沸腾面表面上均匀地分配液相制冷剂R。这具有在始终执行所需液体的供应以持续沸腾的同时在整个底部单元上防止使在高热量生成期间液相被用尽的干燥的效果。在使用有机制冷剂R的情况下，表面张力通常小于水，因此在沸腾时形成的气泡的直径大约为1.0mm。在这种情况下，不理想的是使流动控制突起113b之间的距离极窄而小于气泡直径。优选的是流动控制突起113b之间的距离等于或大于气泡直径。流动控制突起113b的第二目的是扩大散热面积。考虑到表面面积越宽，则热量排放量越大，如果流动控制突起113b之间的距离形成得太大，则可以形成的流动控制突起113b的数量受到限制。通过流动控制突起113b内部的热量的量取决于突起的厚度。流动控制突起113b越厚，流动的热量越多。然而，如果流动控制突起113b被形成得极厚，则散热表面面积受到限制。考虑到这些点，最好的是使流动控制突起113b形成为满足以下条件。也就是说，流动控制突起113b之间的距离被设定为大约1.0mm。流动控制突起113b的厚度被设定为大约1.0-2.0mm。流动控制突起113b的高度被设定为大约1.0-5.0mm。在流动控制突起113b在这些毫米等级下以1∶5的纵横比构造而成的情况下，通过机械加工进行制造是有利方法之一。如果受热单元11中的流动控制突起113b和底板113一体形成，则与单独形成受热单元11中的流动控制突起113b和底板113然后连结该流动控制突起113b和底板113的情况相比较，可以减少在流动控制突起113b和底板113的连接部处出现的热阻。图6显示了在流动控制突起113b和底板113一体形成的情况下的示例。

在受热单元11的内部中，制冷剂R通过来自电子部件D的热量进行相变，并且产生蒸气。该蒸气沿着图1所示的受热单元11的上部处的蒸气管13通过，并朝向作为散热器的散热单元12的上部前进。与另一个受热单元11连接的蒸气管13也连接到散热单元12的上部。波纹式散热鳍片121形成在散热单元12的中心部分处。热量被在散热鳍片121之间通过的空气耗散掉。空气流作为冷却空气通过图3所示的轴流式风扇122被均匀地供应到散热鳍片121之间。轴流式风扇122的直径大约为120mm，并且几乎与散热单元12的横截面尺寸相同。

多个蒸气管13连接到散热单元12的上部。来自多个受热单元11的蒸气分别经由多个蒸气管13被携带到散热单元12。优选的是多个蒸气管13在散热单元12的上部处以均等的间隔连接到冷却空气被排放的一侧的表面。例如，如图1所示，多个蒸气管13可以在散热单元12的长侧侧面上同样地对准。虽然在图中没有详细地显示，但是两个蒸气管13也可以分别连接到散热单元12的短侧处的左侧面和右侧面。对于其密度相对较低的蒸气流动通过的蒸气管13，理想的是扩大直径以将在蒸气通过期间的压力损失减少到最小。

如图1所示，多个液体管14中的每一个的一端都连接到散热单元12的下部。此外，每一个液体管14的另一端分别连接到每一个受热单元11。液体管14的管直径与蒸气管13的管直径相比较小。当整个冷却器处于稳定状态时，基于质量的流量在各处都相同，但是基于体积的流量大大地不同。这是由于液体与气体之间的密度大大改变。连接到受热单元11的液体管14的较小直径还有效地防止蒸气的混合。因此，可以在不需要可以防止回流或当回流出现时将回流的影响限制到最小的止回阀的情况下获得系统。

接下来，将给出根据本发明的示例性实施例的相变冷却器10的优选结构的补充说明。此外，将说明相变冷却器10的制造方法的概略。如图6所示，使用具有高导热率的材料(铜或铝)生成侧壁单元111。上面形成有螺纹的冷凝液流入单元111b被拧入到侧壁单元111中。接下来，底板113和侧壁单元111通过诸如钎焊的方法连结。受热单元11的主体根据以上步骤形成。接下来，通过诸如钎焊的方法将使用具有高导热率的材料类似形成的图8A和8B所示的顶板112连结到受热单元11的主体来制造受热单元11。顶板112预先与蒸气流出单元112b一体形成。可选地，上面形成有螺纹的蒸气流出单元112b被预先拧入到顶板112中。通过钎焊连结每一个单元，可以获得具有能够在沸腾期间承受压力波动的气密结构的受热单元11。

如图12A所示，散热单元12主要由散热单元集水箱123、冷凝液收集单元124、制冷剂流动通道125和散热鳍片121构成。散热单元12的基本结构类似于在汽车中使用的散热器。然而，在本发明的示例性实施例中，由于除了散热之外还执行制冷剂蒸气的冷凝，因此重要的是在制冷剂R的冷凝中能够执行有效的散热。如沿图12B的线F-F截得的横截面图中所示，以垂直方式将蒸气流入端口126连接到散热单元集水箱123是有利的。因此，流入到散热单元集水箱123中的蒸气与散热单元集水箱123的后表面侧处的壁碰撞，并且可以使得蒸气散开而散布到散热单元集水箱123。因此，散热单元集水箱123内部的压力可以被形成为恒定。因此，可以使制冷剂流动通道125的流量均匀。

从散热的观点来看，制冷剂流动通道125越窄越好，但是从冷凝的制冷剂R的流动的观点来看，需要一定程度的厚度。在本发明的示例性实施例中，冷凝依赖于取决于重力的液相排斥性能。理想地，冷凝的制冷剂R在流动通道的内壁上形成薄膜液相，并且通过重力被排放到冷凝液收集单元124侧。在很少的情况下，蒸气在冷凝的液相下变成气泡并被收集，并且在这种情况下，蒸气用作对液相的排放的抵抗。为了避免这种情况，流动通道宽度应该为最小值。在使用有机制冷剂的情况下，优选的是将流动通道内表面的宽度设定到0.3mm或更大，并且从散热特性的观点来看，类似地，流动通道的内表面的宽度优选地被设定到1.0mm或更小。

理想的是使用柔性管材用于连接受热单元11和散热单元12的蒸气管13和液体管14。聚合物材料具有高柔性，但是可渗透水。为此，制冷剂R可能通过管壁面渗漏。为了获得柔性连接，采用诸如丁基橡胶的具有低透水性的聚合物材料、金属薄膜被层叠在里面的聚合物管材、保持柔性的具有波纹形状等的金属管材作为蒸气管13和液体管14的材料是有利的。优选的是将流入/流出喷嘴设置在蒸气管13或液体管14连接到受热单元11和散热单元12的位置处。蒸气管13或液体管14连接到该流入/流出喷嘴。还具有制冷剂R通过连接部与蒸气管13或液体管14之间的边界泄漏的风险。为此，优选的是使用粘合材料密封连接部。还可以使用蒸气管13或液体管14，蒸气管13或液体管14使用用于受热单元11和散热单元12的连接的金属材料。通过使用金属材料，可以提高冷却器内部的气密性，因此获得防止制冷剂泄漏的效果。当使用由薄金属膜和上述聚合物材料形成的层叠结构以保持柔性的管材时，获得相同的效果。甚至在具有波纹形状的金属管中，具有柔性的连接也是可能的。如图5所示，在从受热单元11垂直向上拉出蒸气管13并将蒸气管弯曲成近似水平之后，蒸气管13连接到散热单元12。这种构造可以防止在蒸气管13中被冷凝的制冷剂沿着蒸气管13向后流动。也就是说，由于该蒸气管13中的制冷剂的压力从上游侧到下游侧减小，因此最下游部分处的制冷剂容易冷凝。为此，如果通过将蒸气管13的最下游部分形成为近似平行来防止已经被冷凝的液体层回流，则液相冷却器10的更加稳定运行变得成为可能。

当完成连接部的密封时，制冷剂通过制冷剂注入口(未示出)被注入，并执行对包含的空气的除去。除去空气产生相变冷却器10内部的制冷剂R的饱和蒸气压力。作为对制冷剂R的选择的一个条件，优选的是饱和蒸气压力尽可能接近1atm。这是因为当饱和蒸气压力大大地不同于1atm时，需要增加相变冷却器10的强度。例如，由DuPont制造的为一种氟化制冷剂的Vertrel(商标)在大气压力下具有55℃的沸点并在室温下具有近似30kPa的饱和蒸气压力。当考虑电子设备的冷却时，由于Vertrel与大气压力之间在室温下的差异不大，并且由于可以在操作期间保持Vertrel处于2atm或更小压力下，因此Vertrel作为本发明的示例性实施例的相变冷却器10的制冷剂是有利的。

接下来，说明根据本发明的示例性实施例的相变冷却器10的操作效果。当制冷剂R在受热单元11内部沸腾时，由于产生的蒸气的比重与液相相比较小，因此蒸气朝向在重力方向上位于上部中的蒸气流出端口112a前进。通过逐渐改变角度，蒸气管13以低阻力朝向散热单元12输送蒸气。在排放冷却空气的一侧连接到散热单元12的上部的蒸气管13处于确保散热单元12的性能的良好状态。被引导到散热单元12的蒸气在散热单元12中从顶部流动到底部并返回到液体。已经返回到液体的制冷剂R收集在散热单元12的底部处，在图5所示的箭头方向上移动通过液体管14并返回到受热单元11。

已经作为蒸气从蒸气流入端口126到达散热单元12的制冷剂R在通过制冷剂流动通道125的同时冷凝。通过在散热鳍片121之间流动的冷却空气，冷凝热量从制冷剂R传递到制冷剂流动通道125的壁和散热鳍片121并被耗散掉。冷凝后的制冷剂R流入到冷凝液收集单元124，所述冷凝液收集单元124在重力方向上相对地位于下部中。确定聚集在冷凝液收集单元124中的液体的量，以便不会干扰来自散热单元12的上部的蒸气。冷凝液收集单元124的冷凝后的制冷剂R通过重力被供应给相应的受热单元11。

由于本发明的示例性实施例的集中散热的结构，可以通过轴流式风扇122对制冷剂R进行冷却。因此，冷却结构是简单的，并且可以减少电力消耗。例如，如图13所示，当在具有两个CPU(CPU0和CPU1)的工作站中采用相变冷却器10的情况(图13中的“相变”)与通过导致两倍热阻率的水冷却进行冷却的情况(图13中的“水冷却”)比较时，可以抑制热阻的增加。甚至在里面安装有诸如CPU的运算元件的服务器、个人计算机、巨型计算机和类似设备中也能够获得相同的效果。冷却目标不局限于诸如CPU的运算元件，而是可以是任何发热体。即使在里面安装有多个发热体的诸如路由器的网络装置、具有多个发光元件的LED投影仪和利用LCD和DMD的光学装置和投影仪中采用相变冷却器10也能够获得相同的效果。

此外，在本示例性实施例中，由于散热单元12的内部是没有分隔部的一体式结构，因此在一个受热单元11从其接收热量的电子装置D产生低量的热量的情况下，可以使用整个散热单元12冷却另一个受热单元11从其接收热量的电子装置D。因此，能够获得热阻减少的效果。

此外，在本示例性实施例中，每一个蒸气管13连接到散热单元12的在排放冷却空气的一侧的表面。根据这种类型的构造，可以在近似垂直于冷却空气的排放方向的方向上限制散热单元12的厚度，并且可以使散热单元12的厚度减小。

[第二示例性实施例]

接下来，说明根据本发明的第二示例性实施例的相变冷却器20。如图14A和图14B所示，在相变冷却器20中，使散热单元11相互连接的旁通管21被设置成保持制冷剂R到受热单元11的供应能力。极大可能的是发热量以电子装置中的发热电子部件D的工作比变化。通过设置旁通管21，在一个电子部件D的工作比处于高状态下的情况下，不仅从液体管14供应液体，而且还从相邻的受热单元11供应液体。

当旁通管21被连接成以此方式直接连接多个受热单元11时，液相制冷剂R的供应能力提高，并且即使例如在发热量急剧变化期间也可以保持良好的冷却性能。通过由柔性材料制造旁通管21，可以将多个受热单元11适当地安装在要被冷却的相应电子部件D上，并且可以单独执行对于冷却来说重要的接触条件的管理。

[第三示例性实施例]

接下来，说明根据本发明的第三示例性实施例的相变冷却器30。如图15所示，在相变冷却器30中，蒸气管13和液体管14的各个长度对于每一个受热单元11来说都不同。在应用根据本发明的示例性实施例的相变冷却器30的电子装置和类似装置中，对于发热电子部件D的安装位置来说，除了冷却之外的诸如电力的方面的要求同样重要。在确定电子部件D的位置和散热位置并且每一个受热单元11与散热单元12之间的距离不同的情况下，通过根据需要延长蒸气管13和液体管14，可以保持冷却性能。此外，与第二示例性实施例的旁通管21的结合使用是优选的。

[第四示例性实施例]

接下来，说明根据本发明的第四示例性实施例的相变冷却器40。如图16A和图16B所示，在相变冷却器40中，连接到两个受热单元11的蒸气管13分别连接到构成受热单元12的两个彼此相对的表面上，更详细地，连接到与排放冷却空气的表面近似垂直的两个表面。

在每一个蒸气管13连接到散热单元12的短侧的侧面的情况下，由于蒸气管13和液体管14没有在冷却空气的流动路径上，因此可以增加通风效率，并且可以提高冷却性能。

此外，如图16A和图16B所示，在相变冷却器40中，液体管41的一个端侧在一个位置处连接到散热单元12。液体管41的另一个端侧分支并分别连接到每一个受热单元11。换句话说，液体管41具有在一个位置处连接到散热单元12的一个端部和具有分别连接到每一个受热单元11的多个分支的分支部的另一个端部。

沿重力方向向下安装的液体管41高度可能地需要靠近电子装置内部的电子部件D的安装区域安装。在电子部件以高密度安装的状态下减少布置在该区域内的液体管41的数量是优选的。

[第五示例性实施例]

接下来，说明根据本发明的第五示例性实施例的相变冷却器60。如图17A和图17B所示，在相变冷却器60中，一个受热单元61和一个散热单元12经由蒸气管13和液体管14相互连接。

在其中发热电子部件D以高密度安装的电子装置中，具有优选受热结构的一体化的情况。优选的是根据由每一个相应电子部件D生成的热量的量来确定每一个蒸气管13的直径。此外，通过在受热单元61中靠近电子部件D设置蒸气流出端口，形成具有低压力损失的制冷剂循环系统，并且获得有效的蒸气排放，即，电子部件D的冷却。此外，由于具有一个受热单元61，因为可以减少液体管41的数量，因此不仅简化结构，而且有助于降低在使用期间制冷剂泄漏的风险。

本申请基于并主张2010年3月29日提出申请的日本专利申请第2010-076126号的优先权权益，该申请的公开内容在此整体并入本文供参考。

工业应用性

本发明的相变冷却器可以被应用于诸如计算机和服务器、网络装置和个人计算机的电子设备的冷却。此外，本发明的相变冷却器可以被应用于诸如投影仪和显示器的光学设备的冷却应用。

虽然已经参照示例性实施例说明了本发明，但是本发明不局限于以上实施例。可以在不背离本发明的保护范围的情况下对本发明的结构和细节进行本领域技术人员所理解的各种改变。

附图标记列表

11    受热单元

12    散热单元

13    蒸气管

14    液体管

21    旁通管

113b  流动控制突起

121   散热鳍片

122   轴流式风扇

123   散热单元集水箱

125   制冷剂流动路径

D     电子部件

K     基板

N     螺钉

R     制冷剂

Claims (5)

1.一种相变冷却器，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循环到每一个所述受热单元；和

旁通管，所述旁通管将每一个所述受热单元相互连接，

其中所述一个散热单元包括多个蒸气流入端口，所述多个蒸气流入端口连接到所述多个蒸气管的端部。

2.根据权利要求1所述的相变冷却器，其中，每一个蒸气管的长度对于每一个受热单元来说都是不同的。

3.根据权利要求1或2所述的相变冷却器，其中，所述液体管具有在一个位置处连接到所述散热单元的一个端部单元和具有分别连接到每一个受热单元的多个分支单元的另一个端部单元。

4.根据权利要求1或2所述的相变冷却器，其中，具有两个受热单元，从每一个受热单元延伸的所述蒸气管分别连接到形成所述散热单元的两个彼此相对的表面。

5.一种电子装置，包括根据权利要求1或2所述的相变冷却器。