CN103168210A - 冷却装置和用于制造所述冷却装置的方法 - Google Patents

Abstract

在使用蒸发冷却系统的冷却装置中，如果蒸发器包括激化对流传热的凸出部并且气泡核形成于内壁表面上，则冷却性能被不利地减小，因此，根据本发明的示例性方面的冷却装置包括存储制冷剂的蒸发器；使在蒸发器中蒸发的蒸气状态的制冷剂冷凝和液化并且辐射热量的冷凝器；连接蒸发器和冷凝器的连接件；其中蒸发器包括与待冷却对象热接触的基底以及容器；在与制冷剂接触的内壁侧的表面的沸腾表面上，基底包括多个凸出部；并且气泡核形成表面仅仅被包括在包括沸腾表面和凸出部的表面的制冷剂接触表面的一部分上。

Description

冷却装置和用于制造所述冷却装置的方法

技术领域

本发明涉及用于半导体装置和电子装置等等的冷却装置，特别地涉及一种冷却装置和一种使用蒸发冷却系统来制造所述冷却装置的方法，在所述蒸发冷却系统中，热传递和热辐射通过制冷剂的蒸发和冷凝的循环进行。

背景技术

近年来，利用半导体装置和电子装置中的高性能和高功能性的发展，来自它们的发热量越来越大。另一方面，由于便携式装置的普及，所以半导体装置和电子装置的小型化越来越进步。因为这样的背景，所以非常需要具有高效率和小尺寸的冷却装置。使用在其中通过制冷剂的蒸发和冷凝的循环进行热传递和热辐射的蒸发冷却系统的冷却装置预期作为用于半导体装置和电子装置的冷却装置，因为它不需要例如为泵的任何传动装置。

在专利文献1中描述了使用蒸发冷却系统(在下文中也表示为蒸发冷却装置)的冷却装置的一个示例。专利文献1中描述的蒸发冷却装置包括存储液相制冷剂的蒸发器，以及将制冷剂蒸汽冷凝和液化以在蒸发器中冷却并且辐射热量的冷凝器，其中所述制冷剂蒸汽通过从本体接收的热量蒸发。所述蒸发器包括由与沸腾表面相同的材料制成的长方体凸状部分，在沸腾表面上在内壁侧处与液相制冷剂接触。并且对于遍及凸状部分的顶表面和侧表面以及除凸状部分以外的平坦表面的全部表面，使用磨蚀材料进行喷丸处理。

如图8所示，在配置专利文献1中描述的相关蒸发冷却装置的蒸发器310中，沸腾表面313和凸状部分314的整个表面通过进行喷丸处理变粗糙，并且成为气泡的源核的气泡核315遍布表面形成。出于这样的原因，可以说在内壁316的表面上气泡的产生变得更加频繁，并且有效的沸腾连续出现。此外，除了因为凸状部分314当作作为凸出部的翼片因而获得增强的热传递效果之外，还可以获得由于包括凸状部分(凸出部)314因此由喷丸处理而加工的面积增大以及气泡核增大的效果。可以说，根据专利文献1中的蒸发冷却装置，利用所有这些因素，因为沸腾传热系数的改进，因此可以获得具有优秀冷却性能的蒸发冷却装置。

专利文献1：日本专利申请早期公开公报No.2003-139476([0023]到[0049]段)。

发明内容

本发明解决的问题

如上所述，在相关蒸发冷却装置中，气泡核315被形成于蒸发器310中的沸腾表面313和凸状部分(凸出部)314的所有表面上。然而，因为在凸状部分(凸出部)314的侧表面上产生的气泡防止沸腾表面313上产生的气泡的移动，因此冷却性能被不利地减小。

如上所述，如果蒸发器包括激化对流传热的凸出部并且气泡核形成于内壁表面上，则相关蒸发冷却装置具有冷却性能被不利地减小的问题。

本发明的目的是提供一种冷却装置和一种制造所述冷却装置的方法，其解决在使用蒸发冷却系统的冷却装置中的以上提及的问题，即，如果蒸发器包括激化对流传热的凸出部并且气泡核形成于内壁表面上，则冷却性能被不利地减小。

解决问题的手段

根据本发明的一个示例性方面的冷却装置包括存储制冷剂的蒸发器；使在蒸发器中蒸发的蒸气状态的制冷剂冷凝和液化并且辐射热量的冷凝器；连接蒸发器和冷凝器的连接件；其中蒸发器包括与待冷却对象热接触的基底以及容器；在与制冷剂接触的内壁侧的表面的沸腾表面上，基底包括多个凸出部；并且气泡核形成表面仅仅被包括在包括沸腾表面和凸出部的表面的制冷剂接触表面的一部分上。

一种用于制造根据本发明的一个示例性方面的冷却装置包括以下步骤：在由存储制冷剂的蒸发器所包括的基底中的、与制冷剂接触的内壁侧处的表面的沸腾表面上形成多个凸出部；仅仅在包括所述沸腾表面和所述凸出部的表面的制冷剂接触表面的一部分上形成气泡核形成表面；通过将所述基底结合到容器上来形成所述蒸发器；将所述蒸发器连接到冷凝器上，所述冷凝器使在所述蒸发器中蒸发的蒸气状态的制冷剂冷凝和液化并且辐射热量。

一种用于制造根据本发明的一个示例性方面的冷却装置包括以下步骤：在由存储制冷剂的蒸发器所包括的基底中的、与制冷剂接触的内壁侧处的表面的沸腾表面上进行粗糙化处理；形成包括尺寸通过制冷剂性质被确定的凹凸形状的气泡核；通过从沸腾表面侧切开并升高所述基底的一部分形成凸出部；通过将所述基底结合到容器上来形成所述蒸发器；将所述蒸发器连接到冷凝器上，所述冷凝器使在所述蒸发器中蒸发的蒸气状态的制冷剂冷凝和液化并且辐射热量。

发明效果

根据本发明的冷却装置，可以获得具有冷却性能提高的蒸发冷却系统的冷却装置。

附图说明

图1是示出了根据本发明的第一示例性实施方式的冷却装置的配置的横截面视图。

图2是示出了根据本发明的第一示例性实施方式的冷却装置的基底的配置的平面图。

图3是说明用于制造根据本发明的第一示例性实施方式的冷却装置的方法的横截面视图。

图4A是说明用于制造根据本发明的第一示例性实施方式的冷却装置的方法的横截面视图。

图4B是说明用于制造根据本发明的第一示例性实施方式的冷却装置的方法的横截面视图。

图4C是说明用于制造根据本发明的第一示例性实施方式的冷却装置的方法的横截面视图。

图5是说明用于制造根据本发明的第一示例性实施方式的冷却装置的另一个方法的横截面视图。

图6是示出了根据本发明的第二示例性实施方式的冷却装置的配置的横截面视图。

图7是说明用于制造根据本发明的第二示例性实施方式的冷却装置的方法的横截面视图。

图8是示出了相关蒸发冷却装置的配置的横截面视图。

具体实施方式

下面将参考附图描述本发明的示例性实施方式。

[第一示例性实施方式]

图1是示出了根据本发明的第一示例性实施方式的冷却装置100的配置的横截面视图。根据本示例性实施方式的冷却装置100包括存储制冷剂的蒸发器110、使在蒸发器110中蒸发的蒸气状态的制冷剂冷凝和液化并且辐射热量的冷凝器120、以及连接蒸发器110和冷凝器120的连接件130。

蒸发器110包括与待冷却对象140热接触的基底111和容器112。基底111和容器112通过焊接或钎焊等结合以形成密封结构，其存储制冷剂在其内部。连接件130与容器112连接，并且制冷剂通过连接件130在蒸发器110和冷凝器120之间在蒸气状态或液态下循环。

在蒸发器110中包围制冷剂之后，蒸发器110被排空。由此，蒸发器110的内部被始终保持在制冷剂的饱和蒸气压下，并且制冷剂的沸点变成等于室温。因此，当待冷却对象140产生热量并且热量通过基底111被传递到制冷剂时，制冷剂被蒸发并且气泡出现。这时，因为来自待冷却对象140的热量被制冷剂作为蒸发热带走，因此可以避免待冷却对象140的温度上升。蒸发制冷剂流动通过连接件130，在冷凝器120中被冷却和冷凝，并且液态下的制冷剂再次通过连接件130流动进入蒸发器110中。冷却装置100可以在不使用例如为泵的驱动单元的情况下通过制冷剂的前述循环冷却待冷却对象140。

在与制冷剂接触的内壁侧的表面的沸腾表面113上，基底111设有多个凸出部114。例如，凸出部114可以形成为翼片几何结构，并且当在沸腾表面113上产生的制冷剂的气泡经过时，其具有对流传热增强的效果。期望的是将这些凸出部114以间隔布置，在间隔中通过气泡产生的对流传热变得最大化。至于基底111和凸出部114的材料，例如可以使用例如为铝的具有优秀热传导性质的金属。

根据本示例性实施方式的蒸发器110仅仅在由沸腾表面113和凸出部114的表面组成的制冷剂接触表面的一部分上包括气泡核形成表面115。多个气泡核形成于气泡核形成表面115上，并且每一个气泡核都具有带有凸出部和凹进部的凹凸形状，其中每个气泡核都成为制冷剂的气泡的源核。凹凸形状的尺寸的最优值通过考虑例如为制冷剂表面张力的物理特性而被确定。例如，如果绝热和惰性材料氢氟碳化合物、氢氟醚等被用作制冷剂，那么在平均高度法粗糙度下(center line average roughness)气泡核的最佳尺寸在亚微米到数十微米的范围之内。因此，可以通过使用磨粒、喷砂等的机械加工，或者通过例如为电镀的化学处理来形成气泡核。图1说明气泡核形成表面115仅仅被设置在沸腾表面113上的情况。

由此，根据本示例性实施方式的冷却装置100包括构成蒸发器110的基底111的沸腾表面113上的气泡核形成表面115。因此，气泡在沸腾表面113上的产生被激化并且冷却效果被增强。

另外，在根据本示例性实施方式的蒸发器110中，气泡核形成表面115仅仅被设置在凸出部114的表面的一部分上。因此，在凸出部114的表面上产生的气泡减少。因此，可以抑制凸出部114上产生的气泡阻止沸腾表面113上产生的气泡移动的现象。

在此，方案被认为是气泡核形成表面形成于整个凸出部114的表面上以便于增多气泡核的数量，如背景技术中描述的相关蒸发冷却装置那样。由于凸出部114的温度朝向上部远离沸腾表面113急剧降低，因此设置在凸出部114的上部处的气泡核形成表面几乎不帮助产生气泡。也就是说，由于气泡核数量增多而对冷却性能的帮助是小的。因此，即使气泡核形成表面115仅仅被设置在凸出部114的表面的一部分上，气泡核总数的下降也只具有小的影响。

如上所述，根据本示例性实施方式的冷却装置100，可以获得具有冷却性能提高的蒸发冷却系统的冷却装置。

如上所述，凸出部114几乎不帮助产生气泡，并且对在沸腾表面113上产生的气泡的对流的影响在由于设置凸出部114而产生的冷却的影响中变成主导。因此，在根据待冷却对象140产生的热量考虑到气泡的产生量和产生速度的情况下，可以确定凸出部114的间隔以使得通过气泡进行的对流传热可以最大化。例如，如果发热量的值在大约100W范围之内，那么在凸出部114的间隔处于大约0.1mm到大约2mm的范围之内的条件下，可以获得优秀的冷却性能。

如上所述，一旦气泡在凸出部114处出现，在沸腾表面113上上升的气泡的流动就被阻止。如果气泡的流动被阻止，那么蒸发器110的内部压力增大并且保持饱和蒸气压的制冷剂的沸腾温度也升高，因此冷却性能恶化。然而，由于在根据本示例性实施方式的蒸发器110中气泡核形成表面115仅仅被设置在凸出部114的表面的一部分上，因此气泡在凸出部114处的产生被抑制。因此，根据本示例性实施方式，可以避免冷却性能的以上所述的恶化。

接下来，将描述用于制造根据本示例性实施方式的冷却装置100的方法。图2是构成根据本示例性实施方式的冷却装置100中的蒸发器110的基底111的平面图。基底111包括翼片状的凸出部114，其被沿着制冷剂的流入方向(沿图中的箭头的方向)定位。通过沿着制冷剂流动的方向布置凸出部114，流入的制冷剂能够使用对流传热的效果从凸出部114带走热量，而不干扰其流动。为了增强效果，期望的是凸出部114被配置为板状翼片(板翼片)。

根据用于制造本示例性实施方式的冷却装置的方法，可以在一个过程中形成凸出部114和气泡核形成表面，其包括如下所述的一系列步骤。首先，使用模具和模型借助于挤压过程形成带有翼片状凸出部114的基底111。

然后，如图3所示，通过在从模具150挤出的基底111上使用旋转成形单元160形成气泡核形成表面。旋转成形单元160是圆柱状的并且例如为菱形微小颗粒(菱形的浆料)的磨粒162等形成于圆柱的侧表面上。旋转成形单元160还包括侧表面上的槽164，其宽度和深度对应于凸出部114的宽度和高度。

这时，如图4A所示，蒸发器的凸出部114被插入旋转成形单元160的槽164中，并且它们被布置为使得旋转成形单元160的磨粒162可以与凸出部114之间的基底111的表面接触。然后，如图4B所示，通过旋转成形单元160，对应于磨粒162形状的凹凸形状形成于基底111的表面上。可以通过指定磨粒162的尺寸、形状等来任意地确定凹凸形状的尺寸、形状和分布。因此，通过使得气泡核的形状由例如为凹凸形状的表面张力(surface tension)的制冷剂性质来确定，可以在基底111的表面上、即仅仅在沸腾表面上形成气泡核形成表面115(图4C)。即使待使用的制冷剂的种类不同，通过改变磨粒162的尺寸、形状等以适合制冷剂性质，也可以形成包括适于待使用的制冷剂的气泡核。

然后，基底111和容器112通过焊接或者钎焊等被结合以形成蒸发器110。最后，通过使蒸发器110通过连接件130与冷凝器120连接，根据本示例性实施方式的冷却装置100完成。

在如上所述的用于制造冷却装置的方法中，已经描述了通过使用磨粒162形成于其上的旋转成形单元160来形成气泡核形成表面115的情况。然而，其并不限于此，如图5所示，使用具有对应于气泡核的凹凸形状的机加工结构172的机加工模具170也是可以接受的，所述机加工结构172被设置在用于挤出方法和形成基底111的模具的一部分处。

在描述于背景技术中的相关蒸发冷却装置中，由喷丸处理实现的粗糙化处理在蒸发器中遍布内壁侧的表面进行。然而，如果例如为蚀刻、电镀和喷砂的粗糙化处理在形成凸状部分(凸出部)之后利用蒙版过程(masking process)来进行，那么由于制造步骤增加，所以生产成本增加。

相反，根据用于制造本示例性实施方式的冷却装置的方法，由于可以在与形成凸出部的过程相连的一个过程中或者在与其相同的过程中进行粗糙化处理、即形成气泡核形成表面115，因此可以抑制生产成本的增加。

[第二示例性实施方式]

接下来，将描述根据本发明的第二示例性实施方式。图6是示出了根据本发明的第二示例性实施方式的冷却装置200的配置的横截面视图。根据本示例性实施方式的冷却装置200包括存储制冷剂的蒸发器210、使在蒸发器210中蒸发的蒸气状态的制冷剂冷凝和液化并且辐射热量的冷凝器120、以及连接蒸发器210和冷凝器120的连接件130。

在设置于蒸发器210中的气泡核形成表面215的配置方面，根据本示例性实施方式的冷却装置200与第一示例性实施方式的冷却装置100不同。也就是说，如图6所示，根据本示例性实施方式的蒸发器210被配置成仅仅在凸出部214的侧表面和沸腾表面113中的一个上包括气泡核形成表面215。其它配置与第一示例性实施方式中的配置相同，因此，描述从略。

如上所述，在根据本示例性实施方式的冷却装置200中，气泡核形成表面215被设置在构成蒸发器210的基底211的沸腾表面113上。因此，气泡在沸腾表面113上的产生被激化并且冷却效果被增强。

此外，在根据本示例性实施方式的蒸发器210中，气泡核形成表面215被设置在凸出部214的侧表面中的一个上。因此，从凸出部214的表面上升的气泡减少。结果，可以抑制凸出部214上产生的气泡阻止沸腾表面113上产生的气泡移动的现象。如上所述，根据本示例性实施方式的冷却装置200，可以获得具有冷却性能提高的蒸发冷却系统的冷却装置。

接下来，将描述用于制造根据本示例性实施方式的冷却装置200的方法。图7是说明用于制造根据本示例性实施方式的冷却装置200的方法的横截面视图。在本示例性实施方式中，首先，粗糙化处理遍及沸腾表面的表面进行，并且因此凹凸形状形成，所述表面是与构成存储制冷剂的蒸发器的基底211中的制冷剂接触的内壁侧的表面。通过使得气泡核的形状由例如为凹凸形状的表面张力的制冷剂性质来确定，气泡核形成于遍及沸腾表面的表面上。例如，可以使用例如为防蚀铝处理和喷砂的表面处理或例如为电镀过程的化学过程以用于粗糙化处理。

接下来，如图7所示，基底211的一部分借助于使用在冲压过程等当中的机加工刀片280被切开并且从沸腾表面侧升高，并且因此凸出部214被形成，其中粗糙化处理在侧表面的一侧进行。结果，可以仅仅在凸出部214的侧表面和底表面的沸腾表面113中的一个上形成气泡核形成表面215。

然后，如第一示例性实施方式那样，基底211和容器112通过焊接或者钎焊等结合以形成蒸发器210。最后，通过使蒸发器210通过连接件130与冷凝器120连接，根据本示例性实施方式的冷却装置200完成。

根据用于制造本示例性实施方式的冷却装置的方法，由于蒙版过程在粗糙化处理中变得不必要，并且此外可以形成气泡核形成表面215而不增加任何特定的设备，因此可以抑制生产成本增加。

本发明不限于以上示例性实施方式，并且可以在权利要求所描述的本发明的范围内作出各种改变。很明显，这些变化形式也包括在本发明的范围内。

本申请以2010年10月19日提交的日本专利申请No.2010-234359为基础并且要求其优先权，其公开内容通过引用整体结合于本文中。

附图说明

100、200  冷却装置

110、210  蒸发器

111、211  基底

112       容器

113       沸腾表面

114、214  凸出部

115、215  气泡核形成表面

120       冷凝器

130       连接件

140       待冷却对象

150       模具

160       旋转成形单元

162       磨粒

164       槽

170       机加工模具

172       机加工结构

280       机加工刀片

310       蒸发器

313       沸腾表面

314       凸状部分

315       气泡核

316       内壁

Claims (10)

1.一种冷却装置，其包括：

存储制冷剂的蒸发器；

使在所述蒸发器中蒸发的蒸气状态的制冷剂冷凝和液化并且辐射热量的冷凝器；以及

连接所述蒸发器和所述冷凝器的连接件；

其中所述蒸发器包括与待冷却对象热接触的基底以及容器；

在与制冷剂接触的内壁侧的表面的沸腾表面上，所述基底包括多个凸出部；以及

气泡核形成表面仅仅被包括在包括所述沸腾表面和所述凸出部的表面的制冷剂接触表面的一部分上。

2.根据权利要求1所述的冷却装置，

其特征在于，所述气泡核形成表面仅仅被包括在所述沸腾表面上。

3.根据权利要求1所述的冷却装置，

其特征在于，所述气泡核形成表面仅仅被包括在所述沸腾表面和所述凸出部的侧表面的一部分上。

4.根据权利要求1、2和3中的任一项所述的冷却装置，

其特征在于，所述气泡核形成表面包括多个气泡核，其中每一个气泡核都变成用于制冷剂的气泡的源核；以及

每一个气泡核都包括尺寸通过制冷剂性质被确定的凹凸形状。

5.根据权利要求1、2、3和4中的任一项所述的冷却装置，

其特征在于，所述多个凸出部以间隔被设置，以所述间隔通过制冷剂的气泡产生的对流传热变得最大化。

6.一种用于制造冷却装置的方法，其包括以下步骤：

在由存储制冷剂的蒸发器所包括的基底中的、与制冷剂接触的内壁侧处的表面的沸腾表面上形成多个凸出部；

仅仅在包括所述沸腾表面和所述凸出部的表面的制冷剂接触表面的一部分上形成气泡核形成表面；

通过将所述基底结合到容器上来形成所述蒸发器；以及

将所述蒸发器连接到冷凝器上，所述冷凝器使在所述蒸发器中蒸发的蒸气状态的制冷剂冷凝和液化并且辐射热量。

7.根据权利要求6所述的用于制造冷却装置的方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过使用挤出方法形成所述凸出部；

通过使用旋转成形单元形成所述气泡核形成表面；

其中，所述旋转成形单元在圆柱的侧表面上包括宽度和深度对应于所述凸出部的宽度和高度的槽，并且磨粒形成于所述侧表面上；

布置所述旋转成形单元以使得所述磨粒能够与所述凸出部之间的基底的表面接触，并且通过旋转所述旋转成形单元在所述基底的表面上形成具有对应于磨粒形状的凹凸形状的气泡核形成表面；以及

以连续的过程进行形成所述凸出部的步骤和形成所述气泡核形成表面的步骤。

8.根据权利要求6所述的用于制造冷却装置的方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过使用挤出方法形成所述凸出部；

使用具有对应于气泡核的凹凸形状的机加工结构的机加工模具，所述机加工结构被设置在用于挤出方法和形成所述基底的模具的一部分处；以及

以连续的过程进行形成所述凸出部的步骤和形成所述气泡核形成表面的步骤。

9.根据权利要求6、7和8中的任一项所述的用于制造冷却装置的方法，

其特征在于，所述气泡核形成表面包括多个气泡核，其中每个气泡核都变成用于制冷剂的气泡的源核；以及

每一个气泡核都包括尺寸通过制冷剂性质被确定的凹凸形状。

10.一种用于制造冷却装置的方法，其包括以下步骤：

在由存储制冷剂的蒸发器所包括的基底中的、与制冷剂接触的内壁侧处的表面的沸腾表面上进行粗糙化处理；

形成包括尺寸通过制冷剂性质被确定的凹凸形状的气泡核；

通过从沸腾表面侧切开并升高所述基底的一部分形成凸出部；

通过将所述基底结合到容器上来形成所述蒸发器；以及

将所述蒸发器连接到冷凝器上，所述冷凝器使在所述蒸发器中蒸发的蒸气状态的制冷剂冷凝和液化并且辐射热量。

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