CN103717037B

CN103717037B - 冷却系统以及使用了该冷却系统的电子装置

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Publication number: CN103717037B
Application number: CN201310357655.XA
Authority: CN
Inventors: 近藤义广; 武田文夫; 藤本贵行
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2013-08-16
Publication date: 2017-04-26
Anticipated expiration: 2033-08-16
Also published as: JP2014072265A; US20140090814A1; CN103717037A

Abstract

本发明涉及冷却系统以及使用了该冷却系统的电子装置，特别是，其课题在于，作为冷却系统而利用热虹吸，并且导出相对于制冷剂的差异的沸腾导热面的最佳形状(散热片间的间隙、散热片高度、散热片上端孔直径)。在本发明中，在利用了热虹吸的冷却系统中，根据相对于各种制冷剂在过热液中生成的蒸气泡的临界半径与来自导热面的气泡脱离直径，来确定构成冷却系统的受热罩的沸腾导热面的最佳形状(散热片间的间隙、散热片高度、散热片上端孔直径)。

Description

冷却系统以及使用了该冷却系统的电子装置

技术领域

本发明涉及在其箱体内部搭载多个CPU等发热源的电子装置的冷却系统以及使用了该冷却系统的电子装置。

背景技术

近年来，在以服务器等为代表的电子装置中，基于处理速度的提高等而进行如下操作：将中央处理装置(CPU)等、所谓的半导体搭载在电路基板上搭载多个，然后将上述电路基板与多个硬盘装置等一并高密度地搭载在箱状的架台内。

然而，上述CPU等半导体设备通常在超过规定的温度时无法实现其性能的维持，有时也会发生损坏。因此，需要基于冷却等的温度管理，急迫寻求使发热量增大的半导体设备高效地冷却的技术。

在这样的技术背景下，在用于冷却发热量增大的半导体设备(CPU等)的冷却装置中，要求能够将上述半导体设备高效地冷却的、高性能的冷却能力。需要注意的是，以往，在服务器等电子仪器中，通常较多采用空冷式的冷却装置，然而，从上述状况来看，该空冷式已经接近极限，因此，期待新方式的冷却系统，作为其中之一，例如利用水等制冷剂的冷却系统引人注目。

需要注意的是，作为与本发明相关的以往技术，例如在专利文献1中表示冷却用散热片的结构，示出了若将低沸点制冷剂理解作水，则散热片高度为0.1～1.0mm且由散热片间距进行换算时散热片间的间隙为0.06～0.6mm的结构。

此外，在专利文献2中，在电脑的CPU冷却用导热管中，示出散热片间的间隙为0.1～0.35mm且散热片上部孔直径为0.09～0.3mm、散热片高度为0.05mm～0.3mm的结构。

此外，在专利文献3中是散热片上部孔直径为0.2mm的结构。

另外，在专利文献4中，示出散热片间距离为脱离气泡径的两倍以上，散热片高度为脱离气泡径的1～3.4倍的结构。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平10-173115公报

专利文献2：日本特开2010-256000公报

专利文献3：日本特开2011-047616公报

专利文献4：日本特开2010-050326公报

发明的概要

发明要解决的课题

在上述的以往技术中，在专利文献1中，没有散热片上部直径的记载，并且，在专利文献2中形成散热片高度为0.05～0.3mm的较小形状，没有考虑沸腾导热面的最佳形状。此外，在专利文献1～4中，没有提及与制冷剂的不同相对的沸腾导热面的最佳形状(散热片间的问隙、散热片高度、散热片上端直径)，没有考虑沸腾导热面的最佳形状。

发明内容

用于解决课题的手段

为了解决上述课题，本发明提供一种冷却系统，在具备沸腾部与冷凝部、连结所述沸腾部与所述冷凝部的蒸气导管、液导管、以及受热罩的冷却系统中，其特征在于，使构成为所述受热罩的沸腾导热面的散热片的散热片上部孔直径、散热片间的间隙以及散热片高度的形状最佳化。

此外，为了解决上述课题，本发明提供一种电子装置，电子装置具备冷却系统，该冷却系统具有沸腾部与冷凝部、连结所述沸腾部与所述冷凝部的蒸气导管以及液导管，其特征在于，具备对电子装置内的设备进行冷却的多个冷却风扇，所述冷凝部通过所述多个冷却风扇来进行冷却。

发明效果

根据本发明的结构，能够实现相对于制冷剂的沸腾的沸腾核脱离与液体流入的顺畅流动，因此能够提高导热性能。

此外，根据本发明的结构，在发热量相对较大、制冷液的封入量增加而导热面充分浸渍于制冷液的池沸腾中，也能够实现液体流入的顺畅流动，能够提高导热性能。

附图说明

图1是表示本发明的一实施方式的利用了热虹吸的冷却系统的整体概略结构的剖视图。

图2是用于表示本发明的一实施方式的构成利用了热虹吸的冷却系统的受热罩的详细构造的、包含局部剖面在内的放大立体图。

图3是本发明中的构成利用了热虹吸的冷却系统的气化促进板的剖面立体图。

图4是本发明中的气化促进板的空腔部的蒸气泡生成时的剖视图。

图5是本发明中的构成利用了热虹吸的冷却系统的气化促进板的散热片间的间隙狭窄的情况下的蒸气泡生成时的剖视图。

图6是气化促进板的散热片间的间隙较宽的情况下的蒸气泡生成时的剖视图。

图7是在本发明中的制冷剂为水的情况下，表示散热片间的间隙狭窄的情况下的与散热片间的间隙相对的蒸气高度或者散热片高度的变化的图表。

图8是作为适用本发明的利用了热虹吸的冷却系统的电子装置的一个例子、表示搭载于架台的服务器的整体构造的立体图。

图9是为了表示服务器箱体内的内部构造的一个例子、表示将其盖体拆卸下的状态的立体图。

图10是用于说明服务器箱体内的冷却系统的配置状态的俯视图。

附图标记说明：

1...架台，2...架台箱体，3、4...盖体，5...服务器箱体，10...散热片间的间隙，11...散热片高度，12...散热片上端孔，13...空腔部，14...基座，15...蒸气泡，16...接触角，100...电路基板，200...CPU，300...冷却系统，310...受热罩，313、313’...气化促进板，320...冷凝器，321、322...联管箱，323...扁平管，G...微小的槽，324...偏置散热片，331、332...配管(蒸气管、回液管)，400...冷却风扇

具体实施方式

以下，使用附图对本发明的实施方式进行详细说明。

实施例1

图1是表示利用了热虹吸的冷却系统的整体构造，在图中，在电路基板100的表面上例如搭载CPU等、作为发热源的半导体设备200。然后，在该半导体设备200的表面上安装有受热罩310，该受热罩310构成本发明的利用了热虹吸的冷却系统300的一部分。更具体来说，在半导体设备200的表面上，为了确保与受热罩310的优良热接合，涂敷所谓的导热润滑脂210，并且使上述受热罩310的底面与其表面接触，利用螺钉(未图示)等固定工具进行固定。需要注意的是，以下对冷却系统300的详细构造进行说明，该冷却系统300具备上述受热罩310，并且具备包括散热器的冷凝器320，并且在这些设备之间，安装一对配管331、332，并且将其内部保持为大气压的大致1/10左右的减(低)压状态。

上述受热罩310构成沸腾部，上述冷凝器320构成冷凝部，并且，也如以下说明那样，构成利用作为液体制冷剂的水的相变化、且不使用电动泵等的外部动力就能够使该制冷剂液进行循环的、所谓热虹吸。

即，在利用上述热虹吸的冷却系统中，由作为发热源的半导体设备200产生的热量经由导热润滑脂210向作为沸腾部的受热罩310进行传递。其结果，在该沸腾部处，利用传递来的热量使作为液体制冷剂的水(Wa)在减压下进行沸腾而蒸发，将产生的蒸气(ST)从受热罩310通过一方的配管331向冷凝器320进行引导。然后，在该冷凝部中，制冷剂蒸气例如如图所示通过由冷却风扇400等进行送风的空气(AIR)来冷却，并且成为液体(水)，之后在重力的作用下，穿过另一方的配管332而再次向上述受热罩310返回。

在此，在附图2中，表示上述受热罩310的详细构造，也如图所示，该受热罩310在例如由铜等导热率优良的金属板构成的矩形的底板311的上部，承载将铜或者不锈钢等金属呈碗状收敛形成的盖体312，将其周边部例如通过加压焊接等进行接合。然后，由图可知，在上述底板311的上表面安装矩形板状的气化促进板313，并且在盖体312的上部与侧壁面上分别形成贯通孔，上述一对配管331、332各自与上述贯通孔进行连接。

此外，具备该多孔构造面的气化促进板313在不使液状制冷剂枯竭的前提下发挥稳定的蒸发性能(气化性能)，而且在输入热量较少时浸入液状制冷剂而填充多孔质的孔，在输入热量较大时将填充孔的液状制冷剂蒸发而使其减少，因此在多孔质内部中制冷剂液膜较薄的部分增加，因此进一步促进蒸发，形成散热性能增加的状态而增大热输送量。即，在由于输入热量的增大而与温度相关地促进蒸发之外，也与蒸气量的增加相关地促进蒸发，因此输入热量越大而热输送量越大幅地增加且提高效率。

需要注意的是，上述气化促进板313通过焊接等安装在构成上述受热罩310的底板311的内壁侧，然而，在本发明中，并不限定于上述结构，也可以将上述的多孔构造面直接形成在构成上述底板311的铜板的内壁面。

在图3中表示气化促进板313的剖面立体图。在气化促进板313中具有无数个空腔部13，该空腔部13由具有散热片间的间隙10、散热片高度11以及散热片上端孔12的几何形状的散热片构成。气化促进版313的散热片间的间隙10的基座部14所生成的蒸气泡向散热片高度11的垂直方向移动，从散热片上端孔12释放出。另外，由于通过释放出的蒸气泡使该空腔部13的压力下降，因此从其他散热片上端孔12使制冷剂向该空腔部13流入。通过重复该一系列的动作，确保导热性能的稳定性，能够保持高导热性能。此外，当停止计算机等的运转且不产生发热时，该一系列的动作停止。在这种情况下，能够通过散热片上端孔12将蒸气泡保持在该空腔部13之中，因此在接下来使计算机等运转的情况下，发热并且顺畅地产生沸腾，因此能够抑制在沸腾生成时容易产生的急剧的温度上升。接下来，对该空腔部13的蒸气泡生成时进行说明。

在图4中表示气化促进板313的空腔部13的蒸气泡15生成时的剖视图。利用蒸气泡15与导热面间的表面张力，通过某一接触角16来生成蒸气泡15。这种情况下的蒸气泡15的半径为r。此外，蒸气泡15与导热面处的界面的半径为r’。

在此，对过热液中生成的蒸气的临界径与来自导热面的气泡脱离径进行说明。首先，能够将过热液中生成的水蒸气的临界径借助表面张力σ、饱和温度Tsat、饱和蒸气密度ρv、蒸发潜热L1v(1表示liquid。以下相同)、过热度ΔTsat如下式那样进行表示。

r＝2·σ·Tsat/(ρv·L1v·ΔTsat)

在水的情况下，当考虑为表面张力σ：69.4mN/m、饱和温度Tsat：318K、饱和蒸气密度ρv：65.6×10^-3kg/m³、蒸发潜热L_1v：2392kJ/kg、过热度ΔTsat：3K时，r＝94μm，直径为200μm左右。

另一方面，在作为不活泼性制冷剂的代表例而使用住友3M社制的HFE7000(商标名)的情况下，当考虑为表面张力σ：12.4mN/m、饱和温度Tsat：318K、饱和蒸气密度ρv：14kg/m³、蒸发潜热L1v：142kJ/kg、过热度ΔTsat：3K时，r＝1.3μm，直径为3μm左右。

上述直径是图4的散热片上端孔12左右，从而能够进行蒸气泡的顺畅脱落与发热停止时的蒸气泡(沸腾核)的可靠保持。但是，当考虑沸腾导热面的散热片的加工时，100μm左右是妥当的，住友3M社制的HFE7000(产品名)的情况下散热片上端孔径为100μm以下。此外，在水的情况下，也考虑到散热片加工性，使散热片上端孔为0.15～0.25mm左右是最佳的。

另外，来自导热面的气泡脱离直径借助接触角θ、表面张力σ、重力加速度g、蒸气密度ρv、液体密度ρ1(1表示liquid。以下相同)能够如下式那样进行表示。

db＝0.0209·θ(σ/(g·(ρ1-ρv)))^1/2

在水的情况下，当考虑为接触角θ：38°、表面张力σ：69.4mN/m、重力加速度g：9.8m/s²、蒸气密度ρv：65.6×10^-3kg/m³、液体密度ρ1：1×10³kg/m³时，

成为db＝2.2mm左右。

另一方面，与上述相同，作为不活泼性制冷剂的代表例而使用住友3M社制的HFE7000(产品名)的情况下，当考虑为接触角θ：1°、表面张力σ：12.4mN/m、重力加速度g：9.8m/s²、蒸气密度ρv：14kg/m³、液体密度ρ1：1400kg/m³时，

成为db＝0.02mm左右。

通过使这些直径为图4的散热片间的间隙10左右，能够进行蒸气泡的顺畅脱落，但从导热面脱离后的蒸气泡变化为在上述过热液中生成的蒸气的临界径。因而，为了使蒸气泡15可靠地保持在散热片间的空腔部，使图4的散热片间的间隙10为散热片上端孔的两倍左右。即，在制冷剂为水的情况下，为0.3～0.5mm，在制冷剂是住友3M社制的HFE7000(产品名)的情况下0.2mm以下成为散热片间的间隙10的最佳值。

实施例2

另外，对沸腾导热面的高度进行说明。脱离的蒸气泡15如图5、图6所示，基于散热片间的间隙10的大小而形成不同形状。图5是构成利用了热虹吸的冷却系统的气化促进板的散热片间的间隙狭窄的情况下的蒸气泡生成时的剖视图，形成与散热片接触，蒸气泡15沿着散热片间而成为较长形状。

实施例3

另一方面，图6是气化促进板的散热片间的间隙较宽的情况下的蒸气泡生成时的剖视图，未与散热片接触，蒸气泡15脱离。在本发明中，为了提高导热性能，以增大散热片面积为目的而使散热片间的间隙10变得狭窄。即，以散热片间的间隙狭窄的情况下的图5为对象进行说明。考虑到蒸气泡的浮力与蒸气泡的表面张力的平衡，借助蒸气泡体积V、重力加速度g、蒸气密度ρv、液体密度ρ1、蒸气泡15与导热面处的界面的半径r’、表面张力σ、接触角θ以及表面粗糙度系数K，能够如下式那样进行表示。

V·g·(ρ1-ρv)＝2·π·r’·σ·sinθ·K

在此，表面粗糙度系数K在切起或挤压、拉拔成形的切削面处为0.3，在研磨的镜面处为1。散热片的情况下使用前者的0.3。

实施例4

接下来，在图7中制冷剂为水的情况下，表示散热片间的间隙狭窄的情况下的相对于散热片间的间隙的蒸气高度或者散热片高度的变化。在制冷剂为水的情况下，如上所述，在散热片间的间隙的最佳值为0.3～0.5mm时，散热片高度的最佳值为0.75～1.2mm左右。另一方面，在制冷剂为住友3M社制的HFE7000(产品名)的情况下，如图7那样虽未图示，气泡脱离直径较小，因此也可以降低散热片高度。当考虑沸腾导热面的加工性时，0.2mm以下为最佳值。

实施例5

接着，以下，参照添加的图8～图10对使用利用了上述热虹吸的冷却系统的电子装置所采用的例子进行详细说明。

首先，在添加的图8中，作为构成本发明的、利用了热虹吸的冷却系统所适用的电子装置的代表例，示出了服务器、特别是在架台上搭载多个的服务器的外观立体图。在图中，架台1包含箱体2与盖体3、4(附图标记3是表门，附图标记4是里门)，在其内部中，装卸自如地设有以规定的形状·尺寸形成的多个服务器箱体5。

在上述多个服务器箱体5的各自内部中，通常例如图9以及图10所示，考虑到其维护性，在一方的面(在本例中是图的右侧所示的前表面侧)上设有多个(在本例中为三个)大容量的作为记录装置的硬盘驱动器51，在其后方，仍然在箱体内安装有用于对构成发热源的上述硬盘驱动器进行空冷的多个(在本例中为四个)冷却风扇52。然后，在与服务器箱体5的另一方的面之间(即、后方的空间)，与冷却风扇53一并设置收纳有作为电源、通信机构的接口的LAN等的块54，另外在其剩余的空间中，配置有在其表面上搭载有多个(在本例中为两个)作为发热源的CPU200的电路基板100。需要注意的是，该图9的立体图表示拆卸去该盖体的状态。

然后，如该图可知，在各CPU200上分别设有利用了上述本发明的热虹吸的冷却系统300。即，上述受热罩310的底面与CPU200的表面借助涂敷在其之间的导热润滑脂进行接触，并且确保优良的热接合。然后，根据本发明，具备构成冷却系统300的偏置散热片的冷凝器320配置在用于对上述硬盘驱动器进行空冷的四个冷却风扇52的背后。即，构成冷却系统的冷凝器320沿着利用冷却风扇52从外部供给来的空气(冷却风)的通路排列配置。即，具备偏置散热片的冷凝器320以与上述冷却风扇52的列平行排列的方式进行安装。

这样，在上述的电子装置的构造中，将作为组装在该箱体5内的其他装置的冷却机构的冷却风扇52用作(或者共用作)构成本发明的利用了热虹吸的冷却系统300的冷凝器320的冷却机构(散热器)。根据该结构，无需专用的冷却风扇，换言之，利用比较简单且廉价、并且也不需要用于液体驱动的泵动力而节能性优良的冷却系统，能够将箱体内的作为发热源的CPU200高效且可靠地冷却。此外，通过使用本发明的利用了热虹吸的冷却系统300，则换热效率比较高，并且利用该相对简单的构造，即使在要求高密度安装的服务器等电子装置中，也能够实现自由度较高的配置。

此外，由上述图可知，构成冷却系统300的冷凝器320各自配置为覆盖多个(在本例中为两个)冷却风扇的排气面。需要注意的是，根据本发明的结构，即使任一台冷却风扇因故障而停止，也能利用由剩余的冷却风扇产生的冷却风来继续冷凝器320的冷却，即，能够确保备用性，因此作为电子装置的冷却系统的构造是理想的。此外，特别是如图10中用圆圈围成的结构中所示，通过使用于将受热罩310内所产生的制冷剂蒸气向冷凝器320引导的蒸气管331向联管箱的安装位置，靠近与作为散热器的冷凝器对置的面积较小的冷却风扇(在图10中的四台纵向排列的冷却风扇52的从下数第二台)的一侧，则对于任一台冷却风扇因故障而停止的情况，能够进一步提高其备用性。

在本例中相对于两个热虹吸的冷凝部而使用三个冷却风扇，相对于一个冷凝部而对应1.5个冷却风扇。此时，在冷却风扇中的一个停止的情况下，仅利用剩余的0.5个风扇进行冷却，形成与热虹吸冷凝部的散热器的2/3的部分不能进行散热相同的状况。在服务器系统中直到紧急情况的系统正常结束为止而需要一定程度时间，因此在此期间必须确保冷却性能。在以往的水冷方式的散热器中，在散热器整体中均匀地流动制冷剂，因此若将有效的散热面积减少2/3，则那部分制冷剂的冷却性能降低，该冷却性能降低的量直接导致CPU的温度上升。然而，在热虹吸的系统中，在散热器的不进行散热的部分中不能冷凝蒸气，其结果是将蒸气集中到冷却的剩余部分。集中于一部分的蒸气的流速较高，因此冲击扁平管内的液膜而有助于冷凝性能的提高。此外，在本例的热虹吸中，具有如下性质：蒸气容易较多流动到与向冷凝部供给蒸气的配管331接近的扁平管323中，利用该特征而使蒸气管331向联管箱的安装位置靠近与作为散热器的冷凝器对置的面积较小的冷却风扇侧，从而能够进一步抑制冷却风扇一台停止时的散热性能的降低。因此，通过利用热虹吸而能够以更少的风扇台数来确保备用性。

Claims

1.一种冷却系统，其具备沸腾部与冷凝部、连结所述沸腾部与所述冷凝部的蒸气导管、液导管、以及受热罩，

所述冷却系统的特征在于，

由表面张力σ、饱和温度Tsat、饱和蒸气密度ρv、蒸发潜热Llv、过热度ΔTsat计算出过热液中生成的水蒸气的临界径，

由接触角θ、表面张力σ、重力加速度g、蒸气密度ρv、液体密度ρl计算出来自导热面的气泡脱离直径，

由蒸气泡体积V、重力加速度g、蒸气密度ρv、液体密度ρl、蒸气泡与导热面处的界面的半径r’、表面张力σ、接触角θ以及表面粗糙度系数K计算出蒸气泡的浮力与蒸气泡的表面张力的平衡，

根据所述在过热液中生成的蒸气的临界径与所述来自导热面的气泡脱离直径、以及所述蒸气泡的浮力与蒸气泡的表面张力的平衡，

使构成为所述受热罩的沸腾导热面的散热片的散热片上部孔直径、散热片间的间隙以及散热片高度的形状最佳化，

过热液中生成的水蒸气的临界径如下式那样进行表示：

r＝2·σ·Tsat/(ρv·Llv·ΔTsat)，

来自导热面的气泡脱离直径如下式那样进行表示：

db＝0.0209·θ(σ/(g·(ρl-ρv)))^1/2，

蒸气泡的浮力与蒸气泡的表面张力的平衡如下式那样进行表示：

V·g·(ρl-ρv)＝2·π·r’·σ·sinθ·K。

2.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，

在制冷剂为纯水的情况下，散热片上部孔直径为0.15～0.25mm左右，散热片间的间隙为0.3～0.5mm左右，散热片高度为0.75～1.2mm左右，在制冷剂为氟利昂类制冷剂的情况下，散热片上部孔直径为0.1mm以下，散热片间的间隙为0.2mm以下，散热片高度为0.2mm以下。

3.一种电子装置，其中，

搭载有权利要求1或2所述的冷却系统。

4.根据权利要求3所述的电子装置，其特征在于，

具备对电子装置内的设备进行冷却的多个冷却风扇，

所述冷凝部通过所述多个冷却风扇来进行冷却。

5.根据权利要求4所述的电子装置，其特征在于，

所述蒸气导管向所述冷凝部的安装位置配置在与所述冷凝部对置的面积小的冷却风扇的一侧。

6.根据权利要求4或5所述的电子装置，其特征在于，

多个所述冷凝部通过一个冷却风扇来进行冷却。