CN104576571A - 相变模块以及搭载该相变模块的电子仪器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种能够利用热虹吸来实现冷却系统的节能与小型化的作为冷却系统的相变模块、以及适于搭载所述的相变模块的电子仪器装置。本发明中的相变模块以及搭载该相变模块的电子仪器装置中，该相变模块包括：一个护套外壳，其在发热体之上设置沸腾导热面，并且安装有该沸腾导热面；散热器外壳，其安装有在与发热体分离的位置处设置的散热片(散热器)；以及连结板，其将该护套外壳与该散热器外壳连结起来，该相变模块采用在该连结板上的上述护套外壳与上述散热器外壳重叠的位置处设有孔的结构。

Description

相变模块以及搭载该相变模块的电子仪器装置
技术领域
本发明涉及服务器、存储装置、网络设备等的在壳体内部搭载CPU等发热源的电子装置的冷却系统，尤其是涉及能够利用热虹吸来实现冷却系统的节能与小型化的作为冷却系统的相变模块、以及适于搭载所述相变模块的电子仪器装置。
背景技术
近年来，在以服务器等为代表的电子装置中采用如下所述的结构，即，为了提高处理速度等而将中央处理装置(CPU)等所谓的半导体器件多个搭载于电路基板上，而且，将所述电路基板与多个硬盘装置等一并高密度地搭载于箱状的架内。
然而，上述的CPU等半导体器件通常在超过规定的温度时，不仅无法实现其性能的维持，还根据情况而有时发生破损。因此，需要基于冷却等的温度管理，并且强烈谋求将发热量增大的半导体器件高效地冷却的技术。
在上述那样的技术背景中，针对用于冷却发热量增大的半导体器件(CPU等)的冷却装置而言，要求能够高效地冷却所述半导体器件的高性能的冷却能力。需要说明的是，一直以来，在服务器等电子仪器中，通常大多采用空冷式的冷却装置，然而，根据上述状况来看，已然接近极限，因此，期待新方式的冷却系统，作为其中之一，例如，利用了水等制冷剂的冷却系统引人注目。
需要说明的是，作为与本发明相关的现有技术，例如，在以下的专利文献1中公开了如下所述的结构：用于冷却半导体元件等，具有与发热体相接的受热壁的沸腾部与具有散热片的散热部形成为一体而重叠构成，该重复部设有制冷剂蒸汽的流路和变凉的液体制冷剂的流路。另外，在专利文献2中公开了如下所述的结构：在由两块平板围起的容器内利用制冷剂使单侧的板的外壁面的发热体沸腾，并利用散热片的散热部来冷却，蒸发部与散热部连续，蒸汽流路部与回液流路部也形成为一体。另外，在专利文献3中公开了如下所述的结构：在由散热器构成的半导体元件等用冷却装置中，蒸发部外壳与冷凝部外壳在横向上不重复地连结，蒸汽流路部与回液流路部分别设置。此外，在专利文献4中公开了如下所述的结构：安装有半导体元件的沸腾部与在外壁上安装有散热片的冷凝部在纵向上分离连结，蒸汽流路部与回液流路部形成为一体。另外，在专利文献5中公开了如下所述的结构：在半导体元件冷却装置中，从发热体受热的蒸发部与带有散热片的冷凝部由隔热部纵列连接，在隔热部内将蒸汽流路部与回液流路部分离。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2002-164486公报
专利文献2：日本特开2012-237491公报
专利文献3：日本特开2004-132555公报
专利文献4：日本特开2000-091482公报
专利文献5：日本特开平07-030023公报
发明要解决的课题
在上述的现有技术中，在专利文献1～专利文献5中，蒸发部与冷凝部的重叠情况下的结构变得不明确，没有提及也没有考虑到使支配相变的导热性能的大小的蒸汽流和回液流彼此不产生影响的构造。
发明内容
为了解决上述课题，本发明的相变模块的特征在于，相变模块具有：护套外壳，其在发热体之上设置沸腾导热面，并安装有该沸腾导热面；散热器外壳，其安装有在与发热体分离的位置设置的散热片；以及连结板，其将该护套外壳与该散热器外壳连结起来，在该连结板上的上述护套外壳与上述散热器外壳重叠的位置处开孔。
此外，本发明的相变模块的特征在于，在所述连结板处设置的孔具备蒸汽通过用孔和回液通过用孔。
此外，本发明的相变模块的特征在于，所述回液通过用孔设置在比上述蒸汽通过用孔靠近散热片一侧。
此外，本发明的相变模块的特征在于，该相变模块具备多个所述沸腾导热面和一个散热片。
此外，本发明的相变模块的特征在于，在所述连结板上具备芯件。
此外，本发明的相变模块的特征在于，在所述连结板上具备用于将所述连结板安装于所述发热体构件的安装用孔。
此外，本发明的相变模块的特征在于，在所述蒸汽通过用孔处具备蒸汽喷出引导板，在回液通过用孔处具备回液引导板。
此外，本发明的相变模块特征在于，在所述护套外壳上具备多个所述沸腾导热面。
此外，本发明的相变模块特征在于，在所述连结板上设有翅片。
另外，为了解决上述课题，本发明的电子仪器装置的特征在于，所述电子仪器装置搭载有如下所述的相变模块，该相变模块具有：护套外壳，其在发热体之上设置沸腾导热面，并安装有该沸腾导热面；散热器外壳，其安装有在与发热体分离的位置设置的散热片；以及连结板，其将该护套外壳与该散热器外壳连结起来，在该连结板上的上述护套外壳与上述散热器外壳重叠的位置处开孔，通过向所述散热器外壳吹风来冷却所述发热体。
此外，本发明的电子仪器装置的特征在于，利用多个冷却风扇向所述散热器外壳吹风。
此外，本发明的电子仪器装置的特征在于，具备多个相变模块，利用多个冷却风扇向多个所述散热器外壳吹风。
此外，本发明的电子仪器装置的特征在于，利用冷却所述发热体以外的构件的冷却风扇来向所述散热器外壳吹风。
发明效果
根据上述本发明的结构，相变模块以及搭载有该相变模块的电子仪器装置中，能够以沸腾导热面、护套外壳、散热器外壳、翅片与连结板的最小部件结构来实现相变模块，从而实现热虹吸的低成本化。
另外，根据上述本发明的结构，相变模块以及搭载有相变模块的电子仪器装置即便不具备新的冷却风扇、也能够高效且可靠地进行冷却。
附图说明
图1是从本发明的一实施方式的利用热虹吸的相变模块周围的侧面观察的整体构造图。
图2是上述相变模块的俯视图。
图3是从上述相变模块的受热护套侧观察的主视图。
图4是作为本发明的另一实施例的提高受热允许量的相变模块的侧视图，是气化促进板的空洞部的蒸汽泡生成时的剖视图。
图5是作为本发明的另一实施例的考虑到安装于半导体器件的相变模块的侧视图。
图6是作为本发明的另一实施例的促进蒸汽流、回液流的相变模块的侧视图。
图7是作为本发明的另一实施例的对两个串联配置的半导体器件进行冷却的相变模块的侧视图。
图8是作为本发明的另一实施例的对两个串联配置的半导体器件进行冷却的相变模块的俯视图。
图9是作为本发明的另一实施例的对两个并列配置的半导体器件进行冷却的相变模块的侧视图。
图10是作为本发明的另一实施例的对两个并列配置的半导体器件进行冷却的相变模块的俯视图。
图11是作为应用本发明的利用了热虹吸的相变模块的电子装置的代表例而举出服务器、尤其是在架上搭载多个服务器的外观立体图。
图12是为了示出上述服务器壳体内的内部构造的一例而示出将其盖体拆下后的状态的立体图。
图13是用于说明上述服务器壳体内的相变模块的配置状态的俯视图。
图14是将作为本发明的另一实施例的一个相变模块应用于并列安装的两个半导体器件的俯视图。
图15是将作为本发明的另一实施例的两个相变模块分别应用于并列安装的两个半导体器件的俯视图。
附图标记说明如下：
1…架，2…架壳体，3、4…盖体，5…服务器壳体，100…电路基板，200…半导体器件，210…导热润滑脂，300…相变模块，310…受热护套，311…沸腾导热面，312…护套外壳，313…加工面，320…冷凝器，321…散热器外壳，322…翅片，330…冷凝器，331…蒸汽孔，332…回液孔，333…芯件，334…蒸汽喷出用引导板，335…回液引导板，340…螺纹安装用孔，400…冷却风扇。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明中的实施方式进行详细说明。
实施例1
(基本结构)
图1示出从利用了热虹吸的相变模块300周围的侧面观察的整体结构，在附图中，附图标记100表示电路基板，在其表面上搭载例如CPU等作为发热源的半导体器件200。而且，在该半导体器件200的表面上安装有构成本发明的利用了热虹吸的相变模块300的一部分的受热护套310。受热护套310由沸腾导热面311与护套外壳312构成。沸腾导热面311通过钎焊等而固定于护套外壳312。更具体来说，在半导体器件200的表面上涂敷所谓的导热润滑脂210，以确保与沸腾导热面311之间的良好的热接合，并且使上述沸腾导热面311的底面与该表面接触并利用螺丝等固定件(未图示)进行固定。需要说明的是，在以下说明相变模块300的详细构造，其中，该相变模块300具备上述受热护套310以及冷凝器320，该冷凝器320具备散热器外壳321和翅片322，并且在上述受热护套310与冷凝器320之间夹有连结板330进行安装。在此虽未图示，在与护套外壳312和散热器外壳321重复的连结板330上设有蒸汽孔与回液孔。此外，将其内部保持为大气压的大致1/10左右的减(低)压状态。
上述受热护套310构成沸腾部，上述冷凝器320构成冷凝部，并且，如以下说明的那样，构成为利用液体制冷剂的相变且不借助电动泵等的外部动力而能够使该制冷液循环的所谓的热虹吸。
即，在利用了上述简要说明的热虹吸的相变模块300中，由作为发热源的半导体器件200产生的热量经由导热润滑脂210而向作为沸腾部的沸腾导热面311传递。其结果是，在该沸腾部中，虽未图示，通过传递来的热量使液体制冷剂在减压下沸腾而蒸发，产生的蒸汽从受热护套310导向冷凝器320。而且，在该冷凝部中，制冷剂蒸汽由借助冷却风扇400等送风的空气(AIR)进行冷却，并且成为液体，之后在重力的作用下，沿着连结板330而再次返回上述受热护套310。
在此，上述受热护套310的构造虽未图示，通过例如加压焊接等将例如由铜、铝等导热率优异的金属板构成的沸腾导热面311与以将铜、铝等金属拉伸为碗状且供沸腾导热面311安装的方式设有孔的护套外壳312接合。
另外，具备该多孔构造面的气化促进板313只要液状制冷剂不枯竭便能发挥稳定的蒸发性能(气化性能)，而且在输入热量小时使液状制冷剂浸入而掩埋多孔质的孔，而在输入热量大时使掩埋孔的液状制冷剂蒸发而变少，因此在多孔质内部使制冷液膜薄的部分增多，因此进一步促进蒸发，成为散热性能增强的状态，热输送量增大。即，除了因输入热量的增大、依赖于温度而促进蒸发以外，还依赖于蒸汽量的增加而促进蒸发，因此，输入热量越大、热输送量越是大幅地增加，效率提高。
需要说明的是，所述沸腾导热面311通过在构成上述受热护套310的护套外壳312上设置孔而利用焊接等来安装，然而，在本发明中，并不局限于此，也可以将上述的沸腾导热面311直接形成于构成上述底护套外壳312的铜板的外壁面。
图2示出相变模块300的俯视图。在沸腾导热面311的大致中央具有促进沸腾的加工面313。该加工面313虽未图示，由微小的凹凸突起部、孔部构成。在连结板330上具有蒸汽孔331与回液孔332。蒸汽孔331设置在与沸腾导热面311的加工面313的中心大致相同的位置，回液孔332设置在加工面313的端部附近且是靠近冷凝器侧的翅片322的一侧。即，回液孔332位于比蒸汽孔331靠近冷凝器320的一侧，从而高效地进行回液。
图3示出从相变模块300的受热护套310侧观察的主视图。散热器外壳321的宽度比护套外壳312的宽度大。由此，能够增大在散热器外壳321上安装的翅片322的面积，从而能够提高冷却性能。
实施例2
(在连结板上设有芯件)
图4示出作为另一实施例的提高受热允许量的相变模块300的侧视图。在连结板330上设有芯件333。芯件333由金属细线的绞线、网状的金属网等构成。芯件333的长度是从冷凝器320的翅片322的位置到未图示的回液孔为止的长度。通过设置该芯件333，制冷剂蒸汽的高速流动不会阻碍回液的流动，而能够向回液孔引导制冷液。由此，能够向沸腾导热面311充分地供给制冷液，从而能够提高来自半导体器件的受热允许量。
实施例3
(在连结板上设有螺纹孔)
图5示出作为另一实施例的考虑到安装于半导体器件的情况的相变模块300的侧视图。在连结板330上设有用于安装于半导体器件的螺纹安装用孔340。该螺纹安装用孔340设置在与设于电路基板的螺纹孔相当的位置。由此，能够将相变模块300稳定地安装于半导体器件。
实施例4
(在连结板的蒸汽孔、回液孔上分别设有蒸汽喷出引导板、回液引导板)
图6示出作为另一实施例的促进蒸汽流、回液流的相变模块300的侧视图。在连结板330的蒸汽孔、回液孔上分别设有蒸汽喷出引导板334、回液引导板335。这些结构能够通过连结板330的穿孔、弯曲加工而一体成形，但也能够通过对单独构件进行钎焊而成形。
实施例5
(多个沸腾导热面)
图7示出作为另一实施例的对串联配置的两个半导体器件进行冷却的相变模块300的侧视图。在受热护套310上，用于对两个半导体器件进行冷却的沸腾导热面311设置在与半导体器件相当的两处位置。冷凝器310除了与上述说明相同地在散热器外壳321上设有翅片322以外，在连结板330上安装有另一个翅片322。利用这两个翅片322，能够充分地冷却两个半导体器件。
图8示出对串联配置的两个半导体器件进行冷却的相变模块300的俯视图。在连结板330上，蒸汽孔331、回液孔332设在靠近冷凝器320一侧的沸腾导热面311的位置。此外，回液孔322设在比蒸汽孔331靠近冷凝器320的翅片322一侧。利用该蒸汽孔331、回液孔332，由受热护套310的两个沸腾导热面311产生的蒸汽穿过蒸汽孔331而向冷凝器320移动并由翅片322冷却，液化后的制冷剂经由回液孔332而在受热护套310中流动，从而能够向两个沸腾导热面311供给制冷液。由此，即便相对于两个沸腾导热面311也能够获得稳定的冷却性能。
实施例6
(在连结板上设有另一个翅片)
图9示出作为另一实施例的对并列配置的两个半导体器件进行冷却的相变模块300的侧视图。冷凝器310除了与上述说明相同地在散热器外壳321上设有翅片322以外，在连结板330上安装有另一个翅片322。利用该两个翅片322，能够充分地冷却两个半导体器件。
图10示出对并列配置的两个半导体器件进行冷却的相变模块300的俯视图。在连结板330上，蒸汽孔331、回液孔332设在并列配置的沸腾导热面311的中间的位置。此外，回液孔322设在比蒸汽孔331靠近冷凝器320的翅片322一侧。利用该蒸汽孔331、回液孔332，由受热护套310的两个沸腾导热面311产生的蒸汽穿过蒸汽孔331而向冷凝器320移动并由翅片322冷却，液化后的制冷剂经由回液孔332而在受热护套310中流动，从而能够向两个沸腾导热面311供给制冷液。由此，即便相对于两个沸腾导热面311也能够获得稳定的冷却性能。
接着，关于使用了利用上述的热虹吸的相变模块的电子仪器装置所采用的例子，以下参照图11～15进行详细说明。
实施例7
(应用于电子装置设备)
首先，图11示出作为应用成为本发明的利用了热虹吸的相变模块的电子装置的代表例的服务器、尤其是在架上搭载多个相变模块的服务器的外观立体图。在附图中，架1包括壳体2和盖体3、4(3为表门，4为里门)，在其内部，以规定的形状/尺寸形成的多个服务器壳体5装卸自如地设置。
在上述多个服务器壳体5各自的内部，通常例如如图12以及13所示，考虑到其维护性，在一方的面(在本例中为附图的右侧所示的前表面侧)设有多个(在本例中为三个)大容量的记录装置即硬盘驱动器51，在其后方也同样在壳体内安装有用于对成为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。而且，在与服务器壳体5的另一方的面之间(即，在后方的空间)也同样设有冷却风扇53以及收纳电源、通信机构的接口即LAN等的组件54，此外，在其剩余的空间配置有在其表面搭载了多个(在本例中为串联排列的两个)发热源即半导体器件200的、例如搭载有半导体器件200的上述电路基板100。需要说明的是，该图12的立体图示出将其盖体卸下后的状态。
而且，由该图可知，在各半导体器件(CPU)200上设有利用了上述的本发明的热虹吸的相变模块300。即，使上述受热护套310的底面与各半导体器件(CPU)200的表面隔着涂敷于其间的导热润滑脂而接触，并且，确保良好的热接合。而且，根据本发明，构成相变模块300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，构成相变模块的冷凝器320沿着借助冷却风扇52而从外部供给来的空气(冷却风)的通路排列配置。即，冷凝器320与上述冷却风扇52的列平行排列且安装。
如此，在上述的电子装置的构造中，将在其壳体5内组装的另一装置的冷却机构即冷却风扇52利用(或者共用)作构成本发明的利用了热虹吸的相变模块300的冷凝器320的冷却机构(翅片)。由此，壳体内的作为发热源的半导体器件(CPU)200不具有专用的冷却风扇，换言之，利用结构比较简单且廉价、并且液驱动用的泵动力也不需要且节能优异的冷却系统，能够高效且可靠地冷却。另外，通过采用本发明的利用了热虹吸的相变模块300，热交换效率比较高，并且利用其比较简单的构造，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。
另外，由所述的实施例可知，构成相变模块300的冷凝器320以覆盖多个(在本例中为串联排列的两个)冷却风扇的排气面的方式配置。需要说明的是，根据上述结构，即便任一个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，能够确保持久性，因此作为电子装置的冷却系统的构造是优选的。随着靠近与冷凝器对置的面积小的冷却风扇一侧，相对于任一个冷却风扇因故障而停止的情况，能够进一步提高其持久性。
在本例中，相对于一个热虹吸的冷凝部而使用1.5个冷却风扇。此时，在一个冷却风扇停止的情况下，仅靠剩余的0.5个风扇进行冷却，成为相当于在热虹吸冷凝部的散热器的2/3的部分无法散热的状况。在服务器系统中，在紧急时的系统正常结束之前需要一定程度的时间，因此必须确保该期间的冷却性能。在现有的水冷方式的散热器中，制冷剂在散热器整体均衡地流动，因此若将有效的散热面积减小2/3，则与之相应地使制冷剂的冷却性能下降，与该冷却性能下降相应地直接导致CPU的温度上升。然而，在热虹吸的相变模块中，蒸汽的流速快，冲击冷凝器320处的液膜，从而有助于凝缩性能的提高。因此，能够进一步抑制一台冷却风扇停止时的散热性能的降低。因此，通过利用热虹吸，能够以更少的风扇台数来确保持久性。
实施例8
(由多个冷却风扇进行冷却)
图14示出应用了将半导体器件(CPU)200并列地安装于电路基板100的情况下的相变模块的实施例。由该图可知，构成相变模块300的冷凝器320以覆盖多个(在本例中为串联排列的两个)冷却风扇的排气面的方式配置。需要说明的是，根据上述结构，即便任一个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，能够确保持久性，因此作为电子装置的冷却系统的构造是优选的。随着靠近与冷凝器对置的面积小的冷却风扇一侧，相对于任一个冷却风扇因故障而停止，能够进一步提高其持久性。
实施例9
图15示出图14应用了将半导体器件(CPU)200并列安装于电路基板100的情况下的另一相变模块的实施例。由该图可知，在各半导体器件(CPU)200上分别设有上述本发明的利用了热虹吸的相变模块300。即，使上述受热护套310的底面与各半导体器件(CPU)200的表面隔着涂敷于其间的导热润滑脂而接触，并且，确保良好的热接合。而且，根据本发明，构成相变模块300且具备偏置翅片的冷凝器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，构成相变模块的冷凝器320沿着借助冷却风扇52而从外部供给来的空气(冷却风)的通路排列配置。即，具备偏置翅片的冷凝器320与上述冷却风扇52的列平行排列进行安装。
如此，在上述的电子装置的构造中，将组装在其壳体5内的另一装置的冷却机构即冷却风扇52利用(或者共享)作构成本发明的利用了热虹吸的相变模块300的冷凝器320的冷却机构(散热器)。由此，壳体内的作为发热源的CPU200不具有专用的冷却风扇，换言之，利用结构比较简单且廉价、并且液驱动用的泵动力也不需要且节能优异的冷却系统，能够高效且可靠地冷却。另外，通过采用本发明的利用了热虹吸的相变模块300，热交换效率比较高，并且利用其比较简单的构造，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高的配置。
另外，由所述的实施例可知，构成相变模块300的冷凝器320以覆盖多个(在本例中为两个)冷却风扇的排气面的方式配置。需要说明的是，根据上述结构，即便任一个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，能够确保持久性，因此作为电子装置的冷却系统的构造是优选的。
在本实施例中，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有1.5个冷却风扇。此时，在一个冷却风扇停止的情况下，仅靠剩余的0.5个风扇进行冷却，成为相当于在热虹吸冷凝部的散热器的2/3的部分无法散热的状况。在服务器系统中，在紧急时的系统正常结束之前需要一定程度的时间，因此必须确保该期间的冷却性能。在现有的水冷方式的散热器中，制冷剂在散热器整体均衡地流动，因此若有效的散热面积减小2/3，则与之相应地使制冷剂的冷却性能下降，与该冷却性能下降相应地直接导致CPU的温度上升。然而，在热虹吸的相变模块中，蒸汽的流速快，因此冲击冷凝器320的液膜，从而有助于凝缩性能的提高。因此，能够进一步抑制一台冷却风扇停止时的散热性能的降低。因此，通过利用热虹吸，能够以更少的风扇台数来确保持久性。

Claims (10)

1.一种相变模块，其特征在于，
所述相变模块具有：
护套外壳，其在发热体之上设置沸腾导热面，并安装有该沸腾导热面；
散热器外壳，其安装有在与发热体分离的位置设置的散热片；以及
连结板，其将该护套外壳与该散热器外壳连结起来，
在该连结板上的上述护套外壳与上述散热器外壳重叠的位置处开孔。
2.根据权利要求1所述的相变模块，其特征在于，
在所述连结板上设置的孔具备蒸汽通过用孔和回液通过用孔。
3.根据权利要求1所述的相变模块，其特征在于，
所述回液通过用孔设置在比上述蒸汽通过用孔靠近散热片一侧。
4.根据权利要求1所述的相变模块，其特征在于，
该相变模块具备多个所述沸腾导热面和一个散热片。
5.根据权利要求1所述的相变模块，其特征在于，
在所述连结板上具备芯件。
6.根据权利要求1所述的相变模块，其特征在于，
在所述连结板上具备用于将所述连结板安装于所述发热体构件的安装用孔。
7.根据权利要求1所述的相变模块，其特征在于，
在所述蒸汽通过用孔处具备蒸汽喷出引导板，在回液通过用孔处具备回液引导板。
8.根据权利要求1所述的相变模块，其特征在于，
在所述护套外壳上具备多个所述沸腾导热面。
9.根据权利要求1所述的相变模块，其特征在于，
在所述连结板上设有翅片。
10.一种电子仪器装置，其特征在于，
所述电子仪器装置搭载有权利要求1的相变模块。
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