專(zhuān)利名稱:沸騰冷卻裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種電子裝置中的沸騰冷卻裝置,該電子裝置中安裝有LSI或1C,更具體地,本發(fā)明通過(guò)利用沸騰并被液化的冷卻劑的相變現(xiàn)象抑制LSI或IC的熱量產(chǎn)生。
背景技術(shù):
在用于諸如計(jì)算機(jī)或類(lèi)似裝置的電子裝置中的LSI和IC中,在每一代電路中以加速的方式增加電路集成化。此外,近年來(lái),增加了用于減小裝置的尺寸和厚度的要求。為此,今后LSI和IC的發(fā)熱密度步入正軌以保持增加。為了以高速以及以穩(wěn)定的方式操作這些LSI和1C,必須將操作溫度控制為給定溫度或者更低的溫度。因此使用了與LSI或IC的熱量相適合的冷卻方法。然而,當(dāng)試圖減小裝置的尺寸和厚度時(shí),對(duì)于諸如安裝在LSI或IC上的散熱器的冷卻器,當(dāng)前情況是不能保證與產(chǎn)生的熱量相適合的尺寸。 因此,如圖11所示,已經(jīng)提出一種沸騰冷卻裝置,該沸騰冷卻裝置包括熱量接收板3、熱傳遞裝置4和散熱器5。這種小的熱量接收板3布置在安裝在基板I上的諸如LSI或IC的發(fā)熱體2上,并吸收該發(fā)熱體2的熱量。熱量接收板3吸收的熱量經(jīng)由熱輸送裝置4被輸送到散熱器5,該散熱器安裝在基板I的比發(fā)熱體2寬的位置處??梢允褂镁哂懈邔?dǎo)熱率的諸如鋁和銅的金屬作為上述的熱傳遞裝置4。然而,優(yōu)選的是使用具有更突出的熱傳遞性能的熱管6作為熱傳遞裝置4。該熱管6利用其中冷卻劑在與發(fā)熱體2接觸的熱量接收板3處氣化的相變現(xiàn)象,并且該氣化的冷卻劑在設(shè)置在散熱器5下方的散熱板7處液化。利用該相變現(xiàn)象的熱管6使在諸如LSI或IC的發(fā)熱體2處產(chǎn)生的熱量移動(dòng)到散熱器5。應(yīng)該參照?qǐng)D12的橫截面圖案視圖說(shuō)明熱管6的結(jié)構(gòu)。這種熱管6由諸如鋁或銅的高導(dǎo)熱率的金屬構(gòu)成的中空管狀容器8和密封在該容器8內(nèi)部的冷卻劑構(gòu)成。與諸如LSI或IC的發(fā)熱體2接觸的熱量接收板3連接到熱管6的一個(gè)端部。與用作冷卻器的散熱器5接觸的散熱板7連接到熱管6的另一個(gè)端部。在冷卻劑在熱量接收板3處經(jīng)歷從液體到氣體的相變的同時(shí),冷卻劑在散熱板7處經(jīng)歷從氣體到液體的相變。因此,在這種熱管6中,在熱量接收板3處產(chǎn)生的氣化冷卻劑由于熱量接收板3側(cè)的壓力高而移動(dòng)到散熱板7側(cè)。此外,在散熱板7側(cè)產(chǎn)生的液體冷卻劑經(jīng)由通過(guò)稱作吸液芯(wick) 9的細(xì)小網(wǎng)循環(huán)到熱量接收板3,該吸液芯9連接到熱管6的內(nèi)表面。網(wǎng)中的間隙被形成為非常窄。通過(guò)利用液體冷卻劑的表面張力,冷卻劑通過(guò)網(wǎng)的間隙并且循環(huán)到熱量接收板3側(cè)。通過(guò)重復(fù)這些現(xiàn)象,能夠與熱管6進(jìn)行熱傳遞。通過(guò)利用冷卻劑以這種方式進(jìn)行的相變,與具有高導(dǎo)熱率的諸如鋁或銅的金屬相比,熱管6可以實(shí)現(xiàn)非常高的導(dǎo)熱率。然而,當(dāng)通過(guò)熱管6使在散熱板7處產(chǎn)生的液化的冷卻劑循環(huán)到熱量接收板3時(shí),由于液化的冷卻劑通過(guò)細(xì)網(wǎng)狀吸液芯9,因此不能增加熱輸送的量。因此,難以冷卻具有大量的熱量的發(fā)熱體2。為此,在專(zhuān)利文獻(xiàn)I中基于利用熱量接收板使冷卻劑沸騰并且通過(guò)重力循環(huán)在散熱板處產(chǎn)生的液體的方法提出了一種沸騰冷卻裝置。在利用這種沸騰的熱輸送中,具有以下特征熱輸送能力由于使用與熱管相比更多的冷卻劑和通過(guò)重力循環(huán)冷卻劑而更大。在專(zhuān)利文獻(xiàn)I中,環(huán)狀流動(dòng)通道形成在平板中。這種結(jié)構(gòu)使氣體冷卻劑所通過(guò)的流動(dòng)通道和在散熱板處產(chǎn)生的液體冷卻劑所循環(huán)通過(guò)的流動(dòng)通道分開(kāi),這種結(jié)構(gòu)降低了由于兩個(gè)通道之間的沖突而出現(xiàn)的壓力損失并增加了等效導(dǎo)熱率。在專(zhuān)利文獻(xiàn)2中,與冷卻劑接觸的熱量接收板的表面面積通過(guò)在熱量接收板處放置沸騰促進(jìn)結(jié)構(gòu)而增加。通過(guò)增強(qiáng)從發(fā)熱部分到冷卻劑的熱傳導(dǎo),促進(jìn)了沸騰并且增加了等效導(dǎo)熱率。專(zhuān)利文獻(xiàn)3公開(kāi)了一種結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)提供了在散熱壁中具有局部切除部的翅片,因此增加了執(zhí)行冷凝的表面面積,并且通過(guò)提高冷凝效果增加等效導(dǎo)熱率。在專(zhuān)利文獻(xiàn)4中,示出了其中具有低高度的波狀翅片被設(shè)置成兩段(或者三段或更多段)的結(jié)構(gòu),其中波狀翅片通過(guò)配合彎回部件的位置而被連結(jié),從而能夠相互傳送熱量。在專(zhuān)利文獻(xiàn)5中,顯示了其中V形第一翅片被分別設(shè)置到熱量接收板和散熱板的內(nèi)側(cè)以及V形第二翅片通過(guò)絲網(wǎng)支撐構(gòu)件或類(lèi)似構(gòu)件被設(shè)置到第一翅片的內(nèi)側(cè)的結(jié)構(gòu)。[現(xiàn)有技術(shù)][專(zhuān)利文獻(xiàn)] [專(zhuān)利文獻(xiàn)I]日本未經(jīng)審查的專(zhuān)利申請(qǐng),第一次公開(kāi)出版物第2006-344636號(hào);[專(zhuān)利文獻(xiàn)2]日本未經(jīng)審查的專(zhuān)利申請(qǐng),第一次公開(kāi)出版物第H07-161888號(hào);[專(zhuān)利文獻(xiàn)3]日本未經(jīng)審查的專(zhuān)利申請(qǐng),第一次公開(kāi)出版物第2000-74536號(hào);[專(zhuān)利文獻(xiàn)4]日本未經(jīng)審查的專(zhuān)利申請(qǐng),第一次公開(kāi)出版物第H01-209356號(hào);[專(zhuān)利文獻(xiàn)5]日本未經(jīng)審查的專(zhuān)利申請(qǐng),第一次公開(kāi)出版物第H11-31768號(hào)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問(wèn)題然而,如專(zhuān)利文獻(xiàn)I所示,采用使氣體和液體冷卻劑的流動(dòng)通道分開(kāi)的結(jié)構(gòu)用于作為增加板狀沸騰冷卻裝置的等效導(dǎo)熱率的方法的沸騰冷卻引起了用于沸騰冷卻的平板的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜的問(wèn)題。也就是說(shuō),當(dāng)流動(dòng)通道被分開(kāi)時(shí),必須精細(xì)地調(diào)節(jié)每一個(gè)裝置的流動(dòng)通道,因此削弱了總的通用性。此外,如專(zhuān)利文獻(xiàn)2到5所示,在通過(guò)熱量接收板和散熱板處的翅片增加與冷卻劑接觸的表面面積的方法中,只可能通過(guò)增加的表面面積的量增加出現(xiàn)沸騰和冷凝的區(qū)域,因此不會(huì)預(yù)期到等效導(dǎo)熱率方面的較大改進(jìn)。此外,在專(zhuān)利文獻(xiàn)2到5中公開(kāi)的技術(shù)中,被設(shè)置在熱量接收板和散熱板(熱量接收構(gòu)件,散熱構(gòu)件)中的翅片彼此干擾。這引起了冷卻劑的沸騰和冷凝的效率下降的問(wèn)題??紤]到上述情況而獲得本發(fā)明。本發(fā)明的示例性目的是提供一種沸騰冷卻裝置,該沸騰冷卻裝置可以利用簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)有效地進(jìn)行散熱并適合具有大的熱量產(chǎn)生量的LSI和ICo用于解決所述問(wèn)題的方式為了解決上述問(wèn)題,本發(fā)明的沸騰冷卻裝置包括腔室、散熱器、熱量接收構(gòu)件和散熱構(gòu)件。腔室包括導(dǎo)熱板和氣密空間,所述導(dǎo)熱板具有設(shè)置在導(dǎo)熱板的外側(cè)面上的發(fā)熱體,而所述氣密空間設(shè)置在導(dǎo)熱板的內(nèi)側(cè),氣密空間填充有經(jīng)歷液體和氣體之間的相變的冷卻劑。散熱器設(shè)置在導(dǎo)熱板的外側(cè)面上。熱量接收構(gòu)件設(shè)置在導(dǎo)熱板的內(nèi)側(cè)面上以與發(fā)熱體相對(duì),其中導(dǎo)熱板被夾在熱量接收構(gòu)件和發(fā)熱體之間,并且熱量接收構(gòu)件將在發(fā)熱體處產(chǎn)生的熱量傳遞到冷卻劑。散熱構(gòu)件設(shè)置在導(dǎo)熱板的內(nèi)側(cè)面上,接收通過(guò)冷卻劑傳遞的熱量,并使熱量消散到散熱器。熱量接收構(gòu)件和散熱構(gòu)件在導(dǎo)熱板的表面方向上被設(shè)置成彼此分隔開(kāi)。熱量接收構(gòu)件被浸入液態(tài)的冷卻劑中。本發(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明,密封在腔室的氣密空間中的冷卻劑在熱量接收構(gòu)件和散熱構(gòu)件之間經(jīng)歷液體和氣體之間的相變,由此可以使在發(fā)熱體處產(chǎn)生的熱量輸送到散熱器。此外,熱量接收構(gòu)件和散熱構(gòu)件在導(dǎo)熱板的表面方向上被設(shè)置成彼此分隔開(kāi)。也就是說(shuō),熱量接收構(gòu) 件和散熱構(gòu)件以彼此不面對(duì)的位置關(guān)系被設(shè)置。因此,可以使熱傳導(dǎo)效率保持在高水平而不會(huì)阻止冷卻劑的運(yùn)動(dòng),其中該冷卻劑在熱量接收構(gòu)件處變成氣體。因此,可以利用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)有效地散熱,并且可以被制造成與具有大的熱量產(chǎn)生量的LSI和IC相適應(yīng)。
圖I是根據(jù)本發(fā)明第一示例性實(shí)施例的沸騰冷卻裝置的分解立體圖;圖2是從相反側(cè)觀看的圖I所示的沸騰冷卻裝置的分解立體圖;圖3是根據(jù)本發(fā)明第一示例性實(shí)施例的沸騰冷卻裝置的縱向橫截面圖;圖4是根據(jù)本發(fā)明第二示例性實(shí)施例的沸騰冷卻裝置的分解立體圖;圖5是根據(jù)本發(fā)明第三示例性實(shí)施例的沸騰冷卻裝置的分解立體圖;圖6是根據(jù)本發(fā)明第四示例性實(shí)施例的沸騰冷卻裝置的縱向橫截面圖;圖7是根據(jù)本發(fā)明第五示例性實(shí)施例的沸騰冷卻裝置的縱向橫截面圖;圖8是根據(jù)本發(fā)明第六示例性實(shí)施例的沸騰冷卻裝置的立體圖;圖9是根據(jù)本發(fā)明第六示例性實(shí)施例的沸騰冷卻裝置的縱向橫截面圖;圖10是用于描述根據(jù)本發(fā)明第六示例性實(shí)施例的沸騰冷卻裝置中的冷卻劑流的透視圖;圖11是傳統(tǒng)的沸騰冷卻裝置的立體圖;以及圖12是顯示熱管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的剖面圖。
具體實(shí)施例方式(第一示例性實(shí)施例)應(yīng)該參照?qǐng)DI到圖3說(shuō)明本發(fā)明的第一示例性實(shí)施例。圖I到圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明第一示例性實(shí)施例的沸騰冷卻裝置20。為L(zhǎng)SI或IC的發(fā)熱體10例如連結(jié)到沸騰冷卻裝置20。更具體地,發(fā)熱體10通過(guò)導(dǎo)熱膏或?qū)崞B結(jié)到沸騰冷卻裝置20的熱量接收板22。此時(shí),發(fā)熱體10可以利用焊料粘結(jié)。沸騰冷卻裝置20具有板狀中空腔室24。這種腔室24具有形成為四邊形框架形狀的側(cè)壁部分21、覆蓋側(cè)壁部分21的上開(kāi)口 21A的熱量接收板(導(dǎo)熱板)22、和覆蓋側(cè)壁部分21的下開(kāi)口 21B的散熱板(導(dǎo)熱板)23。
熱量接收板22和散熱板23由具有高導(dǎo)熱率的諸如銅或鋁的金屬形成。熱量接收板22和散熱板23被設(shè)置成在腔室24的厚度方向上彼此面對(duì)。由于側(cè)壁部分21的上開(kāi)口21A和下開(kāi)口 21被熱量接收板22和散熱板23遮擋,因此在側(cè)壁部分21內(nèi)形成氣密空間。冷卻劑C填充在該氣密空間中。作為這種冷卻劑C的液體冷卻劑Cl和氣體冷卻劑C2同時(shí)存在于所述氣密空間中。冷卻劑C可以經(jīng)歷液體和氣體之間的相變。用于將冷卻劑C注入到氣密空間中的冷卻劑注射口 21C設(shè)置在腔室24的側(cè)壁部分21中。在分別制造側(cè)壁部分21、熱量接收板22和散熱板23之后,可以通過(guò)銅焊或類(lèi)似方法連結(jié)側(cè)壁部分、熱量接收板和散熱板而形成腔室24。可選地,可以通過(guò)使熱量接收板22和散熱板23中的任何一個(gè)與側(cè)壁部分21 —體形成而形成腔室24。O形環(huán)25可以設(shè)置在側(cè)壁部分21的上開(kāi)口 21A的周邊和下開(kāi)口 21B的周邊。上開(kāi)口 21A和下開(kāi)口 21B可以經(jīng)由這種O形環(huán)25被散熱板23和熱量接收板22遮擋,并且此外,散熱板23和 熱量接收板22可以通過(guò)螺釘或類(lèi)似部件連接到側(cè)壁部分21。這樣,在使用O形環(huán)25的情況下,容易移除熱量接收板22和散熱板23。因此,當(dāng)隨后說(shuō)明安裝發(fā)熱體22和散熱器28時(shí),可以提高可加工性。用作熱源的諸如LSI或IC的發(fā)熱體10在熱量接收板22處設(shè)置在氣密空間的外表面上。熱量接收構(gòu)件26固定在熱量接收板22上的設(shè)置發(fā)熱體10的位置的內(nèi)部表面上。熱量接收構(gòu)件26將通過(guò)發(fā)熱體10產(chǎn)生的熱量傳送到冷卻劑C。熱量接收構(gòu)件26由以規(guī)定間隔設(shè)置且固定在熱量接收板22的內(nèi)表面上的多個(gè)翅片構(gòu)成。所述多個(gè)翅片(在本示例性實(shí)施例中為銷(xiāo)狀翅片)由立方體翅片或銷(xiāo)狀翅片構(gòu)成,其中翅片的表面被粗糙化以便促進(jìn)沸騰。在多個(gè)發(fā)熱體10安裝在熱量接收板22的外表面上的情況下,熱量接收構(gòu)件26被設(shè)置在與發(fā)熱體10相對(duì)應(yīng)的位置處或在發(fā)熱體10附近。優(yōu)選地是熱量接收構(gòu)件26通過(guò)機(jī)械加工或鍛造與熱量接收板22 —體成型,以便減小熱阻。另一方面,從產(chǎn)量方面來(lái)看,優(yōu)選的是單獨(dú)地制造構(gòu)成熱量接收構(gòu)件26的多個(gè)翅片,并且將這些翅片銅焊到散熱板23。在由銷(xiāo)狀翅片構(gòu)成的熱量接收構(gòu)件26中,多個(gè)銷(xiāo)狀翅片被布置成矩陣圖案,以便盡可能地不妨礙氣化的冷卻劑Cl和液化且回流的冷卻劑C2的流動(dòng)。為了使在沸騰期間在熱量接收構(gòu)件26處產(chǎn)生的氣泡的分離不受干擾,優(yōu)選的是確保銷(xiāo)狀翅片之間的間隔為Imm到幾毫米。在使用由立方體構(gòu)件構(gòu)成的矩形翅片的情況下,從增加表面面積的方面來(lái)看,可以想到的是由于減小的厚度而能夠安裝更多個(gè)翅片。另一方面,在翅片變得更薄的情況下,由于翅片的熱容量較小,所以從冷卻效率的方面來(lái)看不是優(yōu)選的。此外,在翅片薄的情況下難以制造。因此,理想的是翅片至少具有Imm到幾毫米的厚度。翅片的高度,即在熱量接收構(gòu)件26處距離熱量接收板22的內(nèi)表面的高度,優(yōu)選地被設(shè)定為腔室24的厚度的大約一半的尺寸,即熱量接收板22和散熱板23之間的面對(duì)距離(熱量接收板22和散熱板23之間的距離)。這為了使熱量接收構(gòu)件26整體浸沒(méi)在液體冷卻劑Cl中,使用翅片的整個(gè)表面面積用于沸騰。優(yōu)選地是在熱量接收構(gòu)件26的每一個(gè)翅片上執(zhí)行粗糙化處理,其中表面粗糙化在I μ m到100 μ m的粗糙度范圍內(nèi)。由此,在通過(guò)冷卻劑Cl的熱量接收而產(chǎn)生氣泡時(shí),用作核心的多個(gè)銳角形狀可以形成在熱量接收構(gòu)件26的表面上。因此,可以促進(jìn)液體冷卻劑C在熱量接收構(gòu)件26的表面處的沸騰。用于從氣化的冷卻劑C2奪取熱量的散熱構(gòu)件27設(shè)置在散熱板23的內(nèi)側(cè)。這種散熱構(gòu)件27在熱量接收板22和散熱板23的表面方向上(即,在垂直于熱量接收板22和散熱板23的厚度方向的方向上)與熱量接收構(gòu)件26分隔開(kāi)地安裝。也就是說(shuō),散熱構(gòu)件
27被設(shè)置成不與熱量接收構(gòu)件26互相相對(duì)。散熱器28在散熱板23上的設(shè)置散熱構(gòu)件27的位置的外表面處被設(shè)置作為冷卻裝置。散熱器28可以通過(guò)機(jī)械加工或鍛造與散熱板23 —體成型。可選地,在相對(duì)散熱板23單獨(dú)制造散熱器28之后,散熱器28和散熱板23可以通過(guò)導(dǎo)熱膏或?qū)崞约邦?lèi)似物連接。散熱構(gòu)件27通過(guò)以固定間隔布置的多個(gè)翅片構(gòu)成。由已經(jīng)受到表面粗糙化以促進(jìn)已經(jīng)變成氣體的冷卻劑C2的冷凝的多個(gè)立方體構(gòu)件或銷(xiāo)狀翅片(在本示例性實(shí)施例中 為銷(xiāo)狀翅片)組成多個(gè)銷(xiāo)。在由銷(xiāo)狀翅片構(gòu)成的熱量接收構(gòu)件26處,多個(gè)銷(xiāo)狀翅片優(yōu)選地被布置成矩陣圖案,以便增加冷卻劑C的流動(dòng)性。將被填充到腔室24中的冷卻劑C可以是容易獲得的水。在被使用在電子裝置中的情況下,優(yōu)選的是使用具有絕緣特性的有機(jī)冷卻劑。這使得在冷卻劑C與電子部件或基板接觸的情況中,在冷卻劑C滲漏的情況下對(duì)那些電子部件或基板沒(méi)有影響,并且電子部件或基板可以被重新使用。此外,許多有機(jī)冷卻劑具有比水更低的表面張力,因此它們的沸點(diǎn)比水更低。因此,可以使發(fā)熱體10的溫度低于水的沸點(diǎn)。在將冷卻劑C倒入腔室24中之后,通過(guò)在腔室24的內(nèi)部中建立真空可以使沸點(diǎn)更低。因此,可以保持發(fā)熱體的溫度處于平均較低的溫度。當(dāng)在腔室24的內(nèi)部中建立真空之后,冷卻劑注射口 21C被填塞并且被氣密密封??蛇x地,所述內(nèi)部可以通過(guò)利用附加塞(attachment stopper)堵塞冷卻劑注射口 21C而被氣密密封。關(guān)于熱量接收構(gòu)件26和散熱構(gòu)件27的位置關(guān)系,如上所述,熱量接收構(gòu)件26和散熱構(gòu)件27在熱量接收板22和散熱板23的表面方向上分隔開(kāi)地安裝。也就是說(shuō),散熱構(gòu)件27沒(méi)有設(shè)置在熱量接收構(gòu)件26的正上方。這種設(shè)置的理由是當(dāng)熱量接收構(gòu)件26和散熱構(gòu)件27緊密靠近時(shí),通過(guò)熱量接收構(gòu)件26產(chǎn)生的氣體的熱量立即被散熱板奪取,從而產(chǎn)生液滴,并且這將損失壓力并且妨礙通過(guò)熱量接收構(gòu)件26產(chǎn)生的氣體的運(yùn)動(dòng)。熱量接收構(gòu)件26和散熱構(gòu)件27的間距優(yōu)選地至少等于或大于發(fā)熱體10的寬度尺寸??紤]到冷卻劑C的熱傳導(dǎo)效率,熱量接收構(gòu)件26的高度優(yōu)選地被設(shè)定為與相對(duì)定位的散熱板23的面對(duì)表面分隔開(kāi)Imm或更多。同樣,考慮到冷卻劑C的熱傳導(dǎo)效率,散熱構(gòu)件27的高度優(yōu)選地被設(shè)定為與相對(duì)定位的熱量接收板22的面對(duì)表面分隔開(kāi)Imm或更多。接下來(lái),應(yīng)該詳細(xì)地說(shuō)明本示例性實(shí)施例的沸騰冷卻裝置20的作用。密封在腔室24中的冷卻劑C由于真空的建立而具有飽和蒸氣壓力,因此所述冷卻劑在腔室室溫下達(dá)到沸點(diǎn)。飽和蒸氣壓力是在其中只存在諸如水的物質(zhì)的密封空間中在一定溫度下出現(xiàn)在空間中的最大壓力。由此,在腔室24內(nèi)的氣密空間中,液體冷卻劑Cl和氣體冷卻劑C2同時(shí)存在。液體冷卻劑Cl存在于氣密空間的下部,而氣體冷卻劑C2存在于氣密空間的上部。當(dāng)諸如LSI或IC的發(fā)熱體10產(chǎn)生熱量時(shí),熱量通過(guò)熱量接收板22并到達(dá)腔室24中的熱量接收構(gòu)件26,并且將熱量施加到熱量接收構(gòu)件26周?chē)囊后w冷卻劑Cl。當(dāng)已經(jīng)被加熱的冷卻劑Cl達(dá)到沸點(diǎn)時(shí),由于用作核心的銳角形狀形成氣泡。當(dāng)熱量從熱量接收構(gòu)件26被另外施加到液體冷卻劑Cl時(shí),氣泡形成。當(dāng)氣泡成為一定尺寸時(shí),氣泡的浮力由于表面張力而變得大于熱量接收構(gòu)件26的表面的吸收能力。因此,氣泡分開(kāi)。此時(shí),由于所述區(qū)域的存在氣泡的空間被釋放,因此周?chē)囊后w冷卻劑Cl流入,并且開(kāi)始出現(xiàn)新的沸騰。如上所述,由于在熱量接收構(gòu)件26的表面上執(zhí)行的表面粗糙化處理,所以存在許多銳角形狀,因此沸騰出現(xiàn)在熱量接收構(gòu)件26中的整個(gè)翅片表面上。通過(guò)這種沸騰,液體冷卻劑Cl經(jīng)歷至氣體冷卻劑C2的相變。此時(shí),冷卻劑C的體積增加幾百倍,并因此腔室24中的氣密空間的壓力上升。因此,氣體冷卻劑C2移動(dòng)到上部的散熱構(gòu)件27側(cè)。這樣,已經(jīng)移動(dòng)到散熱構(gòu)件27的氣體冷卻劑C2的熱量通過(guò)與散熱構(gòu)件27的翅片接觸而被奪取并且冷凝。因此,在形成在翅片的表面上的銳角形狀處的核心中心上產(chǎn)生滴液。當(dāng)?shù)我涸鲩L(zhǎng)并且由于散熱構(gòu)件27的表面張力使得滴液的重力變得大于吸收能力時(shí),滴液從散熱構(gòu)件27頭朝下并且分離。由于該分離,因?yàn)槟軌虻玫揭呀?jīng)附著滴液的區(qū)域, 因此氣體冷卻劑C與散熱構(gòu)件27的翅片表面接觸,并且出現(xiàn)新的冷凝。由于已經(jīng)在構(gòu)成散熱構(gòu)件27的翅片表面上執(zhí)行了表面粗糙化處理,所以存在許多銳角形狀,并因此冷凝出現(xiàn)在散熱構(gòu)件27的全部翅片上。通過(guò)冷凝在散熱構(gòu)件27處產(chǎn)生的滴液返回到存在于散熱構(gòu)件27下方的液體冷卻劑Cl,并且此外,液體冷卻劑Cl通過(guò)被輸送到熱量接收構(gòu)件26再次經(jīng)歷到氣體冷卻劑C2的相變。另一方面,在散熱構(gòu)件27處從氣體冷卻劑Cl奪取的熱量經(jīng)由連接到腔室24的外表面的散熱器28被釋放到空氣中。依此方式,通過(guò)利用冷卻劑C的相變和體積變化,冷卻劑C移動(dòng),同時(shí)在熱量接收構(gòu)件26和散熱構(gòu)件27之間產(chǎn)生壓差,由此,可以獲得與銅相比范圍從幾倍到幾百倍的熱輸送能力,銅是具有良好熱傳導(dǎo)效率的金屬。此外,熱量接收構(gòu)件26和散熱構(gòu)件27在熱量接收板22和散熱板23的表面方向上被布置成相互分隔開(kāi),即,以彼此不面對(duì)的位置關(guān)系相互分隔開(kāi)。因此,熱量接收構(gòu)件26和散熱構(gòu)件27不受彼此的影響,并且與冷卻劑的接觸位置和接觸表面區(qū)域的設(shè)置能夠變得最佳且不受限制。在熱量接收構(gòu)件26和散熱構(gòu)件27為緊密靠近的情況下,通過(guò)熱量接收構(gòu)件26產(chǎn)生的氣體的熱量被鄰近定位的散熱構(gòu)件27奪取,因此可以產(chǎn)生滴液。相反,在本示例性實(shí)施例的沸騰冷卻裝置20中,熱量接收構(gòu)件26和散熱構(gòu)件27以彼此不面對(duì)的位置關(guān)系被布置。因此,可以防止熱傳導(dǎo)效率的減小,結(jié)果不會(huì)妨礙通過(guò)熱量接收構(gòu)件26產(chǎn)生的氣體的流動(dòng)。在如上詳細(xì)所述的本示例性實(shí)施例中示出的沸騰冷卻裝置20中,密封在腔室24的氣密空間中的冷卻劑C在熱量接收構(gòu)件26和散熱構(gòu)件27之間進(jìn)行液體/氣體的相變。因此,可以將在發(fā)熱體10處產(chǎn)生的熱量有效地傳送到散熱器28。此外,熱量接收構(gòu)件26和散熱構(gòu)件27在熱量接收板22和散熱板23的表面方向上分隔開(kāi)布置。也就是說(shuō),熱量接收構(gòu)件26和散熱構(gòu)件27以彼此不面對(duì)的位置關(guān)系被設(shè)置。采用這種結(jié)構(gòu),可以在不會(huì)在熱量接收構(gòu)件26處阻礙變成氣體的冷卻劑Cl的運(yùn)動(dòng)的情況下使熱傳導(dǎo)效率保持在高水平。因此,可以利用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)有效地散熱,并且與具有大的熱量產(chǎn)生量的發(fā)熱體10相適應(yīng)變得可能。
此外,隨著熱量接收板22和散熱板23彼此面對(duì)設(shè)置,發(fā)熱體10和熱量接收構(gòu)件26被設(shè)置在熱量接收板22上,而散熱構(gòu)件27和散熱器28被設(shè)置在散熱板23上。采用這種結(jié)構(gòu),可以使冷卻劑C在熱量接收構(gòu)件22和散熱構(gòu)件23之間可靠地進(jìn)行液體/氣體的相變。如果通過(guò)以高熱量產(chǎn)生密度安裝的諸如LSI或IC的發(fā)熱體10產(chǎn)生的熱量沒(méi)有被立即輸送走,則出現(xiàn)溫度上升并出現(xiàn)故障,并且根據(jù)所述情況,這種溫度上升和故障的出現(xiàn)將成為導(dǎo)致操作失敗的因素。關(guān)于這點(diǎn),在本示例性實(shí)施例中,通過(guò)提高等效導(dǎo)熱率,可以快速地輸送在發(fā)熱體10處產(chǎn)生的熱量。因此,即使發(fā)熱體10以高熱量產(chǎn)生密度安裝,熱量也會(huì)有效地?cái)U(kuò)散而不會(huì)余留在特定位置,因此可以降低發(fā)熱體10的溫度。此外,不需要分離其中在熱量接收板22和散熱板23之間執(zhí)行相變的冷卻劑Cl的流動(dòng)通道。也就是說(shuō),不需要考慮從熱量接收板22到散熱板23的冷卻劑傳遞路徑和從散熱板23到熱量接收板22的冷卻劑傳遞路徑。當(dāng)考慮這種冷卻劑傳遞路徑時(shí),每當(dāng)改變?cè)O(shè) 計(jì)時(shí)都需要微調(diào)。然而,在本示例性實(shí)施例中,僅需要考慮熱量接收板22和散熱板23的放置。因此不會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)困難,并且可以簡(jiǎn)化總體結(jié)構(gòu)。另外,在上述沸騰冷卻裝置20中,通過(guò)使用具有平板形狀的熱量輸送裝置,從多個(gè)發(fā)熱體同時(shí)進(jìn)行熱輸送變得可能。因此,用于輸送熱量的多個(gè)部件變得不必要。此外,能夠合并需要成為一個(gè)的諸如散熱器的多個(gè)冷卻裝置,因此可以消除散熱器和風(fēng)扇。因此,能夠減小整個(gè)裝置的尺寸和厚度。(第二示例性實(shí)施例)接下來(lái),將參照?qǐng)D4說(shuō)明本發(fā)明的第二示例性實(shí)施例。在上述第一示例性實(shí)施例的沸騰冷卻裝置20中,熱量接收構(gòu)件26由多個(gè)柱形的銷(xiāo)狀翅片構(gòu)成,并且被粗糙化的銷(xiāo)狀翅片的表面被設(shè)置在熱量接收板22上,其中發(fā)熱體10被設(shè)置在熱量接收板22上。熱量接收構(gòu)件26還可以被構(gòu)成具有矩形翅片30,其中如圖4所示以固定間隔布置多個(gè)立方體構(gòu)件。在利用這種矩形翅片構(gòu)成的熱量接收構(gòu)件26中,利用其表面已經(jīng)被粗糙化的立方體構(gòu)件構(gòu)成熱量接收構(gòu)件26,并且其整體被形成為梳狀形狀。雖然與冷卻劑C接觸的熱量接收構(gòu)件26的表面面積越大越好,但是與液體冷卻劑C接觸的表面面積和沸騰性能不成比例。當(dāng)?shù)谝皇纠詫?shí)施例的銷(xiāo)狀翅片被矩形翅片30替換時(shí),已經(jīng)證實(shí)與冷卻劑C接觸的表面面積減小,但是沸騰性能沒(méi)有明顯降低。此外,對(duì)于生產(chǎn)率,矩形翅片30比銷(xiāo)狀翅片更有利。矩形翅片30可以通過(guò)機(jī)械加工或鍛造制造。可選地,在單獨(dú)地制造矩形翅片30的立方體構(gòu)件之后,所述立方體構(gòu)件可以通過(guò)銅焊或類(lèi)似方法焊接到熱量接收板22,然后可以執(zhí)行使表面粗糙到Iym到100 μ m的粗糙度的處理。這種矩形翅片30還可以被用于連接到散熱器28的散熱構(gòu)件27。(第三示例性實(shí)施例)接下來(lái),參照?qǐng)D5說(shuō)明本發(fā)明的第三示例性實(shí)施例。在第一示例性實(shí)施例的沸騰冷卻裝置20中,具有被粗糙化的表面的多個(gè)柱形的銷(xiāo)狀翅片用作熱量接收板22上的熱量接收構(gòu)件26,其中發(fā)熱體10設(shè)置在熱量接收板22上。熱量接收構(gòu)件26還可以由立方體狀散熱塊31構(gòu)成,該立方體狀散熱塊表面已經(jīng)被粗糙化,如圖5所示。
即使該熱量接收構(gòu)件26被形成為塊狀形狀,沸騰性能也沒(méi)有顯著下降。當(dāng)考慮生產(chǎn)率時(shí),塊狀形狀比銷(xiāo)狀翅片或矩形翅片更容易制造,因此在制造方面來(lái)說(shuō)是有優(yōu)勢(shì)的。這種熱量接收構(gòu)件26可以通過(guò)機(jī)械加工或鍛造與熱量接收板22 —體地制造而成??蛇x地,單獨(dú)制造的塊可以通過(guò)銅焊或類(lèi)似方法焊接到熱量接收板22,然后經(jīng)受其表面被粗糙化的處理以達(dá)到I μ m到100 μ m的粗糙度。這種散熱塊31還可以被用于連接到散熱器28的散熱構(gòu)件27。(第四示例性實(shí)施例)接下來(lái),參照?qǐng)D6說(shuō)明本發(fā)明的第四示例性實(shí)施例。在第一示例性實(shí)施例的沸騰冷卻裝置20中,腔室24被布置成水平,但是本發(fā)明不局限于此。沸騰冷卻裝置20還可以如圖6所示以垂直方式設(shè)置。也就是說(shuō),熱量接收構(gòu)件 26和散熱構(gòu)件27可以沿垂直方向被定位成具有使熱量接收構(gòu)件26和散熱構(gòu)件27的法向垂直于熱量接收板22和散熱板23的位置關(guān)系。在這種情況下,在熱量接收構(gòu)件26和散熱構(gòu)件27中,至少熱量接收構(gòu)件26被浸沒(méi)在液體冷卻劑Cl中。利用這種結(jié)構(gòu)可以增加設(shè)計(jì)的自由度。在圖6所示的沸騰冷卻裝置20的實(shí)例中,連接到發(fā)熱體10的熱量接收構(gòu)件26在垂直方向上被設(shè)置成低于連接到散熱器28的散熱構(gòu)件27。采用這種結(jié)構(gòu),接收發(fā)熱體10的熱量的熱量接收構(gòu)件26通過(guò)使冷卻劑Cl通過(guò)將熱量傳送到液態(tài)冷卻劑Cl經(jīng)歷相變而產(chǎn)生氣泡。這里,產(chǎn)生的氣泡通過(guò)浮力沿垂直方向向上移動(dòng),并且通過(guò)與連接到散熱器28的散熱構(gòu)件27接觸,熱量被奪取。因此,氣體冷卻劑C2凝結(jié)并且變成滴液。關(guān)于熱量接收構(gòu)件26和散熱構(gòu)件27的位置關(guān)系,散熱構(gòu)件27相對(duì)于熱量接收構(gòu)件26位于下方,或者散熱構(gòu)件27可以相對(duì)于熱量接收構(gòu)件26位于上方。然而,至少需要將冷卻劑C注入到熱量接收構(gòu)件26的高度,從而使熱量接收構(gòu)件26浸沒(méi)在液體冷卻劑Cl中。因此,與位置關(guān)系無(wú)關(guān),發(fā)熱體10安裝在其上的熱量接收構(gòu)件26浸沒(méi)在液體冷卻劑C中。由于熱量接收構(gòu)件26出現(xiàn)沸騰,利用相變產(chǎn)生循環(huán),并且熱量被傳送通過(guò)整個(gè)腔室24并且經(jīng)由散熱器28被消散。(第五示例性實(shí)施例)接下來(lái),參照?qǐng)D7說(shuō)明本發(fā)明的第五示例性實(shí)施例。在上述第一示例性實(shí)施例的沸騰冷卻裝置20中,熱量接收構(gòu)件26被設(shè)置在構(gòu)成腔室24的熱量接收板22上,并且散熱構(gòu)件27被設(shè)置在面對(duì)熱量接收板22的散熱板23上。在該第五示例性實(shí)施例中,如圖7所示,熱量接收構(gòu)件26和散熱構(gòu)件27可以設(shè)置在一個(gè)導(dǎo)熱板32上。通過(guò)采用這種導(dǎo)熱板32,由于構(gòu)件共享,所以可以通過(guò)減少部件的總數(shù)提高生產(chǎn)率。這種導(dǎo)熱板32例如由金屬構(gòu)成。被傳遞通過(guò)該金屬的發(fā)熱體10的熱量從熱量接收構(gòu)件26移動(dòng)到散熱構(gòu)件27,并且可以通過(guò)冷卻劑C表現(xiàn)出與熱輸送結(jié)合的協(xié)同效應(yīng)。這種熱量接收的散熱構(gòu)件32可以通過(guò)機(jī)械加工或鍛造而制造而成??蛇x地,單獨(dú)制造的熱量接收構(gòu)件26和散熱構(gòu)件27的翅片可以通過(guò)銅焊連接。設(shè)置成面對(duì)導(dǎo)熱板32的密封板33可以由具有良好導(dǎo)熱率的鋁或銅制造,并且考慮到生產(chǎn)率,可以由諸如丙烯酸的樹(shù)脂制造。(第六示例性實(shí)施例)
接下來(lái),參照?qǐng)D8到圖10說(shuō)明本發(fā)明的第六示例性實(shí)施例。在上述第一示例性實(shí)施例的沸騰冷卻裝置20中,腔室24被設(shè)置為水平,但是本發(fā)明不局限于此。如圖8到圖10所示,在第六示例性實(shí)施例中,沸騰冷卻裝置10可以如圖9和圖10所示以垂直方式設(shè)置,并且緩沖箱40可以設(shè)置在沸騰冷卻裝置的上部位置。也就是說(shuō),在發(fā)熱體10沿垂直方向被設(shè)置在散熱器28的上端附近的情況下,需要將連接到發(fā)熱體10的熱量接收構(gòu)件26浸沒(méi)在液體冷卻劑Cl中。因此,液體冷卻劑Cl占有腔室24的內(nèi)部的較大部分。然而,當(dāng)液體冷卻劑Cl占有腔室24的內(nèi)部空間的較大部分時(shí),由于熱量接收構(gòu)件26處的相轉(zhuǎn)變,液體冷卻劑Cl被轉(zhuǎn)化成氣體冷卻劑C2,由此冷卻劑的體積增加。因此,可以容納冷卻劑C的空間消失,并且腔室24內(nèi)的壓力上升得多于所需要的。在這種情況下,由于冷卻劑C的沸點(diǎn)上升,因此具有不再能夠?qū)l(fā)熱體10冷卻到預(yù)定溫度的風(fēng)險(xiǎn)。
為了抑制這種內(nèi)部壓力的增加,如圖8到圖10所示的緩沖箱40變成氣體冷卻劑C2的真空空間。這種緩沖箱40被設(shè)置在散熱板23的上部并突出。用于容納氣體冷卻劑C2的緩沖空間形成在緩沖箱40內(nèi)。這種緩沖箱40沿垂直方向被設(shè)置在散熱板23的上部,并且在散熱器28上方。另一方面,連接到發(fā)熱體10的熱量接收構(gòu)件26被設(shè)置在與緩沖箱40相對(duì)的位置。圖10顯示此時(shí)冷卻劑C的順序圖。在連接到發(fā)熱體10的熱量接收構(gòu)件26處,液體冷卻劑Cl沸騰并且產(chǎn)生氣泡。當(dāng)那些氣泡從熱量接收構(gòu)件26分離時(shí),氣體氣泡(氣體冷卻劑Cl)占有的空間被釋放,并且液體冷卻劑C2流到該空間中,由此產(chǎn)生循環(huán)。因此,發(fā)熱體10的熱量被分散遍及腔室24,并且通過(guò)在垂直方向上的下部安裝在散熱構(gòu)件27上的散熱器28消散到空氣中。此時(shí),通過(guò)熱量接收構(gòu)件26產(chǎn)生的氣體被容納在緩沖箱40的內(nèi)部空間中,緩沖箱40安裝在散熱板23的上部。因此,可以防止腔室24的內(nèi)部壓力的上升,并且獲得用于發(fā)熱體10的冷卻作用,發(fā)熱體10安裝在腔室24的上部上。此外,在發(fā)熱體10的熱量大時(shí),由于越多的液體冷卻劑C2沸騰,則越多的液體冷卻劑C2需要存在于熱量接收構(gòu)件26的附近。在該情況下,通過(guò)將冷卻劑C儲(chǔ)存在緩沖箱40的一部分中而補(bǔ)償缺乏的冷卻劑C,還可以適應(yīng)具有大的熱量產(chǎn)生量的發(fā)熱體10。以上已經(jīng)參照附圖詳細(xì)地說(shuō)明了本發(fā)明的示例性實(shí)施例,但是具體結(jié)構(gòu)不局限于示例性實(shí)施例,并且還涵蓋了不背離本發(fā)明的保護(hù)范圍的設(shè)計(jì)修改等等。本申請(qǐng)基于并且要求了于2010年5月19日提交的日本專(zhuān)利申請(qǐng)第2010-115539號(hào)的優(yōu)先權(quán)的權(quán)益,該申請(qǐng)的公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用在此全文并入。工業(yè)應(yīng)用性本發(fā)明可以用于沸騰冷卻裝置。采用這種沸騰冷卻裝置可以通過(guò)利用沸騰且液化的冷卻劑的相變現(xiàn)象抑制LSI和IC的熱量產(chǎn)生。附圖標(biāo)記的說(shuō)明10 發(fā)熱體20 沸騰冷卻裝置21 側(cè)板部分22 熱量接收板23 散熱板
24腔室26熱量接收構(gòu)件27散熱構(gòu)件28散熱器32導(dǎo)熱板Cl(C)液體 冷卻劑C2(C)氣體冷卻劑
權(quán)利要求
1.一種沸騰冷卻裝置,所述沸騰冷卻裝置包括 腔室,所述腔室包括導(dǎo)熱板和氣密空間,所述導(dǎo)熱板具有設(shè)置在所述導(dǎo)熱板的外側(cè)面上的發(fā)熱體,所述氣密空間設(shè)置在所述導(dǎo)熱板的內(nèi)側(cè),所述氣密空間填充有經(jīng)歷液體和氣體之間的相變的冷卻劑; 散熱器,所述散熱器設(shè)置在所述導(dǎo)熱板的外側(cè)面上; 熱量接收構(gòu)件,所述熱量接收構(gòu)件設(shè)置在所述導(dǎo)熱板的內(nèi)側(cè)面上以與所述發(fā)熱體相對(duì),其中所述導(dǎo)熱板被夾在所述熱量接收構(gòu)件和所述發(fā)熱體之間,所述熱量接收構(gòu)件將在所述發(fā)熱體處產(chǎn)生的熱量傳遞到冷卻劑;和 散熱構(gòu)件,所述散熱構(gòu)件設(shè)置在所述導(dǎo)熱板的內(nèi)側(cè)面上,所述散熱構(gòu)件接收通過(guò)冷卻劑傳遞的熱量并使熱量消散到所述散熱器, 所述熱量接收構(gòu)件和所述散熱構(gòu)件在所述導(dǎo)熱板的表面方向上被設(shè)置成彼此分隔開(kāi),并且 所述熱量接收構(gòu)件被浸入液態(tài)的冷卻劑中。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的沸騰冷卻裝置,其中 所述導(dǎo)熱板是熱量接收板和散熱板,所述熱量接收板和所述散熱板彼此面對(duì)設(shè)置且所述氣密空間被夾在所述熱量接收板和所述散熱板之間; 所述發(fā)熱體和所述熱量接收構(gòu)件設(shè)置在所述熱量接收板上;和 所述散熱器和所述散熱構(gòu)件設(shè)置在所述散熱板上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的沸騰冷卻裝置,其中,所述熱量接收構(gòu)件距離所述熱量接收板的高度和所述散熱構(gòu)件距離所述散熱板的高度被分別設(shè)定為所述熱量接收板和所述散熱板之間的距離的大約一半的尺寸。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的沸騰冷卻裝置,其中 所述熱量接收構(gòu)件與所述散熱板的內(nèi)側(cè)面分隔開(kāi)至少I(mǎi)mm或更多;以及 所述散熱構(gòu)件與所述熱量接收板的內(nèi)側(cè)面分隔開(kāi)至少I(mǎi)mm或更多。
5.根據(jù)權(quán)利要求I到4中任一項(xiàng)所述的沸騰冷卻裝置,其中,所述熱量接收構(gòu)件和所述散熱構(gòu)件包括以直立方式安裝在所述導(dǎo)熱板的內(nèi)側(cè)面上的多個(gè)翅片。
6.根據(jù)權(quán)利要求I到4中任一項(xiàng)所述的沸騰冷卻裝置,其中,所述熱量接收構(gòu)件和所述散熱構(gòu)件為固定到所述導(dǎo)熱板的內(nèi)側(cè)面的立方體塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求I到6中任一項(xiàng)所述的沸騰冷卻裝置,其中,在所述熱量接收構(gòu)件和所述散熱構(gòu)件的表面上執(zhí)行具有I μ m到100 μ m范圍的表面粗糙度的表面粗糙化。
8.根據(jù)權(quán)利要求I到7中任一項(xiàng)所述的沸騰冷卻裝置,其中,所述腔室包括緩沖箱,氣態(tài)的冷卻劑流入所述緩沖箱中。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的沸騰冷卻裝置,其中,所述熱量接收構(gòu)件和所述散熱構(gòu)件被浸入液態(tài)的冷卻劑中。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種沸騰冷卻裝置,包括腔室、散熱器、熱量接收構(gòu)件和散熱構(gòu)件。腔室包括導(dǎo)熱板和氣密空間,所述導(dǎo)熱板具有設(shè)置在所述導(dǎo)熱板的外側(cè)面上的發(fā)熱體,所述氣密空間設(shè)置在導(dǎo)熱板的內(nèi)側(cè),氣密空間填充有經(jīng)歷液體和氣體之間的相變的冷卻劑。散熱器設(shè)置在導(dǎo)熱板的外側(cè)面上。熱量接收構(gòu)件設(shè)置在導(dǎo)熱板的內(nèi)側(cè)面上且與發(fā)熱體相對(duì),其中導(dǎo)熱板被夾在熱量接收構(gòu)件和發(fā)熱體之間,并且熱量接收構(gòu)件將在發(fā)熱體處產(chǎn)生的熱量傳遞到冷卻劑。散熱構(gòu)件設(shè)置在導(dǎo)熱板的內(nèi)側(cè)面上,接收通過(guò)冷卻劑傳遞的熱量,并使熱量消散到散熱器。熱量接收構(gòu)件和散熱構(gòu)件在導(dǎo)熱板的表面方向上被設(shè)置成彼此分隔開(kāi)。熱量接收構(gòu)件被浸入液態(tài)的冷卻劑中。
文檔編號(hào)H01L23/427GK102869943SQ20118002031
公開(kāi)日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2011年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月19日
發(fā)明者松永有仁, 吉川實(shí), 坂本仁 申請(qǐng)人:日本電氣株式會(huì)社