JP2009532886A

JP2009532886A - 液体沸騰を使用する低コストの沸騰冷却器

Info

Publication number: JP2009532886A
Application number: JP2009503330A
Authority: JP
Inventors: キム，ジェシー
Original assignee: ヴァプロ，インク．
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2007-03-31
Publication date: 2009-09-10
Also published as: WO2007115241A2; WO2007115241A3; EP2002194A2; CN101568791A

Abstract

沸騰２相冷却を使用する低コストの沸騰冷却器が開示されている。沸騰の蒸気が、沸騰増大面を使用する沸騰冷却器内における熱拡散の主な手段であり、液体冷却材を収容している容器内で核沸騰熱伝達を著しく増加させるとき、容器の本体シェルは少なくとも部分的に、製造コストを減らす安価な材料で作ることができる。本体シェルは、特定の電子冷却アプリケーションの要件を満たすために電気的に絶縁することもできる。液体冷却剤は、水など低コストの媒体を使用することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、多数の冷却アプリケーションの核沸騰熱伝達に用いる低コストの沸騰冷却器の構成及び組立に関する。

電子機器からの熱流束は増加し続けており、人々はより効率的であり、高価ではない冷却技術を求めている。単一相の熱伝達又は蒸発に基づく２相の冷却（ヒートパイプにおける熱サイホンなど）ではなく、液体沸騰は、より高い熱伝達率を作り出し、機器および／または機器のアレイの表面にわたってより均一な温度分布をもたらすことができるので、これは魅力的なオプションになっている。さらに、電子機器を冷却するためのなんらかの最も好適な誘電液体冷却液の不十分な特性、例えば高い湿潤性、低接触角、及び比熱などを克服するために、多くの沸騰増大機構が開発されている。一つの有望な沸騰増大方法は、初期のヒステリシスを減らしつつ核沸騰熱伝達及び限界熱流束を著しく増大させる微孔性のコーティングを使用することである。これらの技術の利点を有する冷却モジュールは、液体の蒸発のための沸騰を従来のヒートシンクに用いられる伝導や対流ではなく主要な手段として熱拡散させる。これによって、冷却器の本体フレームである金属材料を最大限に使用することを少なくとも一部置き換えるか完全になくして、又は複雑なラジエータのないモジュール構成において簡素にすることができ、かなりこの製造コストを下げることができる。

ある現在の電子冷却装置は、空気調節マニホルドを用いて、装置の囲まれた空間内の複数のオリフィス又は渦の管を通して加熱電子アセンブリに冷却された空気を分散させる。しかしながら、電力消費空気循環システム及びこの複雑な構造によって、このような装置は高価で嵩張り、様々な電子システム構成に対して柔軟性がない。電子装置用の別の冷却装置は液体の冷却と対流を組み合わせて用いる。しかし、液体冷却は、あまり効率的ではないポンプ駆動式の液体循環に限定されず、必要とされる熱負荷を満たすために空気を対流させる電動ファンの補助を必要としうる。本発明において開示される沸騰冷却器は、消費電力ゼロ、高熱伝達率、低コスト、物理的形状における柔軟性、及び小型化の可能性に関し、これらの従来の電子冷却装置の多くの欠点を克服し、電子構成部品／システム冷却を含む多数の冷却アプリケーションのためにかなり好適にする。

本発明に従って、沸騰２相冷却を使用する沸騰冷却器が、多数の冷却アプリケーション用にかなり構造的及び材料的に柔軟性のある低コストの解決手段を提供する。本発明の一態様において、沸騰冷却器は、液体冷却剤で部分的に満たされ、液体蒸気を周辺に熱拡散させるために容器内に追加の開放空間を具える主に非金属材料で作られた本体シェルによって囲まれた容器と、自然対流による、又は必要な場合、強制空気対流による追加の冷却のために延在する面領域とを具える。本体シェルの一部は熱伝導性であり、発熱部品を連結するように用いられ、熱流束は液体へ伝えられ、核沸騰が、複数の沸騰増大処理（機械的な粗面仕上げ又は微孔性のコーティングなど）が使用されている面に起こる。この熱伝導側部は、発熱装置部品の本体部の面自体の一部として一体型の冷却器にしてもよい。本発明の別の実施例において、容器のプラスチックの本体シェルは簡単に成形して、複数の所望される形状、そうでなければ金属で作ることが不可能であるか、高すぎる、複雑か非対称に形成することができる。さらに本発明の別の実施例において、より大きい熱負荷を有するいくつかの器具／システム用に、冷却器は、突出する形又はフィンを具えて乾燥した銅粉によって成型された容器を具えることができ、これは、すべてプラスチック材料を使用したモジュールより熱伝導率がよいが、すべて機械加工された金属を使用するモジュールよりもコストは低い。冷却器の代替の構造は、金属の本体シェルを具える容器にプラスチックの端部キャップ又は上部／下部を具えることができる。本発明の別の実施例において、水など低コストの液体冷却剤を用いることができる。

本発明は、機械的な粗面仕上げ、焼結、および／または微孔性のコーティングを含む沸騰増大容器の面の処理と組み合わせて、高価ではない非金属又は低コストの液体冷却剤を使用する簡易構成における容器を具える沸騰冷却器を示している。本発明の好適な実施例は、米国特許出願シリアルナンバー１１／２７２，３３２に開示されたＹｏｕ及びＫｉｍ（２００５）によって開発された熱伝導微孔性コーティング（ＴＣＭＣ）を使用する。このコーティング技術は、混合バッチタイプ及び熱伝導微孔性構造の利点を組み合わせている。微孔性の面は、熱伝導結合剤と併せてニッケル、銅、アルミニウム、銀、鉄、真鍮、及び様々な合金を含むはんだ付けのプロセスによって結合できる何らかの金属を含む様々な大きさの粒子を使用して作られる。コーティング４０は、溶媒と混合しつつ基板３０の表面に使用される。溶媒は、粒子を結合するよう結合剤を十分に溶解するために表面を加熱する前に使用後に気化する。図１Ａは、基板の上部に形成された空洞及び粒子のコーティング構造全体の断面図である。

混合バッチタイプのアプリケーションは、極度に高い操作温度を必要とすることなく高価ではなく簡単なプロセスである。このプロセスによって作られたコーティング面は、結合剤の高い熱伝導率によってこの厚さに感応しない。従って、大きいサイズの空洞は、沸騰増大の重大な低下を引き起こすことなく、水など湿潤性が不十分であるが潜在的に低コストの何らかの流体に対し微孔性の構造に構成できる。これによって、沸騰冷却器は、選択された液体の表面張力に合致するよう形成された多孔性の空洞の大きさの範囲が沸騰熱伝達性能を最適にするように金属粒子の大きさを簡単に調整することによって、様々なタイプの液体冷却剤に対してこの高い冷却効率を保持する。図１Ｂは、はんだペーストと混合した−１００＋３２５メッシュのニッケルパウダーを使用する約３０乃至５０μｍの大きさのニッケル粒子を含むコーティング面のＳＥＭ画像を示す。はんだペーストは、ニッケル粒子間の結合剤として明瞭に見られ、結果として多数の微孔性の空洞を作っている。このような３０乃至５０μｍの範囲の大きさの粒子を有するコーティングは、液体冷却剤である水に対し優れた沸騰熱伝達性能を提供することが分かっている。

本発明の好適な実施例に従った沸騰冷却器が、本発明の一実施例に従って、熱伝導側部１３０を具えるベースチャンバ１２０と、１又はそれ以上の上側チャンバ１１０とを具える囲まれた容器として図２に示されている。熱伝導微孔性コーティング（ＴＣＭＣ）１４０が、加熱電子構成部品１００がベースチャンバ１２０の外側から連結されているベースチャンバ１２０内で伝導側部１３０の表面に使用される。液体冷却剤１５０は、ベースチャンバ１２０を部分的に満たして、ＴＣＭＣ１４０の表面領域を少なくとも部分的に覆っており、加熱エレメント／器具１００から伝えられる熱流束がＴＣＭＣ１４０の微孔性の面に液体１５０の核沸騰を引き起こすことができる。この沸騰冷却器において、核沸騰熱伝達は、ＴＣＭＣ１４０によって著しく増加し、液体１５０内へ熱を分散させるための主要な方法である。この場合の伝導はそれほど重要ではなく、冷却容器の本体シェル全体は、熱伝導側部１３０を除いてプラスチック材などの非金属で作ることができる。液体沸騰から出る蒸気は、１又はそれ以上の延在するプレート１８０と、自然の又は強制空気対流によって最大の熱交換を達成するように取り付けられた多数の突出するフィン１７０とを具える上側チャンバ１１０の開放空間１６０内に保持される。

本発明の液体沸騰冷却器の利点には、装置内にラジエータやその他の複雑な熱交換器を必要とせず、これをかなり好適に電子冷却アプリケーション用に小型化することである。図２に示されるように、沸騰冷却器は、高さｈ及び３００ｍｍ以下の横の長さＬにすることができる。丸い形状以外に、図２の冷却器は、容器を密閉する２つの端部キャップを必要として細長く（図に示されている部分に対して垂直）することができる。これは、プラスチック材を全体に使用する代わりに、高い熱伝導率の利点を活かすように、発熱装置に接触する側部および対流熱交換に対する全ての突出するフィン構造を含む容器の主要な部分にアルミニウムや銅など一般的な金属を使用しても良く、端部キャップはプラスチックで作って製造コストを減少させることができる。

ＴＣＭＣ１４０と組み合わせた沸騰冷却器の利点は、冷却容器の本体シェルの主要部分を非金属材料で作って、コストを節約できるということである。この沸騰冷却器の熱伝達は、液体沸騰を強化したＴＣＭＣ及び冷却容器の開放空間１６０を通じた追加的な蒸気の熱拡散によって冷却容器内で基本的に起こる。従って、沸騰冷却器が、様々な加熱エレメント／器具用のヒートシンクを具える多くの従来の冷却器と同じように高伝導性の金属の本体シェルを具えることは重要ではない。シェルを介して面へ熱を伝導し、強制空気対流を使用することによって冷却することが広く知られた冷却方法であるので、銅やアルミニウムなどの一般的な金属である高熱伝導性の材料をこれらの従来の冷却器の本体シェルに使用しなければならない。図２に示されるように、一実施例において、これらの突出するフィン１７０及び延在するプレート１８０を具える容器チャンバ１１０及び１２０の本体シェルの主要な部分は、何からの金属よりも高価ではないプラスチック、ビニル、又は紙などを含む非金属材料で作ることができる。また、材料コストを減少させるだけではなく、これらの突出するフィン構造用のプラスチック成形の特性は、金属処理と比較して製造コストを減少させる。さらに、これらの非金属の本体シェルは電気的に絶縁することができ、特定の電子冷却アプリケーション用の導電性の金属シェルを具える従来の冷却器よりも優れた利点を提供する。

ＴＣＭＣを使用した沸騰冷却器のさらなる利点は、簡単な工程変更を使用して、空洞を作る粒子サイズに関してＴＣＭＣ沸騰増大コーティングを最適化して、確実に幅広い液体冷却剤の種類用の核沸騰熱伝達率及び限界熱流束の仕様を低下させないようにできることである。これは、特別に開発された冷媒や化学流体の代わりに水など安価な液体を使用できる場合、より低コストの沸騰冷却器を当然にもたらす。上述のように、はんだペーストと混合した−１００＋３２５メッシュのニッケルパウダーを使用する約３０乃至５０μｍの大きさのニッケル粒子を含むＴＣＭＣ面は、液体冷却剤である水に対し優れた沸騰熱伝達性能を提供することが分かっている。

ＴＣＭＣ沸騰増大面の処理は本発明の好適な実施例であるが、機械的な粗面仕上げ、焼結、および／または従来の微孔性のコーティングなど複数の他の沸騰増大技術が、本発明に従った沸騰冷却器と一体的に使用されるべきである。

核沸騰と組み合わせたこの冷却器のさらに別の実施例において、フィンを具えるチャンバシェルは、成形及び乾燥した銅粉を使用して構成することができ、これは、すべてプラスチック材料を使用したモジュールより熱伝導率がよいが、すべて機械加工された金属を使用するモジュールよりもコストは低い。同様に、熱伝導性のプラスチック複合材料は、本発明に従った沸騰冷却器を構成する別の候補にすることができる。冷却容器内の核沸騰熱伝達に加えて比較的大きい熱負荷を有するなんらかの器具／システムを冷却するために、伝導性の本体シェルは、冷却器の環境と共により効率的な熱交換を必要とする。

本発明の別の実施例において、プラスチックでできた本体シェルは、不可能ではない場合、金属を使用して製造することによって通常、高価である非対称の形状又は小さい詳細な特性を具える比較的複雑な構造内へ成形することができる。図３は、凹凸のある形状、及び例えば寸法Ｌ_１（垂直方向の寸法は図示せず）の共通のベースチャンバの上でｈ_１及びｈ_２など異なる高さの多数の上側チャンバ２２１及び２２２を具える本体シェル２７１によって囲まれた容器２２０を具えるこのような沸騰冷却器の一例を示す。また、沸騰冷却器は、熱伝導側部のシェル２３１（本体シェル２７１の一部）上に沸騰増大面２４１を具え、部分的に液体冷却剤２５１で満たされる。沸騰によって生成された蒸気は、対流による冷却のための余分の通路を追加する延在する空間２６１全てにわたって熱の拡散を補助する。いくつかの場合には、多くの電気又はフォトニック構成部品／機器がしっかりとパックされている電気回路のモジュール式の基板および／またはシステムラインカードは、付随する又は一体型の冷却器のための機械的構成において厳しい要件を有する。冷却容器の本体シェルにプラスチック材料を使うことによって、コストが高くなることを心配せずに冷却器を複雑な形状又は特有の寸法に簡単にすることができる。他のシステムアプリケーションにおいて、強制空冷は使用されなくても良く、従来のヒートシンクはこれらの電子システムからの増加し続けている熱流束を処理することはできなくなる。本発明に従った沸騰増大面を使用した冷却器は、容器内で効率的な冷却を達成し、強制空気対流はこのシステムに重要ではなくなる。さらに、自然の又は強制空気対流はさらに、この沸騰冷却器の容器の延在する外面を介した追加の熱交換を提供することができる。

本発明のさらに別の実施例において、沸騰冷却器の容器は、発熱部品の組み込み部分に変形されている。言い換えると、冷却器及び発熱部品は、集合した又は一体型のユニットとして一緒に構成される。図４は、このような沸騰冷却器の一例を示し、この熱伝導側部３３０は、本質的に、発熱部品３００の本体シェル（少なくとも一部の面を覆う）である。面の沸騰増大処理３４０は、容器内の面の側部３３０に少なくとも部分的に使用される。本体シェル３２０のその他の部品は、プラスチック、ビニル、紙、又は成形及び乾燥した銅粉を含む高価ではない材料から作ることができ、これは側部３３０で密閉され、部分的に満たされた液体冷却材３５０を保持する囲まれた容器を形成する。図４に示されるように、本体シェル３２０の形は、対流冷却のさらなる利点のために延在する面領域を具えるように意図的に作られる。本体シェル３２０の形は比較的凹凸があるが、プラスチックなどの材料を選択しているので、これは簡単に安く作ることができる。この場合の寸法ｈ_３及びＬ_３は基本的に、発熱部品３００の寸法に依存する。

本発明の前述の実施例は、図及び記述によって開示されている。これらは、記述した正確な形に本発明を限定する意図ではない。特に、ここに開示した発明の有効な実装が、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、および／または他の利用可能な有効な部品又は構成要素において均等に実施されてもよいと考えられる。他の態様および／または実施例は、上記の教示に関して可能であり、本発明の範囲は、この詳細な記述ではなく、クレームによってのみによって限定されることを意図している。

図１Ａは、本発明、沸騰冷却器内で熱伝導側部の上面に連結した微孔性沸騰増大コーティングの好適な実施例の断面図を示す。図１Ｂは、３０乃至５０μｍの大きさの粒子を具えるコーティング構造の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像である。図２は、チャンバを部分的に満たす液体冷却剤を有するベースチャンバの下部の沸騰増大コーティングと組み合わせて、ベースチャンバと、延在するプレート及び突出するフィンを具える１（又はそれ以上）の上側チャンバとを具える囲まれた容器である沸騰冷却器の断面図である。図３は、本発明の別の実施例に従って、比較的複雑で、非対称のシェル形状の容器と、延在する面領域とを具える沸騰冷却器の概略を示す断面図である。図４は、加熱電子構成部品の周囲を部分的に囲む容器を具える沸騰冷却器の概略を示す断面図であり、熱伝導性の本体シェルの加熱電子構成部品の部分は冷却容器の本体シェルの一部でもある。核沸騰熱伝達を強化するために、微孔性のコーティングが前記熱伝導面に使用され、これは、容器内の液体中に少なくとも部分的に浸漬される。

Claims

沸騰冷却器において：
熱伝導側部を具える本体シェルで囲まれた容器と；
前記容器を少なくとも部分的に満たす液体冷却剤と；
前記容器内の１の面の前記熱伝導側部に連結された沸騰増大面とを具えることを特徴とする沸騰冷却器。
請求項１に記載の沸騰冷却器がさらに、前記容器内の前記沸騰増大面によって増加する液体沸騰熱伝達によって、及び前記容器内の開放空間へ熱を拡散する蒸発作用によって、前記容器の外側の１の面において前記熱伝導側部に連結された発熱部品を冷却する手段を具えることを特徴とする沸騰冷却器。
請求項１に記載の沸騰冷却器において、前記容器の前記本体シェルが、複数の冷却アプリケーション用に１０ｍｍ乃至２０００ｍｍの範囲の寸法で構成されることを特徴とする沸騰冷却器。
請求項３に記載の沸騰冷却器において、前記容器の前記本体シェルが、１又はそれ以上の延在するプレートと、１又はそれ以上の突出するフィンとを具えることを特徴とする沸騰冷却器。
請求項３に記載の沸騰冷却器において、前記容器の前記本体シェルが少なくとも部分的に、プラスチック、ビニル、紙、又は成形及び乾燥した銅粉から構成されることを特徴とする沸騰冷却器。
請求項３に記載の沸騰冷却器において、前記容器の前記本体シェルがさらに、電気的に絶縁されているおよび／または熱伝導性のプラスチックから構成されることを特徴とする沸騰冷却器。
請求項１に記載の沸騰冷却器において、前記容器内の１の面の前記熱伝導側部に連結された前記沸騰増大面が少なくとも部分的に、前記液体冷却剤内に沈んでいることを特徴とする沸騰冷却器。
請求項７に記載の沸騰冷却器において、前記沸騰増大面が、機械的な粗面仕上げ、焼結、微孔性のコーティング、又は熱伝導性の微孔性のコーティングによって処理された構造を具えることを特徴とする沸騰冷却器。
請求項８に記載の沸騰冷却器において、前記熱伝導性の微孔性のコーティングが、混合された空洞形成粒子のバッチと熱伝導性の結合剤とを組み合わせることによって形成されることを特徴とする沸騰冷却器。
請求項８に記載の沸騰冷却器において、前記熱伝導性の微孔性のコーティングがさらに、多数の低コストの液体冷却剤の種類に対して、８μｍ乃至２００μｍ内の大きさの範囲で最適化された前記空洞形成粒子から構成されることを特徴とする沸騰冷却器。
請求項１０に記載の沸騰冷却器において、前記低コストの液体冷却剤が水を含むことを特徴とする沸騰冷却器。
一体型の冷却装置において：
シェル及び熱伝導側部を電気的に絶縁する非金属によって囲まれた容器であって、前記熱伝導側部が発熱部品の本体部の面の一部である容器と；
前記容器を少なくとも部分的に満たす液体冷却剤と；
前記発熱部品の１の面に連結された前記容器内の沸騰増大コーティングとを具えることを特徴とする冷却装置。
請求項１２に記載の冷却装置において、前記シェルを電気的に絶縁する非金属が、１０ｍｍ乃至２０００ｍｍの範囲の寸法及び複数の冷却アプリケーションに適した形状で構成されることを特徴とする冷却装置。
請求項１３に記載の冷却装置において、前記シェルを電気的に絶縁する非金属がさらに、対流によって熱を周囲へ拡散するために多数の突出するフィンを具える１又はそれ以上の延在するプレートを具えることを特徴とする冷却装置。
請求項１３に記載の冷却装置において、前記シェルを電気的に絶縁する非金属が少なくとも部分的に、プラスチック、ビニル、又は紙から構成されることを特徴とする冷却装置。
請求項１３に記載の冷却装置において、前記シェルを電気的に絶縁する非金属が熱を伝導することができることを特徴とする冷却装置。
請求項１２に記載の冷却装置において、前記発熱部品の１の面に連結された前記沸騰増大コーティングが少なくとも部分的に、前記液体冷却剤内に沈んでいることを特徴とする冷却装置。
請求項１７に記載の冷却装置において、前記沸騰増大コーティングが、混合された空洞形成粒子のバッチと熱伝導性の結合剤とを組み合わせることによって形成された微孔性の面構造を具えることを特徴とする冷却装置。
請求項１７に記載の冷却装置において、前記沸騰増大コーティングがさらに、多数の低コストの液体冷却剤の種類に対して、８μｍ乃至２００μｍ内の大きさの範囲で最適化された前記空洞形成粒子から構成されることを特徴とする冷却装置。
請求項１９に記載の冷却装置において、前記低コストの液体冷却剤が水を含むことを特徴とする冷却装置。