TW201447199A - 蒸發器、冷卻裝置及電子設備 - Google Patents

蒸發器、冷卻裝置及電子設備 Download PDF

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Abstract

一種蒸發器包括：一具有數個管狀凸部的多孔介質；一蒸汽腔室及一液體腔室，以該多孔介質分開，該液體腔室並用作為一液體貯室；一外殼，其具有一與一蒸汽管線連接的第一部，一在一側處與一液體管線連接的第二部，及數個設置於該第一部上的凸體；以及一高導熱構件，其設置於該液體腔室內，該高導熱構件是從與該液體管路連接的該一側延伸至位於相對該一側的一相對側，該高導熱構件具有較該第二部為高的導熱性。

Description

蒸發器、冷卻裝置及電子設備 發明領域
本文討論的實施例係有關於一種蒸發器、冷卻裝置及電子設備。
發明背景
舉例來說，作為一種用來冷卻一發熱元件，例如設置於如電腦的電子設備中的電子組件之冷卻裝置，存在有利用氣液兩相流(two-phase vapor-liquid flow)的冷卻裝置。這樣的冷卻裝置是利用當一液態工作流體蒸發且改變成氣態時產生的汽化潛熱來達到高度冷卻性能。
舉例來說，現有一種回路熱管(LHP)作為冷卻裝置。回路熱管包含一具有多孔介質(芯)的蒸發器，及一冷凝器。於該回路熱管內，該蒸發器的出口與該冷凝器的入口是以一蒸汽管線連接，且該冷凝器的出口與該蒸發器的入口是以一液體管線連接，使一工作流體密封於該回路熱管內。
這樣的回路熱管能以例如，以該多孔介質的毛細作用力循環該工作流體來輸送熱，而無需使用液體輸送泵 或類似物。
舉例來說，於某些回路熱管內，該液體管線設置有液體輸送泵以用於循環路徑壓強損失大的情況，例如當一受熱段與一散熱段分開一大段距離且熱輸送距離也大時，或是當該受熱段是製得較薄以如微型管道的情況設置較窄管道時。
若將一平坦多孔介質用於上述回路熱管內所設置的蒸發器，則由於其蒸發面積小可能不會達到充分的冷卻性能。
另外還有的回路熱管中，為了提供較大的蒸發面積來改善冷卻性能，多孔介質與加熱表面以不規則設置，並彼此配合。然而，在因發熱元件所產生的熱量增加而增加蒸發量的情況時，工作流體不會輕易迅速地供應至該多孔介質加熱表面側上的端部，而發生乾涸。因此，蒸發面積變小，會導致冷卻性能的大幅度降低。
進一步地，可想到的是將蒸發器設置有一液體腔室，其亦用作為一液體貯室，且將一液體管線連接至該液體腔室的一側。於此例中，若該蒸發器在其平面的方向擴大來提供較大的蒸發面積以因應發熱元件所產生的熱量增加，則在該液體腔室內的液態工作流體之溫度會在與連接該液體管線的一側相對的那側處變高。因此，會形成蒸汽(氣泡)，而造成冷卻性能的大幅降低。
以下為參考文獻。
[文獻1]日本公開專利公告號11-95873
[文獻2]日本公開專利公告號2007-247931
[文獻3]日本公開專利公告號2009-115396
[文獻4]日本公開專利公告號09-186278
[文獻5]日本公開專利公告號06-29683
[文獻6]國際專利申請的日本國家公告號2010-527432
發明概要
根據本發明的一觀點，一種蒸發器包含：一具有數個管狀凸部的多孔介質；一蒸汽腔室及一液體腔室，以該多孔介質分開，該液體腔室並用作為一液體貯室；一外殼，具有一與一蒸汽管線連接的第一部，該第一部界定該蒸汽腔室，一在一側處與一液體管線連接的第二部，該第二部具有較該第一部為低的導熱性，該第二部界定該液體腔室，及數個設置於該第一部上的凸體，該數個凸體是向該第二部凸伸，該數個凸體各配合於該多孔介質的各該數個管狀凸部內；以及一高導熱構件，設置於該液體腔室內，該高導熱構件是從與該液體管路連接的該一側延伸至位於相對該一側的一相對側，該高導熱構件具有較該第二部為高的導熱性。
1‧‧‧冷卻裝置
2‧‧‧蒸發器
3‧‧‧冷凝器
4‧‧‧蒸汽管線
5‧‧‧液體管線
6‧‧‧多孔介質
6A‧‧‧管狀凸部
6B‧‧‧平坦部
6C‧‧‧插孔
6D‧‧‧凹槽
7,8‧‧‧蒸汽腔室，液體腔室
9‧‧‧外殼
9A‧‧‧下部(第一部)
9AX‧‧‧底板
9AY‧‧‧凹部
9B‧‧‧上部(第二部)
9BX‧‧‧框架
9BY‧‧‧蓋體
9C‧‧‧凸體
9D‧‧‧蒸汽管線連接開口
9E‧‧‧液體管線連接開口
10‧‧‧高導熱構件
10X‧‧‧板狀構件
10XA‧‧‧孔
10XB‧‧‧長型孔
10Y‧‧‧桿狀構件
10Z‧‧‧熱管
50‧‧‧殼體
51‧‧‧電子組件
51X‧‧‧CPU
52‧‧‧佈線板
53‧‧‧鼓風扇
54‧‧‧電源供應器
55‧‧‧硬碟驅動器
56‧‧‧散熱膏
57‧‧‧散熱片
圖1是顯示根據本發明實施例設置於一冷卻裝置內的蒸發器的構造之示意橫剖圖；圖2是顯示該冷卻裝置及根據本實施例包含該冷卻裝置的電子設備的構造之示意透視圖； 圖3是顯示根據本實施例設置於該冷卻裝置內的蒸發器的構造之分解透視圖；圖4是顯示根據本實施例設置於該冷卻裝置內的蒸發器的變化構造之分解透視圖；圖5是顯示根據本實施例設置於該冷卻裝置內的蒸發器的變化構造之分解透視圖；圖6是顯示根據本實施例設置於該冷卻裝置內的蒸發器的變化構造之分解透視圖；圖7是顯示根據本實施例設置於該冷卻裝置內的蒸發器的變化構造之分解透視圖；圖8是顯示在考慮本實施例構想時的一蒸發器的構造之示意橫剖圖；圖9A是顯示當使用根據一比較例未設有高導熱構件的蒸發器，在一發熱元件產生約170W的熱的情況時，於一液體腔室內的液體溫度之分佈情形；圖9B是顯示當使用根據本實施例設有高導熱構件的蒸發器，在一發熱元件產生約170W的熱的情況時，於一液體腔室內的液體溫度之分佈情形；圖10是顯示其多孔介質設置有九個管狀凸部的蒸發器的構造之示意橫剖圖；圖11是顯示根據比較例未設有高導熱構件的蒸發器的構造之示意橫剖圖；及圖12是顯示根據本實施例該冷卻裝置的有益效果。
較佳實施例之詳細說明
以下，將參考圖1至12說明根據本發明實施例的蒸發器、冷卻裝置及電子設備。
舉例來說，根據本實施例的冷卻裝置，是一種冷卻一發熱元件，例如設置於如電腦(例如，伺服器或個人電腦)的電子設備中的電子組件之冷卻裝置。該電子設備亦指為電子裝備。而且，譬如，該電子組件為CPU或LSI芯片。
舉例來說，首先，如圖2所示，根據本實施例之電子設備於一殼體50內，包含一供數個電子組件51安裝於上之佈線板52(例如印刷電路板)、一以空氣來冷卻該佈線板52上電子組件51的鼓風扇53、一電源供應器54，及一為輔助儲存裝置的硬碟驅動器(HDD)55。
該數個電子組件51包含一為發熱元件的電子組件，亦即一發熱組件。於此例子中，該發熱組件是一中央處理單元(CPU)51X。由於作為發熱組件的CPU 51X單獨以來自該鼓風扇53的空氣不能充分冷卻，因此安裝一冷卻裝置1(於此例中其為一回路熱管)以冷卻該CPU 51X。
於此實施例中，該冷卻裝置1是一利用汽液兩相流的冷卻裝置，其利用當一液態工作流體蒸發且改變成氣態時產生的汽化潛熱來達到高度的冷卻性能。
亦即，根據此實施例的冷卻裝置1是一回路熱管，具有密封於該回路熱管內的工作流體(例如乙醇)。該冷卻裝置1包含一使液態的工作流體蒸發之蒸發器2、一使氣 態的工作流體凝結之冷凝器3、一連接該蒸發器2和該冷凝器3且供該氣態的工作流體流經之蒸汽管線4，及一連接該冷凝器3和該蒸發器2且供該液態的工作流體流經之液體管線5。
如圖1所示，於該回路熱管1中，該蒸發器2設置有一多孔介質6。該工作流體可以該多孔介質6的毛細作用力循環，藉以來輸送熱。
亦即，於此例子中，該蒸發器2是熱連接於為發熱組件的CPU 51X。舉例來說，該蒸發器2是被帶至以透過散熱膏(thermal grease)56與設置於該佈線板52上的CPU 51X緊密接觸，以將來自CPU 51X的熱擴散至該蒸發器2。
因此，供應至該蒸發器2的液態工作流體的一部分會從設置於該蒸發器2內的多孔介質6之表面滲出。從該多孔介質6之表面滲出的液態工作流體因從為發熱組件的CPU 51X傳送的熱而蒸發(汽化)，並且改變成氣態。
如圖2所示，氣態的工作流體經由該蒸汽管線4流入該冷凝器3內。因此，該蒸發器2內所吸收的熱會傳送至該冷凝器3。
然後，進入該冷凝器3內之氣態的工作流體因該工作流體在該冷凝器3內被冷卻而凝結(液化)，並且改變成液態。因此，將傳送至該冷凝器3的熱散發。於此例子中，該冷凝器3是設置接近該鼓風扇53，且該冷凝器3設置有一散熱片57。然後，傳送至該冷凝器3的熱會經由該散熱片57來散熱，並以來自該鼓風扇53的空氣釋出至該殼體50外。
亦可設置有別於該散熱片57之另一散熱構件，例如一散熱板。或者，亦可不設置散熱構件，而直接以鼓風至該管來進行冷卻。儘管於此例子中是以氣冷式冷卻單元來進行冷卻，也可以水冷式冷卻單元來進行冷卻。此液態的工作流體經由該液體管路5流入於該蒸發器2內。
以此方式，該工作流體通過由該蒸發器2、該蒸汽管線4、該冷凝器3，及該液體管線5所形成的一循環路徑進行循環。
尤其地，該蒸發器2的構造是如以下於本實施例中所述。
於以下說明，作為該蒸發器2的一實例，將以一適用於有效率地冷卻一平坦發熱元件(於此例子是以該CPU 51X作為發熱組件)之薄平型蒸發器來說明。薄平型蒸發器亦將指為薄型蒸發器或平型蒸發器。
如圖1所示，根據本實施例該蒸發器2包含該多孔介質(芯)6、由該多孔介質6分開之一蒸汽腔室7及一液體腔室8、一外殼9，及一高導熱構件10。圖1僅繪示該高導熱構件10是設置於該液體腔室8內，但如此並不是為了想要限制例如該高導熱構件10的形狀和配置。
於此例子中，該多孔介質6是一具有低導熱性的多孔介質。具體來說，該多孔介質6是一多孔聚四氟乙烯(PTFE)樹脂燒結物(以樹脂製成的多孔介質)。
於本實施例中，尤其，該多孔介質6具有數個管狀凸部6A。亦即，該多孔介質6包含一平坦部6B，以及設 置於該平坦部6B上之該數個管狀凸部6A。該數個管狀凸部6A是設置成相對於該平坦部6B凸伸至該液體腔室8側(亦即，朝向該外殼9的一上部9B，容後說明)。各管狀凸部6A具有一插孔6C於該蒸汽腔室7側上(亦即，在該外殼9的一下部9A上，容後說明)。數個凸體9C設置於該外殼9的下部9A上，容後說明，且各凸體9C插置於該插孔6C內。該插孔6C的側面設置有數個凹槽6D，其以該插孔6C的深度方向延伸。
該外殼9具有該下部(第一部)9A，及該上部(第二部)9B。該下部9A與該蒸汽管線4連接，且界定該蒸汽腔室7。該上部9B於一側(圖1的右側)處與該液體管線5連接，且界定該液體腔室8。
亦即，一蒸汽管線連接開口9D(該蒸發器2的出口)設置於該外殼9下部9A的一側(圖1的右側)處，且該蒸汽管線4連接至該蒸汽管線連接開口9D。以此方式，該蒸汽管線4連接於由該外殼9下部9A所界定的蒸汽腔室7之一側而構成該蒸發器2。於此例子中，如圖3所示，該外殼9的下部9A是由一包含一凹部9AY的底板9AX所形成。該蒸汽管線4連接至設置於該底板9AX上的蒸汽管線連接開口9D。
並且，如圖1所示，一液體管線連接開口9E(該蒸發器2的入口)設置於該外殼9上部9B的一側處。該液體管線5連接至該液體管線連接開口9E。以此方式，該液體管線5連接於由該外殼9上部9B所界定的液體腔室8之一側而構成該蒸發器2。於此例子中，如圖3所示，該外殼9的上部9B 是由一框架9BX及一蓋體9BY所形成。該液體管線5連接至設置於該框架9BX上的液體管線連接開口9E。
儘管在此例子中該蒸汽管線4和該液體管線5是如圖1所示連接於該外殼9的一側，這樣並不是為了要限制為此。舉例來說，該液體管線5亦可連接於該外殼9的一側，而該蒸汽管線4可連接於另一側。
該外殼9的下部9A是熱連接於為發熱組件的CPU 51X。因此，由該外殼9的下部9A界定的蒸汽腔室7是位於接近該CPU 51X，且由該外殼9的上部9B界定的液體腔室8是位於遠離該CPU 51X。並且，該外殼9的上部9B具有較該下部9A為低的導熱性。舉例來說，此將容後說明，可藉由該外殼9的上部9B由不鏽鋼形成而該外殼9的下部9A由銅形成，使該外殼9的上部9B之導熱性製得較該下部9A為低。如此使來自為發熱組件之該CPU 51X的熱擴散至該液態工作流體降低至最小，藉此使該液態工作流體的溫度之上升減至最低。
並且，該外殼9具有數個個設置於該下部9A上之凸體9C。該數個凸體9C延伸向該上部9B，且各配合於該多孔介質6的該數個凸部6A之對應凸部6A內。亦即，該外殼9的下部9A設置有朝向該上部9B凸伸的該數個凸體9C，且該數個凸體9C各配合於設置在該多孔介質6各該數個管狀凸部6A上之插孔6C內。於此例子中，如圖3所示，該數個凸體9C是一體成型於構成該外殼9下部9A的底板9AX的凹部9AY之表面上。如圖1所示，該數個凸體9C各配合於設置在 該多孔介質6各該數個管狀凸部6A上之插孔6C內，使得該等凸體9C的中心軸與該多孔介質6的管狀凸部6A的中心軸(亦即，該插孔6C的中心軸)一致。
以此方式，該多孔介質6容置於該外殼9內。尤其，該數個凸體9C各配合於該多孔介質6的該數個管狀凸部6A之對應管狀凸部6A內之方式是在該多孔介質6背側(圖1的底側)與該外殼9下部9A的表面(圖1的頂側)之間界定一空間。因此，該多孔介質6背側與該外殼9下部9A的表面之間所界定的空間用作為該蒸汽腔室7。於此例子中，該數個凹槽6D形成於設置在該多孔介質6各該數個管狀凸部6A上的插孔6C之側面上，且由該等凹槽6D之間所界定的空間，亦即，在形成於該插孔6C的凹槽6D底部與各凸體9C的側面之間的空間，亦用作為該蒸汽腔室7的一部分。該多孔介質6的表面(圖1的頂側)與該外殼9上部9B的表面(圖1的底側)之間所界定的空間則用作為該液體腔室8。該液體腔室8亦用作為一液體貯室，以儲存液態工作流體。
由於毛細作用現象，進入該液體腔室8並儲存於該液體腔室8內之液態工作流體會從該多孔介質6的數個管狀凸部6A環周貫穿並向該蒸汽腔室7滲透。同時，當為發熱組件之CPU 51X產生熱時，熱會擴散至該外殼9的下部9A，且進一步地至各該數個凸體9C。然後，已被擴散至各該數個凸體9C之熱會使已向該蒸汽腔室7滲透之液態工作流體蒸發(汽化)，並且改變成氣態。尤其，該多孔介質6設置有該數個管狀凸部6A來提供較大的汽化面積，藉以改善冷卻 性能。並且，藉由該外殼9的下部9A設置有該等凸體9C，且藉由該等凸體9C配合於該等管狀凸部6A上，該液態工作流體的貫穿距離得以一致。
因此，舉例來說，即使在該發熱元件所產生的熱量增加而造成蒸汽量增加之情況時，例如當為發熱組件的CPU 51X較大且產生更多熱而造成蒸汽量增加時，仍可避免該液態工作流體不輕易迅速地供應至該蒸汽腔室7側上的表面(亦即在加熱表面側上的端部)之情形發生，藉此得以使發生乾涸、減少汽化面積，及造成冷卻性能劇降的情況達到最小。以此方式，設置有該等管狀凸部6A來增加汽化面積之多孔介質6厚度形成一致，該多孔介質6與該等凸體9C接觸的潤濕性(wetting)形成一致，且該液態工作流體從具有較大汽化面積的多孔介質6有效率地汽化，藉以確保穩定的冷卻性能。
在該蒸發器2設置有該液體腔室8亦用作為液體貯室，及該液體管路5連接至該液體腔室8一側之例子中，當該蒸發器2在其平面的方向上加大，俾以處理該發熱元件所增加產生的熱量時，在該液體腔室8內的液態工作流體之溫度會傾向變得高於與該液體管線5連接的一側相對之那側處的溫度。因此，會有形成蒸汽(氣泡)的傾向，而導致冷卻性能劇降。
在此例子中，舉例來說，如圖8所示，亦可想到的是將該液體管線5分成兩個支線，一個連接至該液體腔室8的一側而另一個連接至該液體腔室8的另一側。然而，如 此額外管路的設置將導致成本增加。並且，亦難以確保可提供安裝這樣管路的空間。
據此，於此實施例中，如圖1所示，該高導熱構件10設置於該液體腔室8內。該高導熱構件10是自與該液體管線5連接的一側延伸向與該一側相對的另一側，且具有較該外殼9上部9B為高的導熱性。因此，在該液體腔室8內的液態工作流體的溫度可形成較小的差異，藉以可保持該液體腔室8內部呈實質一致的低溫狀態。因此，即可保持該液態工作流體免於在該液體腔室8內蒸發，或可保持該液體腔室8內的壓力免於升高，藉以使該工作流體能穩定循環、該回路熱管能穩定作動，及高冷卻性能。
該高導熱構件10宜具有例如，較約100W/mK為高的導熱性。於此實施例中，由於該外殼9上部9B是以具有約20至約30W/mK的低導熱性之不鏽鋼所製成，因此該高導熱構件10具有較此值為高的導熱性。一液態的工作流體具有低導熱性。以水為例，其導熱性約為0.6W/mK，而以乙醇或丙酮為例，其導熱性約為0.2W/mK。因此，該高導熱構件10具有較該液態工作流體為高的導熱性。並且，該多孔介質6具有低導熱性。舉例來說，PTFE的導熱性約為0.2W/mK至約0.3W/mK。因此，該高導熱構件10具有較該多孔介質為高的導熱性。
於此實施例中，如圖3所示，該高導熱構件10包含數個板狀構件10X。各板狀構件10X是一矩形板狀構件。該數個板狀構件10X是以一垂直方向設置於該多孔介質6平 坦部6B上該數個管狀凸部6A之間。因此，可保持該液體腔室8內部呈一實質一致的低溫狀態，此狀態不僅是在該液體腔室8內完全填滿液態工作流體的情況時，並且在該液態工作流體僅在該液體腔室8內該下側處時的情況亦是如此。
作為該高導熱構件10的各板狀構件10X是一以高導熱材質製成的板狀構件。舉例來說，可使用以金屬、碳纖維、鑽石、無機材質，或其他具有高導熱性(良好導熱性)的類似材質所製成之板狀構件。具有高導熱性的金屬例子包含有銅(導熱性：約380W/mK)及鋁(以壓鑄件為例，導熱性：約100W/mK；以加工件為例，導熱性：約200W/mK)。具高導熱性的碳纖維是指相對於軸向方向具有高導熱性的碳纖維(舉例來說，瀝青基碳纖維(pitch-based carbon fiber)，具有約800W/mK的導熱性)。除此之外，鑽石具有約1000W/mK至2000W/mK的導熱性。並且，具有高導熱性的無機材料的例子包含陶瓷，例如氮化鋁(AIN)(導熱性：約150W/mK)及碳化矽(SiC)(導熱性：約200W/mK)。
如圖4所示，較佳地，該數個板狀構件10X各具有數個以厚度方向貫穿各板狀構件10X的孔10XA。因此，得以改善從該液體腔室8一側至相對側的導熱作用，而不會妨礙該液體腔室8內液態工作流體的流動。
尤其，更佳地，如圖5所示，該數個孔是形成為長型孔10XB，其自一側延伸至相對側。亦即，更佳地，該等孔為以該等板狀構件10X的縱向方向延伸之長型孔10XB，其具有的長度是在該等板狀構件10X的縱向方向要 大於在側向方向。因此，可進一步改善從該液體腔室8一側至相對側的導熱作用，同時對該液體腔室8內液態工作流體的流動的妨礙較少。
該高導熱構件10並不限制為上述。舉例來說，可設置數個板狀構件、數個桿狀構件，或數個熱管作為該高導熱構件10。有別於如以上實施例設置該數個板狀構件10X作為該高導熱構件10，舉例來說，如圖6所示，可設置數個桿狀構件10Y。或是，舉例來說，如圖7所示，可設置數個熱管10Z(具有導熱性等於約1000W/mK至3000W/mK)。
其後，將敘述根據本實施例作為該冷卻裝置1的一回路熱管的具體構造範例。
首先，該蒸發器2具有約75mm乘上約75mm的外尺寸，且具有約25mm的高度。由於該蒸發器2的外殼9的下部9A是熱連接於該發熱元件51X，因此該下部9A是以具有高導熱性的銅所製成，且該外殼9的上部9B是以具有相對較低導熱性的不鏽鋼所製成。如此一來，使來自該發熱元件51X的熱經由該外殼9下部9A擴散至該液態工作流體降低至最小。並且，於此範例中，無孔PTFE附設於該外殼9上部9B的內壁面上，亦即，該液體腔室8直接接觸該液態工作流體的壁面上，藉以擋止熱從該外殼9的上部9B洩漏至該液態工作流體。
為附接該多孔介質6，總共36個凸體(圓柱體；凸部)9C以一格柵形式配置於該外殼9下部9A的底部上(見圖3)，於縱向方向上有六個而於橫向方向上有六個。各凸體 9C具有約5mm的直徑(外徑)Φ，及約15mm的高度。
該多孔介質6是一多孔PTFE樹脂燒結物(以樹脂製成的多孔介質)，具有約40%的孔隙率及約20μm的平均孔徑。上述多孔介質6是設置有總共36個管狀凸部(圓柱凸部)6A，於縱向方向上有六個而於橫向方向上有六個，以配置成一格柵形式。各管狀凸部6A具有約9mm的外徑Φ，及約7mm的內徑Φ。該等管狀凸部(圓柱凸部)6A的中心軸，亦即，設置於各管狀凸部(圓柱凸部)6A背側上的插孔6C的中心軸，與設置於該外殼9的下部9A上的凸體9C之中心軸一致。設置於該外殼9下部9A底部上的各凸體9C插置於各管狀凸部(圓柱凸部)6A背側上所設置的插孔6C內，藉此將該多孔介質6附接於該外殼9的下部9B上(見圖1)。
於此例子中，設置於各管狀凸部(圓柱凸部)6A背側上的插孔6C具有約13mm的深度。因此，當該多孔介質6藉由將設置於該外殼9下部9A底部上的各凸體9C插置於各管狀凸部(圓柱凸部)6A背側上所設置的插孔6C內而附接於該外殼9的下部9A時，該外殼9底部(即該外殼9下部9A的底部)與該多孔介質6的背側(即該多孔介質6平坦部6B的背側)之間會界定出一約2mm的空間，而此空間用作為該蒸汽腔室7(見圖1)。
設置於各管狀凸部(圓柱凸部)6A背側上的插孔6C之直徑是設定為小於該外殼9的凸體9C之外徑約50μm至約200μm。如此確保當該多孔介質6附接於該外殼9下部9A時充分緊密接觸。
並且，該等凹槽6D是均勻地設置於該插孔6C的側面(內壁)上(見圖1)。該等凹槽6D具有約1mm的寬度及約1mm的深度，且以該插孔6C的深度方向(垂直方向)延伸。因此，該等凹槽6D之間所界定的空間，亦即，由形成於該插孔6C側面上的各凹槽6D與該外殼9各凸體9C的側面之間的空間亦用作為該蒸汽腔室7的一部分。
藉將該外殼9的上部9B耦接於該外殼9之與該多孔介質6附接的下部9A，在該多孔介質6容置於該外殼9的狀態時，該多孔介質6，即該多孔介質6的管狀凸部(圓柱凸部)6A頂面，與該外殼9上部9B的底側之間，界定一高度約為5mm的內部空間。此內部空間，以及該多孔介質6的該數個管狀凸部6A之間的空間用作為該液體腔室8，其亦用作為一液體貯室(見圖1)。
該蒸發器2以此方式所製備的蒸汽腔室7(亦即，該外殼9界定該蒸發器2的蒸汽腔室7之下部9A)，以及該冷凝器3的入口是以該蒸汽管線4相連接(見圖2)。並且，該蒸發器2的液體腔室8一側(亦即，該外殼9界定該蒸發器2的液體腔室8之上部9B一側)，以及該冷凝器3的出口是以該液體管線5相連接(見圖2)。
於此例子中，該蒸汽管線4是一銅管，具有約6mm的外徑及5mm的內徑。該蒸汽管線4具有約300mm的長度。該液體管線5是一銅管，具有約4mm的外徑及3mm的內徑。該液體管線5具有約200mm的長度。該冷凝器3的尺寸是重量約150nm、高度約50mm，及長度約45mm。於此例子中， 以一鋁板鰭片(散熱片57)藉嵌縫方式(caulking)附接於設置在該冷凝器3內的一冷凝管上(見圖2)。可以一銅製且具有約6.35mm外徑的開槽管作為此冷凝管。以鋁製成之該散熱片57具有約0.2mm的厚度及約1.5mm的間距。
乙醇是用作為該工作流體。在該回路熱管1抽真空後，在該回路熱管1填入一適當量的飽和乙醇。
如圖11所示，對於設置於該回路熱管1內的蒸發器2，亦即，製備未設置該高導熱構件10的蒸發器2，來測量該蒸發器2液體腔室8內液態工作流體的溫度(液溫)。發現其結果是，該液溫從該液體腔室8與該液體管線5連接的一側向相對側變高，而從接近該蒸發器2的外殼9與該液體腔室8連接的端面減低(見圖9A)。
因此，液溫的等溫線被視為實質上平行於該蒸發器2的外殼9與該液體管線5連接的端面，且作為該高導熱構件10，將該數個板狀構件(銅板；銅製的板狀構件)10X放置於亦用作為一液體貯室之該液體腔室8內，沿垂直於液溫等溫線的方向，亦即，沿著垂直於該蒸發器2的外殼9與該液體管線5連接之端面的方向(見圖5)。
亦即，在該多孔介質6於亦用作為一液體貯室的液體腔室8內的該數個管狀凸部6A之間的空間內，自該液體腔室8與該液體管線5連接的一側延伸至相對於該一側的另一側之該數個板狀構件(銅板)10X是以一垂直方向設置，以使該數個板狀構件(銅板)10X以一與自該一側指向至該另一側的方向正交之方向配置(參見圖5)。
於此例子中，是以五個寬度約為10mm、長度約為60mm，及厚度約為0.5mm之板狀構件(銅板)10X各別放置以介於該多孔介質6的該數個管狀凸部(圓柱凸部)6A之間的間隙(約1mm)內。該外殼9的上部9B是以不鏽鋼製成，而該高導熱構件10則是以銅製成。因此，該高導熱構件10具有較該外殼9的上部9B為高的導熱性。並且，於此例子中，各板狀構件(銅板)10X設置有數個沿其縱向方向延長之長型孔(沖孔)10XB。因此，在該等板狀構件(銅板)10X的縱向方向可達到更高的導熱性，同時對該液體腔室8內液態工作流體的流動的妨礙較少。
舉例來說，考慮該液體腔室8內在約170W的發熱情況時液態工作流體的溫度分佈。在此時，在比較例中未有高導熱構件10設置於該液體腔室8內的情況時(見圖11)，如圖9A所示，產生約8℃的溫差，且對該液體腔室8內的液溫會產生一高溫部分(見圖11)。反之，在如根據本實施例的特定構造範例中將該高導熱構件10設置於該液體腔室8內的情況時(見圖1及5)，如圖9B所示，可確信的是其溫差小於約2℃，且該液體腔室8內可保持在一實質一致的低溫狀態，藉此即可供應一低溫液態工作流體至該多孔介質6。
尤其，藉由如根據本實施例的特定構造範例中在該液體腔室8內設置該高導熱構件10(見圖1及5)，在該液體腔室8內產生的高溫部分之溫度可從約45℃下降至約40℃。
在此時，關於該CPU 51X在約170W的發熱情況時的表面溫度，在比較例中未有高導熱構件10設置於該液 體腔室8內的情況時(見圖11)該表面溫度約為70℃，而在根據本實施例的特定構造範例的情況時(見圖1及5)該表面溫度約為50℃(見圖12)。
關於在330W的最大發熱情況時該CPU 51X的表面溫度(最大表面溫度)，在比較例中未有高導熱構件10設置於該液體腔室8內的情況時(見圖11)該表面溫度約為85℃，而在根據本實施例的特定構造範例的情況時(見圖1及5)該表面溫度約為80℃(見圖12)。
有鑑於此，在約170W的發熱情況時，在根據本實施例的特定構造範例中(見圖1及5)達到良好的冷卻性能。於此情況，該CPU 51X的表面溫度，與該液體腔室8內產生的高溫部分的溫度之間的溫差約為10℃。並且，在330W的最高發熱情況時，在根據本實施例的特定構造範例中(見圖1及5)亦達到良好的冷卻性能，且可認定該溫差是相似於上述值。
之後，由此可見，在330W的最高發熱情況時該液體腔室8內所產生的高溫部分的溫度，於比較例中未有高導熱構件10設置於該液體腔室8內的情況時(見圖11)約為75℃，而在根據本實施例的特定構造範例中(見圖1及5)該高溫部分的溫度約為70℃。於此例子中，是使用乙醇作為液態工作流體，且其沸點為78.37℃。因此，在比較例中未有高導熱構件10設置於該液體腔室8內的情況時(見圖11)，該液體腔室8內所產生的高溫部分的溫度接近於該沸點，如此可能造成蒸汽的形成並且降低冷卻性能。
反之，在根據本實施例的特定構造範例中(見圖1及5)情況中，如上述在該液體腔室8內設置該高導熱構件10則可保持該液體腔室8內於一實質一致溫度，且降低該液體腔室8內所產生高溫部分的溫度以將該溫度移離該沸點。如此可使蒸汽的形成以及所導致對冷卻性能的降低減至最少。因此，可達到穩定的冷卻性能，不會使該蒸發器2內該多孔介質6乾涸而使得具有大尺寸的CPU 51X到達含有異常高溫的嚴重狀態。
儘管於此例子中該等板狀構件(銅板)10X設置有長型孔10XB，該等板狀構件(銅板)10X也可簡單地設置孔(見圖4)，或也可不設置孔(見圖3)。儘管於此例子中是使用板狀構件(銅板)10X作為該高導熱構件10，舉例來說，使用例如鋁的金屬、碳纖維，或例如陶瓷的無機材料作為該高導熱構件10，形成桿狀(見圖6)的高導熱構件10，或者是使用熱管(見圖7)，亦可達到相同的作用。舉例來說，在將該高導熱構件10形成桿狀的例子中，藉由放置數個具有約2.5mm直徑之銅桿可達到相同的作用。在使用熱管的例子中，藉由放置數個具有約4至5mm厚度及約60mm長度而將水密封於內之微熱管可達到相同的作用。
因此，根據本實施例之該蒸發器、該冷卻裝置，及該電子設備提供的優點是能將冷卻性能的降低減至最小且提供穩定的冷卻性能，即使在發熱元件所產生的熱量增加的情況時亦然。
尤其，如於本實施例中藉使用包含一薄平型蒸發 器的冷卻裝置，可有效率地冷卻一產生大量熱的平坦發熱元件，例如一電子組件或一印刷電路板(佈線板)。因此，得以改善電子設備，例如電腦的性能，藉以增加其可靠度。
附帶說明的是，典型代表電子設備的電腦伺服器中發熱組件所產生的熱量逐年增加。尤其，CPU所產生的熱量，其屬於安裝在電腦伺服器中的高發熱構件，因CPU在運算速度的改善及日益變成多核心而劇增。
據此，CPU的組件尺寸已有顯著增加。舉例來說，過去CPU的典型尺寸在長度及寬度從約30mm至約40mm的範圍，而目前CPU變得更大，尺寸在長度及寬度從約60mm至約80mm的範圍。為此，用來冷卻這樣大的CPU的冷卻裝置之平坦型蒸發器亦需能應付發熱量的增加及尺寸的增加。
在這點上，在使用如於上述實施例中具有該數個管狀凸部6A的多孔介質6之情況時，可處理的熱量是由每個管狀凸部的蒸發面積來決定。因此，若管狀凸部6A的數量小，則無法應付由該發熱組件所產生的熱量之增加，而造成乾涸。舉例來說，如圖10所示，當想要藉由使用一蒸發器中管狀凸部6A的數量減少且管狀凸部總數為三個配置成一格柵形式，即於縱向方向上為三個而於橫向方向上為三個之蒸發器，來冷卻如上述具有大尺寸的CPU 51X(作動時最大發熱量：約330W)時，會發生乾涸。
在此情況時，乾涸端視於該液態工作流體從該多孔介質6滲出的速度而定。據此，藉由增加蒸發面積(接觸 面積)，亦即，依據該發熱組件所產生的熱量增加管狀凸部6A的數量，則可應付發熱量的增加。
據此，於上述特定構造範例中(見圖1及5)，管狀凸部6A的總數量增加至36個，亦即，使用具大尺寸(大面積)的蒸發器2，以使該蒸發器2能適合以冷卻上述會產生大量熱的大型CPU 51X。
舉例來說，當該蒸發器2的尺寸因設置總數為36個管狀凸部6A而增加時，可確定的是，藉由使用根據比較例中未有高導熱構件10設置於該液體腔室8內(見圖11)的蒸發器2，如圖12的虛線A所指，具大尺寸的CPU 51X的表面溫度可降低至約85℃附近，即使在該具大尺寸的CPU 51X產生約330W之最大量的熱的情況時亦然。以此方式，可保持該具大尺寸的CPU 51X免其到達含有異常高溫的嚴重狀態。
然而，當管狀凸部6A的數量增加而使得該蒸發器2更大如上述特定構造範例中時，該液體腔室8內的液態工作流體會產生溫差，而形成一高溫部分及一低溫部分。亦即，在該蒸發器2具有小尺寸的情況時(舉例來說，在管狀凸部6A的數量總數為9的情況時；見圖10)，將一液態的已冷卻工作流體從該液體管線5供應至該液體腔室8內。因此，該液體腔室8內的液態工作流體保持於實質一致的低溫狀態。
相對於以上，在該蒸發器2尺寸增加，且該液體腔室8在其平面的方向上加大的情況時(見圖11)，儘管該液 體腔室8內與該液體管線5連接的那側由於該液態工作流體經由該液體腔室8連續供應而溫度相對較低，在該液體腔室8內位於與該液體管線5連接的那側相對之一側處的液態工作流體則由於熱從位於該液體腔室8下方之該蒸汽腔室7漏出(加熱)而變得高溫。因此，有可能在該液體腔室8內的高溫部分形成蒸汽(氣泡)，而造成例如乾涸，從而可能導致冷卻性能減低。
據此，藉由如上述於該特定構造範例中設置該高導熱構件10於該液體腔室8內，使得該液體腔室8內該液態工作流體的溫差較小，以致於不會產生高溫部分。因此，冷卻性能不會減低，且可達到穩定的冷卻性能。
如該特定構造範例說明的上述冷卻裝置1(見圖1及5)實際上使用來冷卻具有約60mm×60mm的大尺寸之CPU 51X(作動時最大發熱：約330W)，其在實際運轉的電子設備中為大型發熱組件，並且再測量該具大尺寸的CPU 51X的表面溫度。因此，確定的是，如圖12所示，即使在該具大尺寸的CPU 51X以高速運轉並產生約330W的最大熱之狀態時，該具大尺寸的CPU 51X的表面溫度約為80℃，表示可以滿意的方式冷卻該具大尺寸的CPU 51X。
並且確定的是，在使用上述如該特定構造範例所說明的蒸發器2(見圖1及5)的情況時，如圖12的虛線A及B所指，相較於依據比較例中未有高導熱構件10設置於該液體腔室8內的蒸發器2(見圖11)，遍及該CPU 51X的整個發熱範圍，可使該CPU 51X的表面溫度較低。
以此方式，不管該CPU 51X產生多少熱量，包括當該具大尺寸的CPU 51X是以全馬力方式運轉的情況，亦即當該CPU 51X產生約330W的最大熱量的情況，皆可達到穩定的冷卻性能，不會使在該蒸發器2內的多孔介質6乾涸，而導致該具大尺寸的CPU 51X到達含有異常高溫的嚴重狀態。
舉例來說，如圖12的虛線A及B所指，在由該具大尺寸的CPU 51X產生的熱量範圍從約200W至330W的高發熱範圍中，該液態工作流體的流動率大(流動快速)。因此，相較於使用根據比較例中未有高導熱構件10設置於該液體腔室8內(見圖11)的蒸發器2之情形，本實施例在降低該CPU 51X表面溫度的效果並不大。然而，就對於因形成蒸汽引起的冷卻性能降低得以達到最小來說，藉由降低該液體腔室8內所產生的高溫部分之溫度，其效果仍算是大的。
在以由該具大尺寸的CPU 51X所產生的熱量不超過約200W的中至低發熱範圍中，該液態工作流體的流動率減低。因此，在使用根據比較例中未有高導熱構件10設置於該液體腔室8內(見圖11)的蒸發器2之情形時，如圖12虛線A所指，該液體溫度於該液體腔室8內位在遠離該液體管線5的區域傾向於上升。因此，無法達到足夠的冷卻性能，且該回路熱管1的作動變得不穩定。
相較於此，使用根據上述特定構造之蒸發器2(見圖1及5)，如圖12的虛線B所指，在不超過200W的中至低發熱範圍中可達到充分的冷卻性能，藉以使該回路熱管1的作 動穩定。以此方式，即使當該蒸發器2的尺寸增加，且該液體腔室8在其平面的方向上加大時，仍可遍及從低發熱至高發熱的整個發熱範圍，冷卻該CPU(發熱組件)51X。
由上所述，確定的是藉由根據上述特定構造範例的冷卻裝置1，可使冷卻性能的降低達到最小，且可達到穩定的冷卻性能，即使在發熱元件所產生的熱量增加時亦然。
2‧‧‧蒸發器
4‧‧‧蒸汽管線
6‧‧‧多孔介質
6A‧‧‧管狀凸部
6B‧‧‧平坦部
6C‧‧‧插孔
6D‧‧‧凹槽
7‧‧‧蒸汽腔室
8‧‧‧液體腔室
9‧‧‧外殼
9A‧‧‧下部(第一部)
9B‧‧‧上部(第二部)
9C‧‧‧凸體
9D‧‧‧蒸汽管線連接開口
9E‧‧‧液體管線連接開口
10‧‧‧高導熱構件
51‧‧‧電子組件
51X‧‧‧CPU
56‧‧‧散熱膏

Claims (15)

  1. 一種蒸發器包括：一具有數個管狀凸部的多孔介質；一蒸汽腔室與一液體腔室，其等係由該多孔介質所分開，該液體腔室並用作為一液體貯室；一外殼，其具有一與一蒸汽管線連接的第一部，該第一部界定該蒸汽腔室，一在一側處與一液體管線連接的第二部，該第二部具有較該第一部為低的導熱性，該第二部界定該液體腔室，以及數個設置於該第一部上的凸體，該數個凸體朝向該第二部凸伸，該數個凸體係各配合於該多孔介質的各該數個管狀凸部內；以及一高導熱構件，其係設置於該液體腔室內，該高導熱構件從與該液體管路連接的該一側延伸至位於相對該一側的一相對側，該高導熱構件具有較該第二部為高的導熱性。
  2. 如請求項1之蒸發器，其中該高導熱構件包含數個板狀構件、數個桿狀構件，或數個熱管。
  3. 如請求項1之蒸發器，其中：該高導熱構件包含數個板狀構件；且該數個板狀構件是以一垂直方向設置於該數個管狀 凸部之間。
  4. 如請求項3之蒸發器，其中該數個板狀構件各具有數個孔，該數個孔以一厚度方向貫穿各該數個板狀構件。
  5. 如請求項4之蒸發器，其中該數個孔各為一長型孔，其從該一側朝向該相對側延伸。
  6. 一種冷卻裝置，其包括：一蒸發器，其用以蒸發一液態工作流體；一冷凝器，其用以冷凝一氣態工作流體；一蒸汽管線，其用以供該氣態工作流體流通，該蒸汽管線連接該蒸發器與該冷凝器；以及一液體管線，其用以供該液態工作流體流通，該液體管線連接該冷凝器與該蒸發器，其中該蒸發器包含一具有數個管狀凸部的多孔介質，一蒸汽腔室與一液體腔室，其等係由該多孔介質所分開，該液體腔室並用作為一液體貯室，一外殼，其具有一與一蒸汽管線連接的第一部，該第一部界定該蒸汽腔室，一在一側處與一液體管線連接的第二部，該第二部具有較該第一部為低的導熱性，該第二部界定該液體腔室，以及數個設置於該第一部上的凸體，該數個凸體朝向該第二部凸伸，該數個凸體係各配合於該多孔介 質的各該數個管狀凸部內，以及一高導熱構件，其係設置於該液體腔室內，該高導熱構件從與該液體管路連接的該一側延伸至位於相對該一側的一相對側，該高導熱構件具有較該第二部為高的導熱性。
  7. 如請求項6之冷卻裝置，其中該高導熱構件包含數個板狀構件、數個桿狀構件，或數個熱管。
  8. 如請求項6之冷卻裝置，其中：該高導熱構件包含數個板狀構件；且該數個板狀構件是以一垂直方向設置於該數個管狀凸部之間。
  9. 如請求項8之冷卻裝置，其中該數個板狀構件各具有數個孔，該數個孔以一厚度方向貫穿各該數個板狀構件。
  10. 如請求項9之冷卻裝置，其中該數個孔各為一長型孔，其從該一側朝向該相對側延伸。
  11. 一種電子設備，其包括：一電子組件，其係設置於一佈線板上；以及一冷卻裝置，其用以冷卻該電子組件，其中該冷卻裝置包含一蒸發器，其用以蒸發一液態工作流體，一冷凝器，其用以冷凝一氣態工作流體，一蒸汽管線，其用以供該氣態工作流體流通，該蒸汽管線連接該蒸發器與該冷凝器，以及一液體管線，其用以供該液態工作流體流通，該液 體管線連接該冷凝器與該蒸發器，其中該蒸發器包含一具有數個管狀凸部的多孔介質，一蒸汽腔室與一液體腔室，其等係由該多孔介質所分開，該液體腔室並用作為一液體貯室，一外殼，其具有一與一蒸汽管線連接的第一部，該第一部界定該蒸汽腔室，一在一側處與一液體管線連接的第二部，該第二部具有較該第一部為低的導熱性，該第二部界定該液體腔室，以及數個設置於該第一部上的凸體，該數個凸體朝向該第二部凸伸，該數個凸體係各配合於該多孔介質的各該數個管狀凸部內，以及一高導熱構件，其係設置於該液體腔室內，該高導熱構件從與該液體管路連接的該一側延伸至位於相對該一側的一相對側，該高導熱構件具有較該第二部為高的導熱性。
  12. 如請求項11之電子設備，其中該高導熱構件包含數個板狀構件、數個桿狀構件，或數熱管。
  13. 如請求項11之電子設備，其中：該高導熱構件包含數個板狀構件；且該數個板狀構件是以一垂直方向設置於該數個管狀凸部之間。
  14. 如請求項13之電子設備，其中該數個板狀構件各具有數個孔，該數個孔以一厚度方向貫穿各該數個板狀構件。
  15. 如請求項14之電子設備，其中該數個孔各為一長型孔，其從該一側朝向該相對側延伸。
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