冷媒中间装置、包含冷媒中间装置的冷却装置及冷却方法与流程

本发明涉及冷媒中间装置、包含冷媒中间装置的冷却装置以及冷却方法，特别是涉及用于冷却电子设备等的冷媒中间装置、包含冷媒中间装置的冷却装置及冷却方法。

背景技术：

相变冷却系统被认为是用于电子设备等的高效冷却系统的示例。在相变冷却系统中，在诸如电子设备的热源中所产生的热使用冷媒的潜热来接收和释放。这种系统能够使得冷媒由于冷媒蒸气的浮力以及冷媒液的重力而在没有任何动力的情况下循环。因此，相变冷却系统能够在高效节能的情况下冷却电子设备等。

由于采用相变冷却系统的冷却装置(相变冷却装置)通过将来自加热元件的热传递给受热单元中的冷媒液而冷却加热元件，因此填充与最大发热量相对应的大量冷媒液。由于因在受热单元中接收热而气化的冷媒蒸气卷入周围的液相冷媒液上升，因此流有冷媒蒸气的蒸气管也包含相对较大量的冷媒液。然而，蒸气管中所包含的冷媒液成为增大对冷媒蒸气的流体阻力的因素。这就导致相变冷却装置的冷却性能下降的问题。

在专利文献1中公开了解决这种问题的技术。在专利文献1中所公开的用于电子设备的沸腾冷却装置包括护套、冷却液驱动单元、散热单元、储罐以及连接这些元件的配管；并且封装的冷媒在该装置中循环。护套与构成电子设备的一部分的发热体热连接，并且向在护套内部循环的冷媒传热。冷却液驱动单元驱动在护套内流动的冷媒。散热单元释放从护套传向外部的热。储罐中包含冷媒。

储罐与护套的出口相连接，并且储罐的内部空间被多孔体分成气液混合区域和冷媒液保持区域。储罐的冷媒液保持区域被连接至散热单元与冷却液驱动单元之间的配管，并且气液混合区域通过与护套的用于气液混合冷媒的供给口不同的开口部而连接至散热单元。

根据专利文献1中所公开的用于电子设备的沸腾冷却装置，这种构造能够防止液体粘附在连接护套与散热器的配管内，并且减少护套与散热器之间的压力损失。

[引用列表]

[专利文献]

[ptl1]日本未审专利申请公布号2008-130746(第至段，图1)

技术实现要素：

[技术问题]

如上所述，构造专利文献1中所公开的相关的用于电子设备的沸腾冷却装置，其中，储罐的冷媒液保持区域通过旁通管而被连接至散热单元与冷却液驱动单元之间的配管。这就需要将分支管插入冷媒液的流路中；因此，存在配管结构变复杂的问题。

因此，如果在相变冷却装置中为防止冷却性能下降而引入气液分离结构，则存在配管结构变复杂的问题。

本发明的目的在于，提供一种冷媒中间装置、包含冷媒中间装置的冷却装置以及冷却方法，以解决如果在相变冷却装置中为防止冷却性能下降而引入气液分离结构则使配管结构变复杂的问题。

[问题解决方案]

根据本发明的示例性方面的冷媒中间装置包括：构造成容纳冷媒的冷媒容纳部；设置于所述冷媒容纳部的外周面的第一流入部，气相冷媒和第一液相冷媒通过该第一流入部流入；设置于所述冷媒容纳部的外周面的第一流出部，所述气相冷媒通过该第一流出部流出；设置于所述冷媒容纳部的外周面的第二流入部，第二液相冷媒通过该第二流入部流入；以及设置于所述冷媒容纳部的外周面的第二流出部，所述第一液相冷媒和所述第二液相冷媒通过该第二流出部流出。

根据本发明的示例性方面的包含冷媒中间装置的冷却装置包括：受热单元，其构造成容纳用于接收来自热源的热的冷媒；凝结单元，其构造成使作为在受热单元中气化的气态冷媒的气相冷媒凝结并液化，并且生成第二液相冷媒；以及分别与所述受热单元和所述凝结单元连接的冷媒中间装置，其中，所述冷媒中间装置位于所述受热单元上方，并且包括：构造成容纳冷媒的冷媒容纳部；设置于所述冷媒容纳部的外周面的第一流入部，气相冷媒和第一液相冷媒通过该第一流入部流入；设置于所述冷媒容纳部的外周面的第一流出部，所述气相冷媒通过该第一流出部流出；设置于所述冷媒容纳部的外周面的第二流入部，第二液相冷媒通过该第二流入部流入；以及设置于所述冷媒容纳部的外周面的第二流出部，所述第一液相冷媒和所述第二液相冷媒通过该第二流出部流出。

根据本发明的示例性方面的冷却方法包括：通过接收来自多个热源的热，生成气态冷媒的气相冷媒和液态冷媒的第一液相冷媒；汇聚由所述多个热源中的每个所生成的所述气相冷媒的气流；分离所述第一液相冷媒；通过使所述气相冷媒凝结且液化，生成第二液相冷媒；以及通过汇聚所述第二液相冷媒和所述第一液相冷媒而生成冷媒液，集聚所述冷媒液，并且再将所述冷媒液分流成多个流束，以及使从所述冷媒液分流的流束循环，以便相应地从所述多个热源接收热。

[发明有益效果]

根据本发明的冷媒中间装置、包含冷媒中间装置的冷却装置以及冷却方法，能够在不使配管结构复杂化的情况下引入气液分离结构，并且防止冷却装置的冷却性能下降。

附图说明

[图1a]

图1a是图示根据本发明的第一示例性实施例的气液分离结构的示意性构造的俯视图。

[图1b]

图1b是根据本发明的第一示例性实施例的气液分离结构的侧剖视图。

[图2]

图2是具有根据本发明的第一示例性实施例的气液分离结构的相变冷却装置的示意图。

[图3a]

图3a是图示根据本发明的第二示例性实施例的气液分离结构的示意性构造的俯视图。

[图3b]

图3b是根据本发明的第二示例性实施例的气液分离结构的侧剖视图。

[图4]

图4是用于图示根据本发明的第二示例性实施例的气液分离结构的有益效果的剖视图。

[图5a]

图5a是图示根据本发明的第二示例性实施例的气液分离结构的另一示意性构造的俯视图。

[图5b]

图5b是图示根据本发明的第二示例性实施例的气液分离结构的另一示意性构造的侧视图。

[图6a]

图6a是根据本发明的第二示例性实施例的气液分离结构的再一示意性构造的平面剖视图。

[图6b]

图6b是根据本发明的第二示例性实施例的气液分离结构的再一示意性构造的侧剖视图。

[图7]

图7是具有根据本发明的第三示例性实施例的气液分离结构的相变冷却装置的示意图。

[图8]

图8是具有根据本发明的第三示例性实施例的气液分离结构的相变冷却装置的另一构造的示意图。

[图9]

图9是图示相关的相变冷却装置的示意图。

具体实施方式

将参照以下附图来描述本发明的示例实施例。

(第一示例实施例)

图1a和图1b是图示根据本发明的第一示例性实施例的气液分离结构100的构造的示意图。图1a是俯视图，并且图1b是侧剖视图。根据本示例性实施例的气液分离结构(冷媒中间装置)100包括构造成容纳冷媒的冷媒容纳部110、气液混合冷媒流入部(第一流入部)120、冷媒蒸气流出部(第一流出部)130、凝结冷媒液流入部(第二流入部)140以及冷媒液流出部(第二流出部)150。

气液混合冷媒流入部120被设置于冷媒容纳部110的外周面，并且气态冷媒和液态冷媒混合的气液混合冷媒101流入气液混合冷媒流入部120。冷媒蒸气流出部130被设置于冷媒容纳部110的外周面，并且气液混合冷媒101中所包含的气态冷媒的冷媒蒸气(气相冷媒)102通过冷媒蒸气流出部130流出。凝结冷媒液流入部140被设置于冷媒容纳部110的外周面，并且使冷媒蒸气102凝结液化所致的凝结冷媒液(第二液相冷媒)103通过凝结冷媒液流入部140流入。冷媒液流出部150被设置于冷媒容纳部110的外周面，并且凝结冷媒液103与气液混合冷媒101中所包含的液态冷媒的混合冷媒液(第一液相冷媒)104一起通过冷媒液流出部150流出。

根据本示例性实施例的气液分离结构100，流入冷媒容纳部110中的气液混合冷媒(气相冷媒和第一液相冷媒)101中所包含的冷媒蒸气102从冷媒蒸气流出部130流出，并且混合冷媒液104与凝结冷媒液103一起从冷媒液流出部150流出。这使得能够从气液混合冷媒101中除去混合冷媒液104。因此，能够防止对冷媒蒸气的流体阻力增大，该流体阻力增大致使相变冷却装置的冷却性能下降。

在根据本示例性实施例的气液分离结构100中，混合冷媒液104通过从凝结冷媒液流入部140向冷媒液流出部150的凝结冷媒液103的流路流回冷媒液侧。这就无需再布置新的配管以及插入分支管。

如上所述，根据本示例性实施例的气液分离结构100，能够在不增加制造成本的情况下引入气液分离结构，并且防止相变冷却装置的冷却性能下降。

下面将描述根据本示例性实施例的包含气液分离结构100的相变冷却装置。

图2图示出根据本示例性实施例的包含气液分离结构100的相变冷却装置1000的构造。根据本示例性实施例的相变冷却装置1000包括气液分离结构100、受热单元1010以及凝结单元1020。气液分离结构100位于受热单元1010上方。

受热单元1010容纳用于接收来自热源的热的冷媒。凝结单元1020使作为在受热单元1010中气化的气态冷媒的冷媒蒸气凝结液化并且生成凝结冷媒液。气液分离结构100分别与受热单元1010和凝结单元1020相连接。

凝结单元1020通过主液管1110与气液分离结构100的凝结冷媒液流入部相连接。凝结单元1020通过主蒸气管1210与气液分离结构100的冷媒蒸气流出部相连接。受热单元1010通过副液管1120与气液分离结构100的冷媒液流出部相连接。受热单元1010通过副蒸气管1220与气液分离结构100的气液混合冷媒流入部相连接。

如图1b所示，气液混合冷媒流入部120和冷媒蒸气流出部130能够在冷媒容纳部110的外周面上被布置成离开凝结冷媒液流入部140和冷媒液流出部150。更具体地，如图2所示，在气液分离结构100安装在相变冷却装置1000中的状态下，气液混合冷媒流入部120和冷媒蒸气流出部130能够被布置于凝结冷媒液流入部140和冷媒液流出部150上方。在此情况下，优选地，使气液混合冷媒流入部120和冷媒蒸气流出部130位于通过凝结冷媒液103和混合冷媒液104的汇集所生成的冷媒液的界面上方，如图1b所示。

如上所述，根据本示例性实施例的包含气液分离结构100的相变冷却装置1000，能够在不增加制造成本的情况下引入气液分离结构，并且防止相变冷却装置的冷却性能下降。

(第二示例实施例)

下面将对本发明的第二示例实施例予以描述。图3a和图3b图示出根据本示例性实施例的气液分离结构200的构造。图3a是俯视图，并且图3b是侧剖视图。

根据本示例性实施例的气液分离结构200包括构造成容纳冷媒的冷媒容纳部110、气液混合冷媒流入部220、冷媒蒸气流出部130、凝结冷媒液流入部140以及冷媒液流出部250。

气液混合冷媒流入部220被设置于冷媒容纳部110的外周面，并且气态冷媒和液态冷媒混合的气液混合冷媒101流入气液混合冷媒流入部220。冷媒蒸气流出部130被设置于冷媒容纳部110的外周面，并且气液混合冷媒101中所包含的气态冷媒的冷媒蒸气102通过冷媒蒸气流出部130流出。凝结冷媒液流入部140被设置于冷媒容纳部110的外周面，并且使冷媒蒸气102凝结液化所致的凝结冷媒液103通过凝结冷媒液流入部140流入。冷媒液流出部250被设置于冷媒容纳部110的外周面，并且由凝结冷媒液103与气液混合冷媒101中所包含的液态冷媒的混合冷媒液104的汇集所致的冷媒液105通过冷媒液流出部150流出。

根据本示例性实施例的气液分离结构200包括多个气液混合冷媒流入部220以及多个冷媒液流出部250。气液分离结构200在这一点上有别于根据第一示例性实施例的气液分离结构100。气液分离结构200包括单个冷媒蒸气流出部130以及单个凝结冷媒液流入部140，正如根据第一示例性实施例的气液分离结构100的情形。

气体与液体相比，密度更小而单位体积更大。因此，优选地，冷媒蒸气102从中通过流出的冷媒蒸气流出部130的孔径大于凝结冷媒液103从中通过流入的凝结冷媒液流入部140的孔径。

这种构造使得包含多个受热单元的相变冷却装置能够使用根据本示例性实施例的气液分离结构200。此外，如下文所述，根据本示例性实施例的气液分离结构200具有将冷媒液105存储于冷媒容纳部110中的功能；因此，能够将来自多个冷媒液流出部250的冷媒液均匀地供给到多个受热单元。

在根据本示例性实施例的气液分离结构200中，通过多个气液混合冷媒流入部220流入冷媒容纳部110中的气液混合冷媒101中所包含的冷媒蒸气102通过冷媒蒸气流出部130流出。气液混合冷媒101中所包含的混合冷媒液104与凝结冷媒液103一起通过多个冷媒液流出部250流出。这使得能够从气液混合冷媒101中除去混合冷媒液104。因此，能够防止致使相变冷却装置的冷却性能下降的对冷媒蒸气的流体阻力增大。

在根据本示例性实施例的气液分离结构200中，混合冷媒液104通过从凝结冷媒液流入部140向冷媒液流出部250的凝结冷媒液103的流路流回冷媒液侧。这就无需再布置新的配管以及插入分支管。

下面将进一步详细描述根据本示例性实施例的气液分离结构200的有益效果。

图4是图示根据本示例性实施例的气液分离结构200的有益效果的侧剖视图。如图4所示，包含混合冷媒液104的气液混合冷媒101通过气液混合冷媒流入部220流入冷媒容纳部110。此时，具有较大密度的混合冷媒液104在重力作用下沉降并且聚集于冷媒容纳部110的下部。这就使混合冷媒液104从气液混合冷媒101中除去。

由除去混合冷媒液104所致的冷媒蒸气102的气流与通过多个气液混合冷媒流入部220流入的冷媒蒸气102的流汇聚，并通过冷媒蒸气流出部130流出。由于冷媒蒸气102中并不包含混合冷媒液104，能够防止压力损失增大。因此，能够提高包含根据本示例性实施例的气液分离结构200的相变冷却装置的吸热性能。

混合冷媒液104被存储于冷媒容纳部110的下部，并通过冷媒液流出部250流出。混合冷媒液104再通过使冷媒液流出部250与构成相变冷却装置的多个受热单元相连接的配管而被分配到受热单元的每个中。如上所述，根据本示例性实施例的气液分离结构200使得能够向每个受热单元供给大量的冷媒液，因为气液混合冷媒101中所包含的混合冷媒液104能够被重复用于接收热。此外，因为混合冷媒液104在气液混合冷媒101的状态被预热，其在抵达受热单元之际气化并且吸收来自热源的热。这使得能够提高相变冷却装置的吸热效率。

如上所述，根据本示例性实施例的气液分离结构200，能够在不增加制造成本的情况下引入气液分离结构，并且防止相变冷却装置的冷却性能下降。

图3a和图3b图示出其中多个气液混合冷媒流入部220位于冷媒容纳部110的一侧表面上的构造。然而，该构造不限于此，并且多个气液混合冷媒流入部220可以如图5a和图5b所示那样布置，使得沿气液混合冷媒101的入流方向的直线彼此不相交。换言之，气液分离结构220能够被构造成使得任何一个气液混合冷媒流入部220均未布置在与另一个气液混合冷媒流入部相对的位置。这就能够避免通过多个气液混合冷媒流入部220流入的气液混合冷媒101中所包含的冷媒蒸气102的气流妨碍与该流互相干涉的入流的状况。即使在通过配管连接构成相变冷却装置的多个受热单元的情况下，这种构造也能够防止相变冷却装置的吸热性能下降。

图6a和图6b图示出根据本示例性实施例的气液分离结构的另一构造。图6a是平面剖视图，并且图6b是侧剖视图。图中所示的气液分离结构201包含在冷媒容纳部内的具有多个开口孔的隔板260。

在此情况下，当包含混合冷媒液的气液混合冷媒101通过气液混合冷媒流入部220流入冷媒容纳部110时，混合冷媒液104在其本身的重量作用下沉降，流经隔板260的开口孔，并且汇集于冷媒容纳部110的下部中。相比之下，因为通过气液混合冷媒流入部220流入的冷媒蒸气102具有比液态冷媒的体积流量更大的体积流量，少量的冷媒蒸气102流向下方，通过隔板260的开口孔。这使得能够避免冷媒液在隔板260的下方因逆向流动的冷媒蒸气102而受阻于从凝结冷媒液流入部140流向冷媒液流出部250的状况。因此，能够提高包含气液分离结构201的相变冷却装置的吸热性能。

(第三示例实施例)

下面将对本发明的第三示例实施例予以描述。图7图示出根据本示例性实施例的包含气液分离结构的相变冷却装置2000的构造。根据本示例性实施例的相变冷却装置2000包括气液分离结构200、受热单元1010以及凝结单元1020。气液分离结构200位于受热单元1010上方。气液分离结构200的构造类似于在包含气液分离结构201的第二示例性实施例中所述的构造。

受热单元1010包括多个单元，其中每个单元都容纳用于接收来自热源的热的冷媒。凝结单元1020使在受热单元1010中气化的气态冷媒的冷媒蒸气凝结液化并且生成凝结冷媒液。气液分离结构200分别与多个受热单元1010和凝结单元1020相连接。

如上所述，根据本示例性实施例的气液分离结构200具有多个气液混合冷媒流入部220以及多个冷媒液流出部250。相比之下，气液分离结构200具有单个冷媒蒸气流出部130以及单个凝结冷媒液流入部140。

主液管1110使凝结单元1020与气液分离结构200的凝结冷媒液流入部140相连接。主蒸气管1210使凝结单元1020与气液分离结构200的冷媒蒸气流出部130相连接。相比之下，多个副液管1120分别使多个受热单元1010与气液分离结构200的多个冷媒液流出部250相连接。多个副蒸气管1220分别使多个受热单元1010与气液分离结构200的多个气液混合冷媒流入部220相连接。

如上所述，根据本示例性实施例的相变冷却装置2000被构造成使得多个受热单元1010通过多个副液管1120和多个副蒸气管1220与单个气液分离结构200相连接。这种构造能够在气液分离结构200中从气液混合冷媒101除去混合冷媒液104，汇集通过多个副蒸气管1220流入的冷媒蒸气的气流，并且使冷媒液均匀地分布于多个受热单元1010中。

此外，根据本示例性实施例的相变冷却装置2000被构造成使得单个凝结单元1020与多个受热单元1010相连接，这能够降低相变冷却装置的成本。

如果使单个凝结单元与多个受热单元相连接，则流经副蒸气管1220中的一个的气液混合冷媒中所包含的混合冷媒液能够通过另一个副蒸气管1220流入另一个受热单元1010。已经流入另一个副蒸气管1220的混合冷媒液阻碍冷媒蒸气的流通并且影响受热单元1010的吸热性能；因此吸热的量变得不均等。这使得无法在受热单元1010中实现所期望的吸热性能。

然而，根据本示例性实施例的包含气液分离结构200的相变冷却装置2000，能够在气液分离结构200中从气液混合冷媒除去混合冷媒液。这使得能够防止混合冷媒液通过另一个副蒸气管流入另一个受热单元1010。

受热单元1010包括多个蒸发单元，其中每个蒸发单元都与热源热连接并且存储冷媒，并且所述多个蒸发单元能够位于竖直方向上。更具体地，例如，用作热源的多个服务器被堆叠在服务器机架中，并且布置在服务器机架的后门等上的包括蒸发单元的受热模块能够用作受热单元1010。气液分离结构200能够位于服务器机架的上方，并且位于布置有受热单元1010的后门的外部。

下面将进一步详细描述根据本示例性实施例的包含气液分离结构200的相变冷却装置2000的构造。

如图3a和图3b所示，冷媒容纳部110能够由长方体形状的容器构成。在此情况下，多个气液混合冷媒流入部220能够位于容器的侧面的上部上，并且单个冷媒蒸气流出部130能够位于容器的上面上。单个凝结冷媒液流入部140能够位于容器的侧面的下部上，并且多个冷媒液流出部250能够位于容器的侧面的下部和容器的底面中的至少一个上。

用于填充整个相变冷却装置2000的冷媒的量被设定成使得气液分离结构200的冷媒容纳部110中所容纳的冷媒液105的液面如图3b所示在运行状况中保持恒定。冷媒蒸气流出部130位于冷媒液105的液面上方，并且凝结冷媒液流入部140位于冷媒液105的液面之下。冷媒液105的液面根据每个受热单元1010、主蒸气管1210或者副蒸气管1220中的压力损失而波动。冷媒液流出部250又位于容器的底面上，这样即使冷媒液105的液面波动，也能够将冷媒液105通过冷媒液流出部250稳定供给到每个受热单元1010。

替选地，相变冷却装置2000能够被构造成如图8所示包括具有由圆筒形配管构成的冷媒容纳部的气液分离结构202。气液分离结构202能构造成使得其中多个气液混合冷媒流入部220和单个冷媒蒸气流出部130位于配管的上面上，并且单个凝结冷媒液流入部140和多个冷媒液流出部250位于配管的下面上。在此情况下，能够使用常规的低价管道来制造气液分离结构202，这使得能够显著降低相变冷却装置2000的制造成本。

下面将进一步详细描述根据本示例性实施例的包含气液分离结构的相变冷却装置2000的有益效果。

图9图示出用作比较例的相关的相变冷却装置3000，其中并不使用气液分离结构，而是借助于多个液管3100和多个蒸气管3200使多个受热单元3010与单个凝结单元3020相连接。在此情况下，布置成离开凝结单元3020较远的受热单元3010经受流入蒸气管3200的冷媒蒸气的压力损失增大。这使得难以在多个受热单元3010之间实现均一的吸热性能。

相比之下，根据本示例性实施例的相变冷却装置2000被构造成如图7和图8所示使得冷媒液存储于气液分离结构200、202中并且再将冷媒液分配给每个受热单元1010。这使得能够均衡用于将冷媒液供给到每个受热单元1010的压力并且均等地分配冷媒液。换言之，多个副蒸气管1220与单个气液分离结构200相连接，这就能够均衡多个气液混合冷媒流入部220中的各个压力。这使得令冷媒液流入副液管1120的每个中所需的压力变得彼此相等。这就能够消除每个受热单元1010中的吸热量的失衡并且提高吸热性能。

下面将描述根据本示例性实施例的相变冷却方法。

在根据本示例性实施例的相变冷却方法中，首先，通过接收来自多个热源的热，生成气态冷媒与液态冷媒混合的气液混合冷媒。然后，汇聚由多个热源中的每个所生成的气态冷媒的冷媒蒸气的气流。此时，分离作为气液混合冷媒中所包含的液态冷媒的混合冷媒液。此后，通过使冷媒蒸气凝结液化，生成凝结冷媒液，并且生成凝结冷媒液与混合冷媒液汇集的冷媒液。聚集冷媒液，然后将其分流成多个流束，以及使所分流的冷媒液的流束各自循环以便接收来自多个热源的热。

这使得能够在不增加制造成本的情况下执行冷媒的气液分离，并且防止相变冷却系统的冷却性能下降。

在上文中，已使用上述示例性实施例为例对本发明予以描述。然而，本发明不限于上述示例性实施例。换言之，在本发明的范围内，本领域技术人员能够理解的各个方面能够适应于本发明。

本申请是基于并请求于2014年9月26日提交的日本专利申请2014-196362的优先权的权益，其公开内容通过引用整体并入本文。

【附图标记列表】

100、200、201、202气液分离结构

101气液混合冷媒

102冷媒蒸气

103凝结冷媒液

104混合冷媒液

105冷媒液

110冷媒容纳部

120、220气液混合冷媒流入部

130冷媒蒸气流出部

140凝结冷媒液流入部

150、250冷媒液流出部

260隔板

1000、2000相变冷却装置

1010、3010受热单元

1020、3020凝结单元

1110主液管

1210主蒸气管

1120副液管

1220副蒸气管

3000相关的相变冷却装置

3100液管

3200蒸气管