CN1008787B - 电气元件组合件的散热装置 - Google Patents

Abstract

一冷凝器，其上部与上升导管、其下部与下降导管相通。在其下设有一直立板状单元，在它的两个垂直边处有导管，导管之间是多个由孔口相互分开的蒸发器，以便把电子元件的损耗热传给液体。每个蒸发器的上端头与上升导管相连，而其下端头则与下降导管相通。冷凝器、导管和蒸发器构成一气密闭合单元，并在其中充以一可通过损耗热而在蒸发器内蒸发，并可在冷凝器中凝结的液体。注入液体时，液面应超过最上方的蒸发器，但要低于冷凝器，或只到其下面的一部分。

Description

本发明涉及至少排出一个电气元件组合件的损耗热的装置。

本发明的任务是，提供一种既简单又便宜的用于排走具有不同损耗功率的各种电气元件组合件损耗热的装置，特别是可用于上下分层排列的电气元件组合件。它还可以把多个组合件的大量损耗热可靠地排走。

按本发明完成此任务的办法如下：损耗热由导热体导向处于一个蒸发器内的液体中，通过液体在形成汽泡时吸收并沿第一条基本为向上的途径引入冷凝器，通过冷凝器向载热体释放损耗热，接着，在冷凝器中冷凝了的液体沿第二条基本为向下的途径流回蒸发器，因此形成和维持着一个连续的蒸汽一液体循环过程，因为吸收和排走损耗热的过程分别在蒸发器和冷凝器中进行，因此第一条途径中的平均密度较第二条途径中的低些。实现上述方法的设备包括：一个冷凝器，它带有一个与第一根导管连通的入口，和与第二根导管连通的出口;至少有一个蒸发器，它的位置低于冷凝器，通过其接口与第一根导管在其上部相接，通过其另一个接口与第二根导管相接，因此，冷凝器、一个或多个蒸发器以及导管构成了一个气密的闭合单元，并在其中注入液体，使蒸发器或最上部的蒸发器完全或至少部分地充满，而冷凝器中不注入液体或最多只有一部分液体。

本发明的优点主要为：

在与电子元件组合件有导热联系的每个蒸发器壁，具有与其它蒸发器的损耗功率和热负荷无关的几乎为恒定的温度，亦即为在调整好的工作压力下液体的沸点。

所获得的是一种非常可靠的冷却循环过程，这种循环过程只需要利用损耗热和重力便能进行和维持，而无需任何运动机械（如压缩机、泵等），这时，通过第一根导管使在蒸发器中蒸发了的液体以汽泡的形式在液体中上升（当沸腾激烈时会同时带走一些液体），而在冷凝器中凝结了的液体在重力作用下落入第二根导管内。

由于所有的蒸发器均互相平行地与冷凝器连接，因此可根据各蒸发器的热负荷，并进而根据蒸发了的液体量，通过冷却循环将各自所需的已凝结了的液体量引回蒸发器，从而始终确保有足够的供蒸发的液体，以及由此使各蒸发器中的温度保持恒定。

下面借助于附图较详细地说明一种现有的冷却装置和本发明的几个实施例。

图1    装设现有冷却装置的电子仪器局部透视图，

图2a    本发明设备的正视图，它形成了分层电子设备机架的后壁，

图2b    图2a所示设备并带有机架的侧视图，

图3a    与图2a相当的设备改型方案的正视图，它同样作为电子设备的后壁，

图3b    带电子设备机架的与图2b相当的改型方案侧视图，

图4    设备改型方案的放大剖视图，

图5    本发明设备另一种改型方案的垂直剖面放大图，剖面通 过一个蒸发器和与此蒸发器相联的电子元件组合件的一部分。

图1所示为市场上可买到的本申请人提供的一种电子仪器。图中可见，电子组件10装在底板11上，底板由氧化铝制成，它装在例如由铝制成的载板9上。底板11的导热性较好，它通过载板9各与一块导热板12紧密地热接触，导热板12最好也由铝制成。因此导热板12吸收组件10的损耗热，并通过热传导将损耗热传给散热片8。导热板直立地与散热片彼此垂直和可导热地连接。为了能看得清楚，图1中只表示了底板11、载板9以及导热板12中的各一块。散热片8由较厚的金属板，例如铝板制成，它将所吸收的热量通过散热片16进行分配，并导入周围的空气中。这种冷却片起换热器的作用，它将热量散发给从它那里流过的空气中。图中用箭头表示了从电子组件10经由底板11，直到周围冷却空气中去的热流途径。

图2表示了本发明设备的实施例，它有一个形成电子设备机架14后壁的板状单元13。机架共分八层，可安装在较大的有导热能力的板上的底板11从前面插入其中。从图2b中可见与图1中相应的导热板12，它平行于插入的底板11和必要时还有它们的载板9，并从它们那里吸收热量。

导热板12与单元13的蒸发器15有良好的热接触，机架14的每一层都有一个蒸发器。蒸发器15均由形成热阻的孔口17隔开。从这些孔口17中可穿过例如电气导线和与每层电子元件相连的插头。

在各层中均为相同的蒸发器15基本上设计成矩形板状的中空体，并各通过两个接口18和19与单元13的两根竖导管22和23相 连通。

竖导管22和23的下端封闭，上端通过位于单元13上方的冷凝器28互相联系起来，冷凝器装在机架14的最上面。蒸发器15、导管22、23和冷凝器28共同形成一个气密的闭合单元，并将沸腾液注入其中，液面最低应为最上部蒸发器15的上缘，最高可到冷凝器28的下部。沸腾液最好为卤代烃，例如三氯氟化甲烷（CCl₃F），并应选择那种在调整好的单元工作压力下其沸点为25～30℃的液体。在某一层上的电子组件的损耗热经由导热板12导向该层的蒸发器15，并传递给沸腾液，因此液体开始沸腾。汽泡将液体所吸收的热量向上方带走。

每个蒸发器15中所产生的汽泡流向它的上部接口18，并通过它进入竖导管22，并在其中继续向上流动。导管22此时作为汽泡的上升管。汽泡和剧烈沸腾时被汽泡带走的未蒸发的沸腾液一起，经过其上部接头31进入冷凝器28。汽泡和液体的混合物在冷凝器中冷却至沸点以下，此时汽泡凝结。冷凝后的无汽泡液体，由于它的密度较大，因而在重力的影响下由上而下通过单元中的第二根导管23（回流管）流动，并经由蒸发器15的下部接口19进入蒸发器，在那儿重又蒸发而形成汽泡。因此，沸腾液和汽泡经受的是强有力的自然循环过程，它不需要配备循环用泵。

各蒸发器15的空腔中最好包括三根水平的管段35、36和38，以及包括一系列垂直管段37，它们之间的互相连接情况如下：管段35从下部接口19起与孔口17水平平行并经过它的全长，然后向上转180°的弯，沿反方向继续行进成为与管段35平行的第二根水平管段36。沿管段36的全长大体等距地向上分出彼此平行 的垂直管段37。各管段37汇入上部第三根水平管段38中。管段38终止在与下部接口19呈对角线位置的上部接口18处。蒸发器15的这种最佳结构形成了一种与它们在单元13上所处位置无关的整流作用，也就是说与蒸发器15究竟是位于机架的上部还是下部无关，也不取决于所吸收热量的多少，这种整流作用实际上只允许汽泡和液体的混合流由各蒸发器15的低位接口19流向蒸发器的高位接口18。因此与其余各层的情况无关，电子设备机架14的每一层在任何时候都保证能吸收本层所产生的损耗热，并将它们导向上升管22。

为防止蒸发器15的热量流入下降管23，最好在蒸发器15和下降管23之间设若干类似于孔口17的孔口24。

由于上升管22中的汽泡和液体混合物的密度比单纯的液体小，因此体积增大，所以最好使上升管22的横截面比只流过液体的下降管23要大些。

如上所述，经由上升管22来的汽泡和液体混合物在冷凝器28中放热凝结，冷凝器28可以设计为空气换热器（如图所示）或水换热器。两种情况下电子设备机架14上产生的总热量全都经由上升管22导向此换热器，并在那儿向热载体-水或空气等放热。

可以例如通过一台或多台通风机40来提供冷却介质-空气。作为冷却介质的空气或水的准备要根据所产生热量的多少以及冷却介质的起始温度来进行。为此，例如控制通风机马达40或水的减压阀，使冷凝器28的接头31和32之间形成足够的、但并不是最大可能的温度差，在上面所提到的那种液体和它的沸点的情况下，例如为5～8℃。

用空气作冷却介质时，空气可以取自电子设备机架14的周围，并再将其排回周围环境中去。但冷却空气经过通风通道的流动最好能使电子设备机架14周围的温度完全不受机架14中所产生的损耗热的影响。

为了防止例如由于通风机马达40失灵而产生过热，可以装设一个个绝对温度监控装置，它不允许超过某个最大值。另外，还可为单元13、28的管道系统装设一个熔断器，具体而言是一个由伍德合金制成的闭合器，它可以例如在发生火灾时在较低的温度下（约90℃）便熔断，从而防止设备爆炸。

蒸发器15和导管22、23所组成的单元最好在一个共同的生产过程中制造出来，这时用现有的方法，将两块板材互相钎焊或熔焊成一个（未连通的）管路结构，然后在一个模具中用高压将其吹成管路。这种制造方法比较便宜。其主要优点是，相应于图2所示的单元13整个管路系统只有两个连接位置，而且它具有与冷凝器28连接的接头31和32。而其孔口17和24以及可能会有的其它孔穴，例如用于固定所需的孔穴等，可以在吹制管路前或后用冲压的方法易于制成。

单元13和28所组成单元中的管路系统可通过接管42注入所述之沸腾液30，并调整它的压力。充液后可用挤压法密封接管42。在接管42上就可以方便地安装所述的熔断器，需要时也可在接管42处为过剩的沸腾液装设贮备或平衡容器。

当用所述方法将包含蒸发器15和导管22、23在内的单元13制成一个整体时，这些蒸发器15均位于同一平面内，因此它们可直接适用于例如作为大型电子设备机架14的平直后壁。为改善垂 直地装于后壁上的导热板12和蒸发器15之间的热传导，可紧靠着蒸发器15装一些热平衡板，它们还可改善结构的稳定性。

与上述将蒸发器15设在同一平面内的布局不同，还可以通过适当地弯曲加工好的单元而倾斜地设置。图3和图4中表示了设备的这种方案。从上到下的所有蒸发器15均通过冲压的办法从一个与图2相应的布局出发向前弯曲而在构成后壁的单元13之外，使它与水平位置成5°～20°的倾角。图4所示为沿一个管段37通过蒸发器15并垂直于水平管段35、36和38的剖面。（在图2中为垂直的管段37，在图3和4中是倾斜的。）在图4的背景中可见到未剖切的导管23以及蒸发器15与此导管23相接的一个接口。

在图3和图4中表示了与图2的蒸发器15相应的、甚至其位置也完全一致的另一种方案的蒸发器15，在其两侧各装有一块例如铝制的导热体50和51。它们被设计成斜楔形并与蒸发器15例如用螺栓导热性良好地连接，它们的两个自由表面是水平的，上面有许多槽56，从图中只能看到其中一个槽的剖面。槽中插入电子线路板或电子组件60的载板58。

载板58相当于普通的印刷线路板，它们被设计成例如通过一个铜制的内导热层将组件10的损耗热沿载板58引向导热体50和51，导热体吸收热量，并将其传给蒸发器15。

如图3所示，如果在一个电子设备机架14中设多个蒸发器15和导热体50、51，那就可以如同在普通机架中那样逐块地插入、拔出和更换载板58。

所述设备的主要优点是能将电子设备的损耗热有效地导向一个中心冷凝器28，通过合理的设计，冷凝器可将热量经过例如一根热空 气管或一根热水导管在不影响机架周围环境的情况下将损耗热传走。因此在电子设备机架14中热传导的设计做到了在任何地方都不会产生过热，从而基本上排除了发热体之间的相互影响。总之，能保证电子设备机架14的温度稳定和均匀，而且这一温度基本上与机架周围的环境温度无关。对于半导体元件而言，将不会超过其绝缘层的最大允许温度，从而保证其可靠工作。

本设备制造简单，对于大型或小型的电子设备机架14均能通用。只要不超过一定的最大热功率，机架上的装备配置具有很大的自由度。试验表明，在每一层的热功率约为700瓦以下，以及一个有十层的机架总的热功率约为4千瓦以下时，可以毫无困难地排走这些热量。

单元13的结构形式可以设计成多种多样的。因此每个电子设备机架上蒸发器15的数量和分层数以及它们的几何尺寸如宽度和高度均可自由选取。也可以在一个机架上只装唯一的一个蒸发器15。蒸发器15空腔的形状也可设计成别的形式。例如管段36可以不在左端，而大体在中央与相应的比较短的管段35相连接。此外，也可以构成一个公共的例如矩形空腔来代替管段36、37、38。但应注意，为了使汽泡和液体以正确的循环方向通过冷凝器28循环，必须将接口18与空腔上部相连，而使接口19与其下部相接。

最后，还可以将导管22、23从单元13的平面例如向后弯曲90°，这样能使单元13尺寸变窄，有利于节约空间。

在图5所示的实施例中，电子组件110（最好为半导体集成电路）装在例如由氧化铝制成的底板111上。底板既可直接地，也可以通过能提高底板111稳定性的具有导热能力的载板114与导热板112大面积连接。

导热板112为平坦的矩形板，厚度约为2至3毫米，面积可达15×30厘米，最好用铝板例如冲压而成。导热板112也可以设计为板状的其内部充以沸腾液的封闭空心体。在这种情况下，热量的传递犹如在一根热管（Heat    Pipe）中那样，通过液体在导热板112不同部位的蒸发和冷凝来进行。

导热板112以其在图5中的左端面116及上侧面123与一个有高热容量的起热缓冲器作用的机体120保持热接触。机体120最好为铝质铸件或冲压件，它的一侧（图5中之左侧）为平面122，另一侧（图5中之右侧）则有多个互相平行楔形槽121。

楔形槽121的一个侧壁123是水平的，另一个侧壁124则向下方倾斜，平面槽底125与侧壁123垂直。倾斜角最好为5°。

每个槽121中都钻有一个孔126，它联系着平面122与槽底125，并可用来插入螺钉129。此孔在平面122的一侧被扩大了，以便可将螺钉头，例如内六角螺钉的圆柱形头部埋入其中。

为了使导热板112与机体120之间有良好的热接触，在每一个槽121中压入一个与槽的形状相配的楔形块131。每一个楔形块131均用一个螺钉129拉紧和固定住，因此，由于楔形的结构，使导热板112和楔形槽的第一个侧壁123之间产生相当大的侧压力。

楔形块131在它与导热板112有热接触的那一面上有小面积的隆起（图中未表示），通过它使楔形块在有塑性变形的条件下挤入导热板112内。因此，当拉紧螺钉129时，会产生一个向槽底125作用的分力，该分力使导热板112的端面116处于被槽底125止挡的位置。另外，楔形块131在螺纹孔132处还有一个 隆起133，它插在导热板112上的槽中，达到定位的目的。按此方式，无需采用特殊措施便可保证导热板112与机体120互相垂直。

机体120的平面122与蒸发器135的一个侧面134毗连。蒸发器135是一个单元上多个蒸发器中的一个，这个单元由两块气密连接的板134和137加工而成，它与单元13相当。板134紧靠机体120一侧的那一部分为平面或近似于平面，板137则有拱形区和平坦区。板137拱形区与板134形成灌注液体的空腔136（相当于单元13的管段35～38）。板137的平坦区与板134气密相连（例如通过熔焊或钎焊）。在板137上也可以不制造拱形而例如用矩形隆起区来代替，因此空腔136便具有矩形横截面。

机体120在压力下与平坦的固定板140相连。从板140到机体120的压力传递是通过弹性夹层141和经由蒸发器135进行的，而在固定板140和机体120之间用少量的例如两个螺钉142产生拉力。压力大小的确定应使机体120的平面122与蒸发器135的平面或近似平面134尽可能大面积无间隙地互相压紧。

固定板140可以是例如厚度为10毫米的较厚的板，或是侧面卷边中间设加强筋的较薄的板。

最好用海绵橡胶作夹层141的材料，因为它除了起弹性连接作用外，当蒸发器135中的液体蒸发时，它还在蒸发器135和固定板140之间起良好的隔热作用。夹层141可以是一种平面板材，它被紧压在板137隆起区上，或制成与隆起区相应的凹窝，从而形 成基本上均匀的面压力。为保证上述情况长期稳定，此夹层材料141必须能抗老化和具有持久的弹性。

本设备制造简单，价格低廉：导热板112可以由板材冲压或剪切成矩形板;楔形块131可以是带一个螺钉孔的简单铝制铣削件;机体120可以由板材铣削而成，或最好通过铸造或冲压而成;装配工作只是将上述零件插接在一起和拧紧螺钉129。

应预先装配好导热零件112、120，然后按夹心结构的不同型式，用螺钉将它们与蒸发器135、夹层141和固定板140组合在一起。

为了导热而连接在一起的零件，在各接触面处都具有相当大的面压力，由此一方面可使各零件结构稳定地互相连接在一起，另一方面至少可部分补偿表面不平度。因此，这些零件无需加工得非常精确，必须有公差要求的地方不多。当采用导热好的材料，例如高粘度的导热膏充填多余的空腔时，还能进一步减少对公差的要求。

本设备的适应性强，它能容易地适应于各种需冷却的电子设备的具体情况，例如针对底板111的数量、底板111的安装是水平的还是垂直的、它们的尺寸大小等等，并且可随时拆卸分解。

Claims (23)

1、一种电气元件组合件的散热装置，所说电气元件(10)被重叠成层形成多个组合件，包括：

多个互相隔开的蒸发器空腔装置(15，135)，通过导热装置(12，50，51，112)与电气元件(10)的组合件相连接，所说蒸发器空腔装置(13，135)被安装成一个在另一个的上方，并通过第一和第二导管(22，23)互相平行地连通；

一个冷凝器(28)，被安装在高于最上层的蒸发器空腔装置(15，135)之上，并有一个被连接到第一导管(22)之入口(31)和一个被连接到第二导管(23)的出口(32)；

所说蒸发器空腔装置(15，135)、导管(22，23)和冷凝器(28)充有可蒸发的液体，其装填的程度是使最上层的蒸发器空腔装置(15，135)被完全填满或至少有一部分被填充，并且冷凝器(28)完全地没有被填充或至多只有一部分被填充，

其特征在于，所说蒸发器空腔装置(15，135)和两根导管(22，23)被形成在板状单元(13)的两块板(134，137)之间，两块板(134，137)以加压密封方式叠合连接，以耐压方式形成蒸发器和导管单元，所说两根导管(22，23)沿所说板状单元的长度方向伸延，并且蒸发器空腔装置(15，135)被安装在两根导管之间。

2、权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括一风扇（40），用来冷却所说冷凝器，以便使冷凝器（28）的入口（31）的可蒸发液体的温度较其在冷凝器（28）的出口（32）的蒸发液体的温度约高5-8℃。

3、权利要求1所述的装置，其特征在于，入口（31）设在冷凝器（28）上方，出口（32）设在冷凝器（28）的下方。

4、权利要求1所述的装置，其特征在于，所说第一根导管（22）与各个蒸发器空腔装置（15，135）的上部相连通，而所说第二根导管（23）与各个蒸发器空腔装置（15，135）的下部相连通。

5、权利要求1所述的装置，其特征在于，每个蒸发器空腔装置（15，135）均有分支导管网（18，19，35，36，37，38），管段（37）上部（18）汇入与第一根导管（22）连接的管段（38），而下部（19）则汇入与第二根导管（23）连接的管段（35，36）。

6、权利要求5所述的装置，其特征在于，每个蒸发器空腔装置（15，135）的导管网（18，19，35，36，37，38）包括三根基本上沿着蒸发器空腔装置（15，135）全长延伸并上下排列的管段（35，36，38），以及包括一系列至少是近似垂直的管段（37），其中第二根导管（23）通过下部管段（35）和中间管段（36）相连通，后者通过几乎布满其全长的管段（37）和上部管段（38）相连，上部管段（38）则与第一根导管（22）相接。

7、权利要求1所述的装置，其特征在于，两块板（134，137）是两块设有穿孔（17，24）的金属板，所说穿孔设在各蒸发器空腔装置（15，135）之间和/或蒸发器空腔装置（15，135）与第二根导管（23）之间，以避免热传导。

8、权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括一支架（14），所说蒸发器空腔装置（15，135）和两根导管（22，23）构成了所说收容电气元件组合件的支架（14）的后壁。

9、权利要求1所述的装置，其特征在于，所说蒸发器空腔装置（15，135）的结构形式是近似于板状的矩形空心体，它们在两根垂直走向的导管（22，23）之间互相平行地上下排列。

10、权利要求1所述的装置，其特征在于，所说蒸发器空腔装置（15，135）和两根导管（22，23）位于一个共同的垂直平面内。

11、权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括一个具有大的连接面积（122）的导热构件（120），每个蒸发器空腔装置（15，135）通过大的连接面积（122）分别与一个起热缓冲器作用的导热构件（120）相连接，所说热传导装置（12，112）装有一个电气元件（110）的组合件和将每个导热构件（120）与对应的热传导装置（12，112）分别热连接的装置（121，131，132）。

12、权利要求11所述的装置，其特征在于，所说两块板（134，137）是金属板，形成蒸发器空腔装置（15，135）一侧的那块金属板（134）至少大体上平坦，形成蒸发器空腔装置（15，135）另一侧的另一块金属板（137）为了构成蒸发器空腔装置的空腔（35，36，37，38，136）而有隆起区，在隆起区之间有和金属板（134）密封相连的平坦区，所说导热构件（120）至少大体上与形成蒸发器空腔装置（15，135）一侧的金属板（134）的整个表面相连接。

13、权利要求12所述的装置，其特征在于，形成蒸发器空腔装置（15，135）另一侧的金属板（137）被绝热层（141）所覆盖。

14、权利要求11所述的装置，其特征在于，所说适宜于连接各个导热构件（120）的装置（121，131，132）至少包括一个装配装置（121）和一个固定装置（131），用来分别将热传导装置（12，112）与电气元件（110）的一个或多个组件相连接，或装有这些组合件。

15、权利要求11所述的装置，其特征在于，每个导热构件（120）在背向蒸发器空腔装置（15，135）那个侧面设有一个或多个相隔一定距离上下排列的楔形槽（121），每个楔形槽装有一楔形块（131），所说热传导装置包括一个板状热传导装置（112），它与一个或多个电气元件（110）的组合件相连接，或装有后者，而所说板状热传导装置（112）适宜于被所说楔形块（131）夹紧在楔形槽（121）之内。

16、权利要求15所述的装置，其特征在于，所说楔形块（131）包括一个沿其一个侧面的小面积隆起部分，这些隆起部分设计成这样，当热传导装置（112）被夹紧于楔形槽之内时，这些隆起部分能穿入热传导装置之中。

17、权利要求15或16所述的装置，其特征在于，导热构件（120）中的一根螺钉（129）连接着有关的楔形块（131），将所说楔形块沿楔的方向可靠地固定。

18、权利要求11所述的装置，其特征在于，所说导热构件（120）通过螺钉（142）可折卸地与蒸发器空腔装置（15，135）相连接。

19、权利要求11所述的装置，其特征在于，所说热传导装置（12，112）包括一个中空的可充填沸腾液体的密封式导热装置（112）。

20、权利要求9所述的装置，其特征在于，所说板状长方形空心体相对于水平面倾斜，其倾角为5°～20°之间，而所有蒸发器空腔装置至少大体上呈现相同的倾角。

21、权利要求20所述的装置，其特征在于，还包括一个导热体（50，51），它以热传导方式与每个蒸发器空腔装置（15，135）相连接，所说导热体具有大体上水平伸延的平面（53，54），该平面具有一些平行的槽（56），和装有一层电气元件（60）的组合件的导热板（58），这些组合件可插入所说平行槽（56）内，以便与所说蒸发器空腔装置形成热接触。

22、权利要求1或21所述的装置，其特征在于，所说第一根导管（22）的横截面较第二根导管（23）的大。

23、权利要求1或21所述的装置，其特征在于，所说液体是卤化烃，特别是三氯氟化甲烷，其沸点在工作压力下约为25-30℃。

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