CN106028759A - 一种具有螺旋副接触行程的局部高热密度的密封型散热冷板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有螺旋副接触行程的局部高热密度的密封型散热冷板，包括冷板外壳，在冷板外壳的后端面设计有中空的定位销、前端面设计有法兰安装面，通过销孔O形圈和前端面密封圈完成冷板与机箱框架的密封；因螺旋副传动有螺纹间隙，产生接触行程的铜环散热器与铜环基座之间的密封靠环形密封圈完成。冷板接触行程到位后，环形密封圈受压，实现冷板自身的密封。该冷板的接触行程靠铜环散热器与铜环基座之间的螺旋副产生直线位移，借助于压缩弹簧或者外圈压簧来产生螺旋副防松的预紧力以抵抗振动和冲击。借助压电平面风机或者轴流风机产生的冷却气流将铜环散热器上的散热棒或者阵列散热簧片的热量带走。

Description

一种具有螺旋副接触行程的局部高热密度的密封型散热冷板

技术领域

本发明属于机械结构设计领域，具体涉及一种具有螺旋副接触行程的局部高热密度的密封型散热冷板。

背景技术

传统ATR机箱结构采用密封设计，标准3U/6U印制板采用冷板与楔形块锁紧器安装在机箱两侧板的锁紧定位槽内，机箱两侧板内设计有水平方向的散热翅片，机箱尾部安装有散热风机，印制板芯片上的热量通过柔性导热垫后传递到冷板，然后由冷板传递到两侧的锁紧器，由锁紧器传递到机箱两侧壁，靠风机对流将侧壁翅片上的热量带走。由于热传递时沿冷板的面方向的热阻较大，并且两锁紧器自身的热阻也较大，所以在热传递的中间环节存在较大的温升，实际工程中会出现机箱内部印制板芯片很热，但是风机同样具备大风量和风压的要求时，仍不能满足散热要求。

针对传统ATR机箱进行改进设计时，取消两侧板内的散热翅片，将每个标准3U/6U模块的锁紧定位槽之间独立设计出散热风道，这种针对每个模块进行独立散热的方法可以避免出现锁紧器与沿冷板面方向传递时的高热阻的情况。此时配合使用具有楔形块滑动接触行程的低热阻散热冷板可以到达良好的散热效果。楔形块滑动接触行程冷板具备接触行程，当插件拆卸时，接触冷板回撤产生拆卸所需的间隙，当插件安装到位时，接触冷板延展出接触所需的行程填充安装缝隙。上述冷板可以满足大多数印制板插件的散热要求，但是针对某些特定的印制板来说，其上某些芯片的热密度很高，并且整个冷板的重量受限。尤其是在航空或者航天领域内，重量一直是结构设计的约束条件。采用大面积的楔形块滑动接触冷板时，为了达到良好的导热要求，将冷板材料由铝或者镁改为高导热的铜材料。此时整个冷板的重量增加了3-5倍，若航空航天设备大批量的使用铜材料会造成重量急剧上升，此时需寻求一种轻质量结构的，并且可以使用高导热性的冷板结构来作为具有楔形块滑动接触行程的冷板的有力补充。这种具备局部高热密度的密封型散热冷板首先与机箱配合使用，完成整个ATR机箱的密封设计，冷板局部区域采用铜材料进行热量的高效传递，而其余密封、支撑、安装结构区域采用铝或者镁等轻型材料。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种具有螺旋副接触行程的局部高热密度的密封型散热冷板。

技术方案

一种具有螺旋副接触行程的局部高热密度的密封型散热冷板，目的是安装在多通道密封散热机箱内，在实现机箱的密封以及自身内、外盒体的密封的前提下，实现机箱内安装的多个标准3U/6U模块插件上高热密度芯片的散热，该冷板具备安装接触行程，螺旋副的旋转可以产生模块插件拆卸所需的间隙，同样通过螺旋副旋转接触行程到位后，可以将3U/6U模块插件上高热密度芯片高效的传递到冷板内腔体的散热齿上，通过风冷对流将热量带走。

该冷板外壳的后端面设计有中空的定位销、前端面设计有法兰安装面，通过销孔O形圈和前端面密封圈完成冷板与机箱框架的密封；因螺旋副传动有螺纹间隙，产生接触行程的铜环散热器与铜环基座之间的密封靠环形密封圈完成。冷板接触行程到位后，环形密封圈受压，实现冷板自身的密封。该冷板的接触行程靠铜环散热器与铜环基座之间的螺旋副产生直线位移，借助于压缩弹簧或者外圈压簧来产生螺旋副防松的预紧力以抵抗振动和冲击。借助压电平面风机或者轴流风机产生的冷却气流将铜环散热器上的散热棒或者阵列散热簧片的热量带走。

一种具有螺旋副接触行程的局部高热密度的密封型散热冷板，其特征在于包括冷板外壳、铜环散热器和铜环基座；冷板外壳的一侧设有中空形式安装定位销，相对的另一侧上设有矩形周圈法兰，在矩形周圈法兰周围设有前端面密封圈，销孔O形圈套装安装定位销上；冷板外壳对应印制板模块发热芯片位置开有圆孔，铜环基座安装在圆孔上，在铜环基座与冷板外壳之间设有法兰密封垫，铜环基座内圈加工有螺纹，铜环散热器的外圈上设有与铜环基座相配合的螺纹，在铜环散热器和铜环基座之间设有环形密封圈，铜环散热器旋入铜环基座内与铜环基座组成细牙螺旋副传动。

所述的铜环散热器包括铜环本体、压电平面风机、压簧固定轴、压缩弹簧和散热棒；散热棒以圆形阵列的方式分布在铜环本体的螺纹下端，压电平面风机位于铜环本体的侧面且风机对着散热棒，螺纹下端中心位置设计有压簧固定轴，压缩弹簧内圈套在压簧固定轴上。

所述的铜环散热器包括铜环本体、轴流风机、外圈压簧和铜簧片；轴流风机安装在铜环本体的底端中部凹台区域内，轴流风机的外侧阵列安装可卡入式的铜簧片，外圈压簧的内圈套在阵列铜簧片的外圈圆周。

所述的冷板外壳的材料为铝或镁。

所述的铜环散热器与散热部件接触的端面的表面粗糙度为3.2。

有益效果

本发明提出的一种具有螺旋副接触行程的局部高热密度的密封型散热冷板，该冷板安装在具有多个标准模块独立散热风道的密封机箱内，将密封机箱内安装的多个标准模块插件的局部芯片的高密度热量传递到该冷板的内腔体翅片，通过对流将热量散出。该冷板与多个标准模块独立散热风道的密封机箱配合使用，不仅解决了传统ATR机箱靠冷板与楔形块锁紧器散热时沿冷平面方向以及锁紧器自身热阻较大的热传导散热瓶颈，还满足在重量与尺寸受限、高热密度环境下的标准3U/6U印制板的集成设计与散热要求。

附图说明

图1为一种具有螺旋副接触行程的局部高热密度的密封型散热冷板的前轴测视图

图2为一种具有螺旋副接触行程的局部高热密度的密封型散热冷板的后轴测视图

图3为一种具有螺旋副接触行程的局部高热密度的密封型散热冷板使用压电平面风机的内部组成图

图4为一种具有螺旋副接触行程的局部高热密度的密封型散热冷板使用轴流风机的内部组成图

图5为一种具有螺旋副接触行程的局部高热密度的密封型散热冷板与机箱框架装配图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

冷板设计的创新点在于如何在整体密封的前提下，实现局部的接触行程，并且满足局部接触局部的高导热率。

首先同样安装在具有多个标准模块独立散热风道的密封机箱内，该冷板不同于具有楔形块滑动接触行程的低热阻散热冷板的特点是当后者自身不需要结构密封的要求。与产生接触行程必须有静止件和移动件，并且静止件需依附的机箱的风道表面或者3U/6U模块插件的表面。若依附在插件自身的冷板上，该局部接触会使插件自身冷板结构复杂，不利于模块化的生产，应尽量在不改变插件自身结构的前提下，将该接触件设计在机箱的风道上面，如此冷板与机箱应为可拆卸的形式，两者之间通过装配并采取密封措施，以达到机箱的整体密封。热量传递到冷板后采取对流措施将热量带走，针对对流这种风冷散热，需机箱的左右两侧板设计有进风口和出风口，在一个方向同时存在两个开口的密封在结构上实现起来较难。借鉴液压系统密封槽内嵌入密封圈的做法，将进风口设计为多个直径8mm的圆孔，而冷板同样采用插入式的安装方法，8mm的圆孔同样起到接触定位的作用。当多个通风销孔压紧对应的O型密封圈时，即可达到入风口出的密封设计。出风口为矩形孔，其周圈存在密封垫，当该冷板插入机箱对应的矩形槽后，用螺钉压紧冷板的安装法兰，电磁密封垫位于安装法兰下面，从而可以起到密封的效果。

上述方法完成了外进冷却流穿入穿出机箱的各独立冷却通道，下面只需将热量传递到冷板内腔体即可。对应于标准印制板模块上高密度芯片热源，设计有圆形的铜环散热器，引入螺旋副传到的方法来实现接触行程，铜环散热器类似螺纹配合，可以旋入或者旋出，与之配合的称之为铜环基座，之所以设计铜环基座，原因是冷板的主体材料是铝或者镁，其螺纹牙本身不耐磨损，多次旋紧后会造成螺纹磨损严重。并且在冷板腔体的薄壁上加工螺纹也不太现实。铜环基座靠其周圈法兰固定在冷板壳体上，此时两者材料结合面需做密封处理，采用柔性导电衬垫来填充两者之间的间隙，两者连接后涂密封胶来填充压紧的螺钉缝隙和可能存在的间隙。

铜环散热器与铜环基座的螺纹配合螺距为1.5mm，精度为7级以上，具有较高的定位精度和较小的轴向晃动间隙。铜环散热器在选入冷板盒体后的的末端设计有O型圈安装凹槽，用于嵌套密封圈，铜环散热器的环形内圈区域，除了与标准3U/6U模块冷板接触的面外，其余为中空的腔体，腔体内环形阵列了多个高度相同的散热棒，散热棒的高度高出O型圈安装凹槽安装端面后，深入冷板腔体内部，细棒散热齿采用圆形阵列的方法可以确保铜环散热器的外端面如何旋转，散热棒均不阻挡冷却气流的方向。该冷板与具有多个标准模块独立散热风道的密封机箱配合使用时，机箱在出风口处安装有轴流风机以产生对流，为了增强各独立密封风道的冷却流的均匀性以及增大冷板的与外界的换热效率，通常在铜环散热器的阵列散热棒后方，且正对于进风圆孔的位置安装压电平面风机进行高效换热，压电平面风机高度较小，仅为5mm，其靠矩形叶片振动产生均匀的平面气流。将通过铜环散热器底端的散热棒的冷却流高效精准的送到轴流风机入风口处。铜环散热器中空腔体中心处设计有压簧固定轴，具有压缩形状的弹簧内圈穿入该压簧固定轴，压簧两端并紧磨平。当旋转铜环散热器使其外端面与标准印制板模块的冷板或者直接与发热芯片接触后，即接触行程到位后，安装在铜环散热器上的密封圈处于压缩状态，接触行程应根据实际间隙进行精确计算，并且密封圈尽量选用压缩量大的中空结构形式。实际使用铜环散热器时，可将其端面粘接柔性导热垫以补偿O型密封圈压缩后可能存在的虚接触。由于压簧两端并紧磨平，其一直处于压缩状态，当铜环散热器接触到位后，由于压簧的压缩力存在，其作用力类似弹簧垫圈回弹力的性质，铜环散热器具备抵抗振动冲击的方式效果。铜环散热器与标准插件冷板接触的旋合端设计有沿圆周方向的2mm宽槽阵列，便于其螺纹预紧。另外也可采用轴流风机，将其嵌入安装在铜环散热器底端中心位置，将散热翅片设计为沿圆周径向的阵列结构形式，此时压簧需缠绕在沿圆周阵列的径向散热翅片的圆周外沿区域。

为保证足够的强度和刚性，整个冷板外壳应为一体式的结构形式，薄壁腔体可采用铝板直接铣削加工的方法，当批量生产时可采用铸造(或者采用模具拉伸)后机械加工的方法。

主体壁厚为1mm的冷板外壳1与机箱框架13的安装面为其后端面的安装定位销与前端面的安装法兰。销孔O形圈2套装在冷板外壳1后端面的安装定位销上，机箱框架13进风口端面设计有相对应的定位销孔。出风口端面设计有前端面安装法兰所需的配合面，前端面密封圈3安装在冷板外壳1前端面安装法兰下部；铜环基座4通过压紧法兰密封垫5安装在冷板外壳1上，铜环散热器6与铜环基座4组成细牙螺旋副传动。铜环散热器6旋入冷板外壳1内的部分设计有沿圆周径向阵列的散热棒或者卡入式的铜簧片11，压缩弹簧7或者外圈压簧12两端分别受铜环散热器6与冷板外壳1内腔体加厚壁挤压产生压缩力，靠铜环散热器6的压簧固定轴或者阵列铜簧片的外圈圆周完成压缩力方向的引导。环形密封圈8填充在铜环散热器6与铜环基座4之间。当采用压电平面风机时，压电平面风机9位于冷板进风口与铜环散热器6之间，叶片方向与冷却流方向一致，当采用轴流风机时，轴流风机10安装在铜环散热器6底端中部凹台区域内。

冷板外壳1的末端面设计有中空形式安装定位销，定位销上穿有销孔O形圈2，当前端面安装螺钉旋紧后，通过销孔O形圈2与前端面密封圈3完成该冷板与机箱框架的密封。铜环散热器6与铜环基座4通过螺旋副转动产生冷板接触所需的接触行程，靠环形密封圈8压缩在铜环散热器6与铜环基座4之间来实现接触到位后两者之间螺纹传动的间隙的密封。采用两端并紧磨平形式的压缩弹簧7或外圈压簧12压缩在铜环散热器6与冷板外壳1对应的加厚端面之间来产生整个螺旋副的防松预紧力。铜环散热器6的散热棒采取径向布置且沿圆周方向阵列的结构形式，该结构保证不管铜环散热器6如何产生螺旋副旋转，流经散热棒的冷却流均通过铜环散热器6的圆心，从而降低了铜环散热器6的散热棒自身的风阻。

参见图2，冷板外壳1为一体化成型的结构形式，类似标准的模块插件结构，冷板外壳1的插入末端设计有九个中空形式安装定位销，前端面设计有矩形周圈法兰。九个销孔O形圈2套在中空的定位销上。前端面密封圈3安装在冷板外壳1的前端面下方。整个冷板外壳为一个除前、后端面开放的封闭壳体，冷板外壳1上对应印制板模块发热芯片位置开有安装大圆孔和6个直径2.1mm的通孔。参见图1，铜环基座4通过沉头螺钉固定在冷板外壳的大圆孔上，其下部安装法兰压紧法兰密封垫5，铜环基座4内部加工有螺距为1.5mm的细牙螺纹，铜环散热器6是整个螺旋副接触行程的局部高热密度的密封型散热冷板的核心散热部件，其外圈为与铜环基座4配合的螺距为1.5mm的细牙螺纹结构，上端面为表面光洁度很高的平面(表面粗糙度≥3.2)，用以贴服标准3U/6U冷板自身的模块冷板或者直接贴附3U/6U印制板上发热芯片。参见图3、图4，铜环散热器6的螺纹下端部分为圆形阵列的散热棒或者采用铜簧片模具组合叠合在一起的轻质阵列散热簧片组，后者重量较轻，且散热面积大，0.1mm厚度铜簧片沿径向圆周阵列发散，铜环散热器6螺纹下端中心位置设计有压簧固定轴，当进行整个冷板组件装配时，将压缩弹簧7内圈穿入压簧固定轴内部后下旋铜环散热器6至压簧固定轴末端接触到冷板外壳的另一端面。冷板外壳1主体壁厚为1mm，其中对应与标准3U/6U模块插件高热密度散热芯片位置的冷板外壳体另一面的局部区域厚度2mm，用以进行接触行程到位时的受力与约束。铜环散热器6底端安装有环形密封圈8，环形密封圈为半圆形的周圈结构形式，弹性较大，用以完成螺距1.5mm的细牙螺旋副的结构密封。压电平面风机9的叶片直接作用在铜环散热器6散热棒附近，产生气流方向沿进风口至出风口的方向，若采用传统的轴流风机时，将其轴流风机10安装在铜环散热器6底端中部凹台区域内，其外侧阵列安装可卡入式的铜簧片11，将外圈压簧12的内圈穿入阵列铜簧片的外圈圆周。外圈压簧12或者压缩弹簧7的压缩行程与预紧力需要精确计算，即在螺旋副的接触行程到位后，两者仍存在压缩防力，该压缩力类似弹簧垫圈的防松力，施加在螺旋传动副上。环形密封圈8的位置与弹簧的压缩行程统一考虑。

采用轴流风机时，风机产生的冷却流方向为发散式的，其目的是使铜环散热器6的热量不至于过于集中，考虑到整个冷板内冷却流的方向是从入风口到出风口的方向，所以其散热效果不如采用压电平面风机，轴流风机适合使用在冷却流传输的死角位置或者盲区，这些区域冷却流没有流经，或者通过的流量较小。

参见图5，与该冷板配合使用的机箱框架13所示，冷板通过其自身安装定位销插入机箱框架13上的各定位孔后，通过前端面的安装螺钉压紧销孔O形圈2和前端面密封圈3后与机箱框架13融为一体。3U/6U标准模块插件与机箱安装配合后，旋转铜环散热器6的行程接触端与模块插件的发热芯片或冷板接触后压紧形密封圈8，完成整个冷板与机箱的结构密封。机箱框架13在出风口位置安装有轴流风机14，便于各独立散热风道内冷却流及时排出到外界。当给定足够的散热风量和风压时，该冷板结构形式可以移植到液冷冷板，替换传统的液冷冷板，从而省去了液冷系统较多的循环动力设备。

Claims (5)

1.一种具有螺旋副接触行程的局部高热密度的密封型散热冷板，其特征在于包括冷板外壳(1)、铜环散热器(6)和铜环基座(4)；冷板外壳(1)的一侧设有中空形式安装定位销，相对的另一侧上设有矩形周圈法兰，在矩形周圈法兰周围设有前端面密封圈(3)，销孔O形圈(2)套装安装定位销上；冷板外壳(1)对应印制板模块发热芯片位置开有圆孔，铜环基座(4)安装在圆孔上，在铜环基座(4)与冷板外壳(1)之间设有法兰密封垫(5)，铜环基座(4)内圈加工有螺纹，铜环散热器(6)的外圈上设有与铜环基座(4)相配合的螺纹，在铜环散热器(6)和铜环基座(4)之间设有环形密封圈(8)，铜环散热器(6)旋入铜环基座(4)内与铜环基座(4)组成细牙螺旋副传动。

2.根据权利要求1所述的一种具有螺旋副接触行程的局部高热密度的密封型散热冷板，其特征在于所述的铜环散热器(6)包括铜环本体、压电平面风机(9)、压簧固定轴、压缩弹簧(7)和散热棒；散热棒以圆形阵列的方式分布在铜环本体的螺纹下端，压电平面风机(9)位于铜环本体的侧面且风机对着散热棒，螺纹下端中心位置设计有压簧固定轴，压缩弹簧(7)内圈套在压簧固定轴上。

3.根据权利要求1所述的一种具有螺旋副接触行程的局部高热密度的密封型散热冷板，其特征在于所述的铜环散热器(6)包括铜环本体、轴流风机(10)、外圈压簧(12)和铜簧片(11)；轴流风机(10)安装在铜环本体的底端中部凹台区域内，轴流风机(10)的外侧阵列安装可卡入式的铜簧片(11)，外圈压簧(12)的内圈套在阵列铜簧片的外圈圆周。

4.根据权利要求1所述的一种具有螺旋副接触行程的局部高热密度的密封型散热冷板，其特征在于所述的冷板外壳(1)的材料为铝或镁。

5.根据权利要求1所述的一种具有螺旋副接触行程的局部高热密度的密封型散热冷板，其特征在于所述的铜环散热器(6)与散热部件接触的端面的表面粗糙度为3.2。