CN107113996A - 用于液体浸没冷却型电子器件的外壳 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于电子系统的外壳，所述外壳配置成用作热交换器，以将热量从循环通过电子系统的冷却液体中除去，从而冷却电子系统的电子部件，所述电子部件浸没在与其直接接触的冷却液体中。所述外壳采用了一个或多个壁上的外部翅片和形成在一个或多个壁中的流体通道的组合布置，冷却液体通过该流体通道循环冷却。流体通道和外部翅片优选地形成在相同的壁上。翅片和流体通道可以形成在外壳的任何数量的壁上。

Description

用于液体浸没冷却型电子器件的外壳

技术领域

本公开涉及电子系统的液体浸没(liquid submersion)冷却，其中电子部件设置在外壳内并且浸没在用于冷却电子部件的液体冷却剂中。

背景技术

已知的是，电子器件的液体浸没通过与液体冷却剂直接接触来冷却电子元件。美国专利第7,905,106和7,403,392号等公开了电子器件的液体浸没冷却的示例。电子器件的液体浸没冷却与电子器件的空气冷却相比具有很多优点，包括：通过消除对风扇的需求并且减少HVAC冷却而提高能量效率；通过消除风扇噪音而使操作更安静；在恶劣环境中使用，这是因为电子器件被容纳在密封的液密外壳中，该外壳保护电子器件免受湿气、盐、沙土、灰尘以及其它污染物的影响；以及通过减少或防止电子设备的热疲劳、腐蚀和污染而具有高可靠性。

发明内容

本文描述了一种外壳以及使用该外壳的电子系统。所述外壳改进了从冷却液体中的排热，该冷却液体循环通过电子系统以冷却电子系统的电子部件，所述电子部件浸没在与其直接接触的冷却液体中。

所述外壳配置成容纳电子部件以及用作热交换器，冷却液体循环通过外壳对冷却液体进行冷却。由于外壳配置成用作热交换器，因此不需要将冷却液体循环至用于液体冷却的外部热交换器。然而，在一些实施例中，除了由外壳提供的冷却之外，还可以将冷却液体循环至用于附加冷却的外部热交换器。

所述外壳采用了一个或多个壁上的外部翅片和形成在一个或多个壁中的流体通道的组合布置，冷却液体通过所述流体通道循环冷却。流体通道和外部翅片优选地形成在相同的壁上。翅片和流体通道可以形成在外壳的任何数量的壁上。

在一个实施例中，外壳由主壳体和端板形成，所述主壳体形成外壳的大部分并且在相对端处是敞开的，所述端板封闭开口端。主壳体的一个或多个壁可以设置有外部翅片和流体通道。此外，可以在端板的一个或多个边缘上设置外部翅片。在一个实施例中，端板上的外部翅片可以与主壳体的壁上的外部翅片对齐。

主壳体和端板形成液密外壳，该液密外壳用于保持冷却液体并且容纳待被液体浸没冷却的电子器件。电子器件可以是形成任何电子系统的任何电子器件，这些电子系统将受益于液体浸没冷却。在一个实施例中，电子系统是一种在恶劣环境中使用的系统，该系统具有挑战性的散热需求。

在一个实施例中，循环系统使冷却液体在电子系统中循环，其中循环系统配置成引导冷却液体通过主壳体的壁中的流体通道。在一个实施例中，循环系统可以包括作为电子系统的一部分的泵，使得冷却液体保持在所述外壳内。在另一个实施例中，循环系统的泵位于电子系统的外部，使得冷却液体循环到外壳外部冷却，然后返回壳体。

附图说明

图1是包含本文所述的外壳的电子系统的一个实施例的透视图。

图2是图1的电子系统的外壳的前分解透视图，示出了该电子系统的部件。

图3是图1的电子系统的外壳的后分解透视图，示出了该电子系统的部件。

图4是图1的电子系统的另一个分解图。

图5是外壳的主壳体的透视图。

图6示出了主壳体一端的密封垫片如何安装在主壳体上。

图7示出了泵侧端板的另一个实施例。

图8是类似于图7的视图，不同的是密封垫片安装就位。

图9是包含本文所述的外壳的电子系统的另一个实施例的分解图。

图10A、10B、10C和10D是移除电子部件的外壳的主壳体的不同实施例的端部俯视图/端部仰视图。

图11和12分别类似于图3和图2，示出了通过外壳的流动路径的实施例。

具体实施方式

首先参照图1，示出了包含本文所述的外壳12的电子系统10的示例。电子系统10采用电子部件的液体浸没冷却，所述电子部件设置在外壳12内。外壳12形成容纳电子部件和冷却液体的液密外壳。电子部件可以是形成任何电子系统的任何电子部件，这些电子系统将受益于液体浸没冷却。在一个实施例中，电子系统10可以是在恶劣环境中使用的系统，诸如系统10暴露于沙土、高湿度、盐水以及其它环境挑战的环境中，并且其中系统10具有挑战性的散热需求。

所述外壳改进了从冷却液体中的排热，该冷却液体循环通过电子系统以冷却电子系统的电子部件，所述电子部件浸没在与其直接接触的冷却液体中。在美国专利第7,905,106和7,403,392号中公开了电子器件的液体浸没冷却的示例，所述专利通过引用并入本文。

用于浸没电子部件的冷却液体可以是(但不限于)介电液体。冷却液体可以是单相或两相。在一个实施例中，冷却液体具有足够高的热传递能力来管理由浸没的电子部件产生的热量，使得冷却液体不改变状态。外壳12中具有足够的冷却液体，以便浸没想要浸没的发热部件。因此，在一些情况下，冷却液体可以基本上填充整个外壳12，而在其它情况下，冷却液体可以仅部分地填充外壳12。

回到图1，系统10可以包括一个或多个输入端(inputs)14，电功率和/或数据可以通过输入端14输入到外壳12中。系统10还可以包括一个或多个输出端16，电功率和/或数据可以通过输出端16从外壳12输出。在一个实施例中，输入端14可以输入电功率，并且经由输出端16输出电功率和/或数据。在另一个实施例中，其中用于为系统10供电的电能由外壳12内部的一个或多个电池提供，数据可以经由输入端14输入，并且经由输出端16输出电功率和/或数据。根据系统10的功能和用途以及外壳12中的电子部件，也可以是其它的输入端和输出端。

参照图2-6，外壳12包括：主壳体20，一端的端板22，用于在主壳体20和端板22之间进行密封的密封垫片24，相对端的端板26以及用于在主壳体20和端板26之间进行密封的密封垫片28。

主要参照图5以及图10A，主壳体20的构造大致为矩形，并且具有多个壁30a、30b、30c、30d，第一开口端34和第二开口端36(在图3中可见)，这些壁限定了基本上中空的开放内部空间32。每个壁30a-d具有在其内表面38和外表面40之间限定的厚度T。

多个电子部件42(其中至少一部分是发热的)设置在内部空间32中。使用的电子部件42的类型取决于电子系统10的预期结构和功能。在一个实施例中，电子部件42设置在内部空间32内由壁30b、30d支撑的电路板44上，使得电路板44与壁30a相邻且基本上平行，并且电子部件通常定位在电路板44和壁30c之间。

在使用中，冷却液体(未示出)部分地或完全填充内部空间32，以便浸没想要使用冷却液体进行浸没冷却的电子部件42。

继续参照图5以及图10A，壁30a-d中的一个或多个壁包括形成在其外表面40上的多个散热翅片50和形成为其内表面38和外表面40之间的壁厚度T的多个流体通道52的组合。流体通道52通常布置在翅片50的底端和内表面38之间。

在使用中，冷却液体通过流体通道52循环，以便在冷却液体与电子部件42进行热交换之后使冷却液体冷却。来自冷却液体的热量通过形成主壳体20的壁的材料转移到翅片50。然后，热量从翅片50消散到周围空气。如果需要，可以通过使用一个或多个风扇(未示出)引导空气流过翅片50来增强翅片50的散热。

翅片50和流体通道52的构造和布置以及它们设置在哪个壁30a-d上可以基于许多因素变化，包括(但不限于)：想要实现的冷却，使用的电子部件42的类型以及电子部件在内部空间32中的布置/定位。

在图1-9和图10A所示的示例中，每个壁30a-d都设有翅片50和流体通道52。然而，并不是所有的壁都需要设置有翅片50和流体通道52中的任一者或两者。例如，图10B示出了形成有翅片50但不具有流体通道52的壁30b、30d。在图10B中，由于没有流体通道52，壁30b、30d上的翅片50可以制造得比图10A中的壁30b、30d上的翅片50更长，以便提供更多的表面积用于热交换。

另外，流体通道52在壁30a-d上的布置可以变化，以调整冷却性能。例如，如图5所示，侧壁30a-d中的一个或多个的流体通道52可以沿着一个壁、一些壁或所有的壁归并成组或集52a、52b、52c。在图10A中，流体通道52被示出为沿着壁30a-d中的一个壁、一些壁或所有的壁的长度彼此均匀地间隔开。在图10B中，流体通道52被示出为沿着壁30a、30c均匀地间隔开。在图10C中，流体通道52被示出为相比于图5、10A和10B中的流体通道而长度(即沿厚度T方向所测量的)更短，这允许使用更长的翅片50来增加热交换的表面积，并且流体通道均匀地间隔开。在图10D中，流体通道52被示出为均匀地间隔开，但与厚度T方向成一定角度。

在示出的示例中，翅片50和流体通道52从开口端34连续地延伸到另一个开口端36。然而，翅片50和流体通道52从端34到端36不需要是连续的。另外，每个壁中的翅片50和流体通道52基本上彼此平行地延伸，并且与从开口端34延伸到开口端36的主壳体20的纵向轴线基本上平行地延伸。

也可以使用翅片50和流体通道52的许多其它变型，并且可以在壁30a-d中的一些上设置一者或两者，或者在壁30a-d中的一些上不设置一者或两者。

主壳体20可以由任何导热材料制成，包括塑料、金属(诸如铝)等。在一个实施例中，主壳体20通过挤出工艺形成，使得它是一种由诸如塑料或铝的材料制成的单个统一的单件结构。在美国专利第8,089,765号中描述了用于电子系统的挤出壳体的示例。

回到图5，主壳体20还可以在每个端34、36处设置有紧固件孔54，以便接收用于将端板22、26固定到主壳体的紧固件，如下面进一步讨论的。另外，在一些实施例中，定位销孔56可以设置在两端34、36处的一些或所有的孔54附近，以便接收定位销，如下面进一步讨论的。

端板22、26可以由与主壳体20相同的导热材料形成，包括塑料、金属(诸如铝)等。在一个实施例中，端板22、26可以通过挤出工艺形成，使得它是一种由诸如塑料或铝的材料制成的单个统一的单件结构。

参照图2-4，端板22、26各自具有大致为矩形的结构，这与主壳体20的大致为矩形的结构相匹配。端板22、26设计成可拆卸地紧固到主壳体20的相应开口端34、36以封闭开口端34、36。每个端板22、26包括基板60和从基板60延伸的周边侧壁62a、62b、62c、62d。基板60和侧壁62a-d在每个端板22、26上形成凹入区域(recessed area)64。

端板22、26可以通过任何形式的连接技术可拆卸地紧固到主壳体20。在示出的示例中，机械紧固件66(诸如螺钉)延伸穿过端板22、26中的孔并进入主壳体20中的孔54，以将端板22、26固定在适当位置。端板22、26还可以包括定位销孔，该定位销孔对应于主壳体20中的定位销孔56的位置。在一个实施例中，定位销68可以定位在主壳体20的定位销孔56中(例如，如图2所示)，以便在将端板附接至主壳体时适配在端板22、26的定位销孔中。在另一个实施例中，定位销68可以定位在端板22、26(例如，如图2所示的端板26)的定位销孔中，以便在将端板附接至主壳体时适配在主壳体的定位销孔中。在另一个实施例中，定位销68可以在一端处定位在主壳体20的定位销孔56中，而在相对端处定位在端板的定位销孔中，以便在将端板附接至主壳体时适配在端板和主壳体的对应的定位销孔中。不论定位销68最初的位置如何，定位销68都有助于相对于主壳体20适当地定位端板22、26，并且还有助于适当地定位密封垫片24、28(如下面进一步讨论的)。

继续参照图2-4，一个或多个端板22、26的一个或多个侧壁62a-d在其外表面上形成有散热翅片70。在示出的示例中，每个侧壁62a-d都设有散热翅片70。然而，并不是所有的侧壁62a-d都需要设有翅片70。在一个实施例中，翅片70在侧壁62a-d上的布置对应于翅片50在主壳体20的对应的壁30a-d上的布置。在一个实施例中，每个侧壁62a-d上的翅片70的数量对应于对应的壁30a-d上的翅片50的数量。在另一个实施例中，翅片的数量不仅相对应，而且翅片70还可以基本上对齐，并且在壁30a-d上有效地形成连续的翅片70(从图6和图7中可以看出)。

参照图2和图3，在一个实施例中，端板22的凹入区域64形成一个回流或输入集液室(plenum)，以便冷却在冷却之后通过通道52返回的液体。类似地，在另一个实施例中，在液体与电子部件交换热量并将要通过通道52循环冷却之后，端板26的凹入区域64形成用于冷却液体的输出集液室。

由包括泵80的循环系统使冷却流体循环。泵80将冷却液体从内部空间32泵送到端板26的凹入区域64内。然后，由循环系统将冷却液体从凹入区域64引导到主壳体20的开口端36处的部分或所有通道52中。然后冷却液体流经液体被冷却的通道52，之后在开口端34处流出通道52并且进入端板22的凹入区域64。然后由循环系统使冷却液体通过开口端34返回到内部空间32。

泵80可以位于适于实现其泵送功能的任何位置。在一个实施例中，泵80可以安装在密封垫片28上并且定位在端板26的凹入区域64中(如图2-4和图7-8所示)。在该示例中，泵80安装在垫片28的一侧上并且包括入口管82和圆形扩展部分84，圆形扩展部分84设置在垫片28中的圆形开口86(参见图9)内而与开口86紧密配合，以便将泵80安装在垫片28上，并且通常防止扩展部分84与圆形开口86之间的流体泄漏。

参照图3，泵80包括至少一个出口88，以将冷却液体引导到端板26的凹入区域64中。

在另一个实施例中，泵可以位于主壳体20的内部空间32内。在另一个实施例中，泵可以安装在垫片24上并且沿与上述相反的方向泵送冷却液体。在另一个实施例中，泵没有安装在垫片上，而是安装在端板22、26中的一个上，并且包括延伸穿过密封垫片的输入端。在又一个实施例中，设置了不止一个泵。

泵80可以具有本领域已知的适于泵送冷却液体的任何机械设计，例如离心泵。

密封垫片24、28构造成密封端板22、26与主壳体的开口端34、36之间的接合处，并且防止冷却液体从外壳泄漏。密封垫片24、28也可以构造成控制外壳12内的冷却液体的流动。垫片24、28可以由适于执行密封和流动控制功能的任何材料形成，诸如橡胶、硅酮、金属、毛毡、氯丁橡胶、玻璃纤维或塑料聚合物(诸如聚三氟氯乙烯)等。

参照图2和图3，密封垫片24包括大致平坦的大致为矩形的片材，其中在其垫片24的角落具有通孔90，紧固件66延伸穿过该通孔。附加的通孔92设置在定位销68延伸穿过的通孔90附近。沿着垫片24的至少一个边缘形成了穿过垫片的至少一个流体开口94。流体开口94与主壳体20的开口端34处的通道52的出口对准，从而使已经冷却的冷却液体从通道52流出，流经垫片24进入端板22的凹入区域64。

可以选择流体开口94的数量、尺寸和形状，以便对冷却液体从通道52的流出进行控制。例如，如图2和图3所示，垫片24沿着垫片的每个边缘具有两个开口94，其中一个开口94a的尺寸允许从主壳体中的通道组或通道集52a、52b、52c中的一个流出，而另一个开口94b的尺寸较大以允许从主壳体20中的通道组或通道集52a、52b、52c中的两个流出。

密封垫片28具有类似于垫片24的结构。具体而言，垫片28可以是大致平坦的大致为矩形的片材，其中在垫片28的角落具有通孔100，紧固件66延伸穿过该通孔。附加的通孔102设置在定位销68延伸穿过的通孔100附近。沿着垫片28的至少一个边缘形成了穿过垫片28的至少一个流体开口104。流体开口104与主壳体20的开口端36处的通道52的入口对准，从而使待被冷却的冷却液体从端板26的凹入区域64流经垫片28进入通道52。

可以选择流体开口104的数量、尺寸和形状，以便对冷却液体流入通道52进行控制。例如，如图2和图3所示，垫片28沿着垫片的每个边缘具有两个开口104，其中一个开口104a的尺寸允许流入到主壳体中的通道组或通道集52a、52b、52c中的一个中，而另一个开口104b的尺寸较大以允许流入到主壳体20中的通道组或通道集52a、52b、52c中的两个中。

流体开口94、104也可以是其它的数量、尺寸和形状。例如，如图9所示，垫片24、28可以沿其每个边缘具有与所有通道52对准的单个大的开口94、104。

回到图2，密封垫片24包括中央部分106，中央部分106阻止冷却液体从凹入区域64自由地流回到主壳体20的内部空间32。然而，中央部分106设置有多个孔108。孔108有助于使冷却液体的流动分层，并且在冷却液体流回到内部空间32时产生均匀的流场。另外，孔108由此产生可以冲击一个或多个电子部件42的冷却液体的离散射流，从而产生冲击冷却效果。孔108的数量、孔108的位置、孔108的尺寸和/或孔108的集中度各自可以根据需要进行调整，以产生期望的流动和冷却效果。

如图2所示，垫片28包括中央部分110，中央部分110是实心的并且没有开口或孔。实心中央部分110将内部空间32与端板26的凹入区域64流体分离，使得冷却液体必须流经泵80才能到达凹入区域64。

参照图7和图8，示出了端板26的改型。在该实施例中，泵80的出口88流体地连接至封闭的集液室120a、120b，所述集液室装配在端板26的凹入区域内。流经泵80的所有冷却液体都被引导到集液室120a、120b中。集液室120a、120b设置有一个或多个出口122，在示出的示例中为两个出口122。出口122的形状和尺寸对应于形成在垫片28中的对应的流体开口104a、104b，使得出口122适配在流体开口104a、104b中并穿过流体开口(如图8所示)。出口122有助于将冷却液体的流动引导到主壳体20中的通道组或通道集52a、52b、52c的期望通道中。使用的出口122的数量、出口122的位置以及出口122的尺寸和/或形状可以根据需要变化，以改变冷却液体的流动路径，从而调整获得的冷却性能。

在一个实施例中，可以在端板22中使用类似于集液室120a、120b的集液室，该集液室将接收从通道52输出的冷却液体。集液室将包括一个或多个出口，这些出口延伸穿过设置在垫片24的中央部分106中的合适开口，以将冷却液体的回流直接引导到某些电子部件上来冲击冷却这些部件。

现将参照图11和图12以及图2-6来描述电子系统10中的冷却操作的一个示例。应当认识到，本文所述的其它实施例以类似的方式操作。首先将外壳12组装，并且用冷却液体填充到足以浸没想要使用冷却液体进行浸没冷却的电子部件的期望填充水平。为了填充外壳12，可以(例如)在端板22、26中的一个上设置合适的插入式填充端口，其中插塞可以从填充端口移除而允许填充冷却液体。或者，外壳12可以如图1和图6所示竖直定向，并且移除上端板22以允许填充内部空间。

在电子系统10的操作期间，其电子部件产生热量。由于电子部件被浸没在与其直接接触的冷却液体中，因此冷却液体将吸收所产生的热量。为了从冷却液体中除去所吸收的热量，通过泵80使冷却流体循环。具体而言，泵80通过其入口82吸入冷却液体，并且将该液体输出到端板26的凹入区域64中(如图11中的箭头150所示)。端板26将吸收一部分热量，其外部翅片70有助于将吸收的热量消散到周围环境中。然后，冷却液体从凹入区域64流经垫片28中的流体开口104(如图11和图12中的箭头152所示)进入形成在主壳体20的壁上的流体通道52。主壳体20的壁从冷却液体吸收热量，而外部翅片50有助于将吸收的热量消散到周围环境中。然后，冷却液体离开流体通道52(如图11和12中的箭头154所示)，之后流经垫片24中的流体开口94并进入到端板22中的凹入区域64(如箭头156所示)。端板22将吸收一部分热量，其外部翅片70有助于将吸收的热量消散到周围环境中。然后，方才冷却的冷却液体流经垫片24的中央部分106中的孔108而返回到主壳体的内部空间32内(如图11和图12中的箭头156、158所示)。

每当电子系统10处于操作中时，泵80可以连续运行。在另一个实施例中，泵80可以控制成周期性地操作，例如以周期性的时间间隔开启并在特定的时间段内操作。在另一个实施例中，可以间歇性地控制泵80，例如通过基于冷却液体的温度进行控制，并且只有在冷却液体达到预定温度时才开启以及在冷却液体冷却回到预定温度时才关闭。

在一些实施例中，冷却液体不需要循环。相反，冷却液体的吸热能力可足以吸收足够的热量，然后热量通过冷却液体与外壳12的壁和/或端板22、26的接触而从冷却液体散出，端板将热量引导穿过壁并且引导至外部翅片，外部翅片将热量消散到周围空气。

在不脱离本发明概念的精神或新颖特征的情况下，所描述的概念可以以其它形式来实施。在各个方面，本申请中所公开的示例都被认为是说明性而非限制性的。

Claims (10)

1.一种用于电子系统的外壳，其包括：

主壳体，其包括限定内部空间的多个壁，第一开口端和第二开口端；

每个壁具有在其内表面和外表面之间限定的厚度；

所述壁中的第一壁包括形成在其外表面上的多个翅片；并且

所述第一壁还包括形成在所述内表面和所述外表面之间的厚度中的多个流体通道。

2.根据权利要求1所述的用于电子系统的外壳，其中所述流体通道从所述第一开口端延伸到所述第二开口端，并且所述翅片从所述第一开口端延伸到所述第二开口端。

3.根据权利要求1所述的用于电子系统的外壳，还包括所述壁中的第二壁，所述第二壁包括形成在其外表面上的多个翅片，并且所述第二壁还包括形成在其内表面和外表面之间的厚度中的多个流体通道。

4.根据权利要求1所述的用于电子系统的外壳，其中所述壁中的每个壁包括形成在其相应的外表面上的多个翅片，并且每个壁还包括形成在其内表面和外表面之间的厚度中的多个流体通道。

5.根据权利要求1所述的用于电子系统的外壳，其中所述主壳体基本上由挤出铝构成。

6.一种电子系统，其包括：

权利要求1至5中任一项所述的外壳；

发热电子部件，其设置在所述内部空间中；

第一板，其在所述主壳体的所述第一开口端处可拆卸地附接至所述主壳体并且封闭所述第一开口端，所述第一板与所述主壳体一起密封以防止所述第一板和所述主壳体之间的流体泄漏；

第二板，其在所述主壳体的所述第二开口端处可拆卸地附接至所述主壳体并且封闭所述第二开口端，所述第二板与所述主壳体一起密封以防止所述第二板和所述主壳体之间的流体泄漏；

冷却液体，其位于所述内部空间内并且浸没所述发热电子部件，以使所述发热电子部件与其直接接触；以及

循环系统，其使所述冷却液体在所述电子系统中循环，所述循环系统配置成引导所述冷却液体通过所述第一壁中的所述流体通道。

7.根据权利要求6所述的电子系统，还包括电能输入，所述电能输入提供用于为所述发热电子部件供电的电能。

8.根据权利要求6所述的电子系统，还包括所述壁中的第二壁，所述第二壁包括形成在其外表面上的多个翅片，所述第二壁还包括形成在其内表面和外表面之间的厚度中的多个流体通道，并且所述循环系统配置成引导所述冷却液体通过所述第二壁中的所述流体通道。

9.根据权利要求6所述的电子系统，其中所述壁中的每个壁包括形成在其相应的外表面上的多个翅片，每个壁还包括形成在其内表面和外表面之间的厚度中的多个流体通道，并且所述循环系统配置成引导所述冷却液体通过所述壁中的每个壁中的所述流体通道。

10.根据权利要求6所述的电子系统，其中所述循环系统包括泵。