CN1118224C - 冷却发热构件用的热量散发系统 - Google Patents

Abstract

雾化一液体冷却剂(40)的一雾化器(50)设置在一密封机壳(20)内。该雾化的液体冷却剂(40)如一层薄膜分布在诸发热构件(30)的表面和密封机壳(20)的壁上。通过蒸发该薄膜液体冷却剂的至少一部分从诸发热构件(30)的表面转送热量。冷却剂蒸气冷凝在机壳(20)和其他冷却表面上并返回到液体状态。然后使用传统的热量转送机构(22)从机壳(20)的外表面驱散系统热量。

Description

冷却发热构件用的热量散发系统

本申请要求对于1996年5月16日提交的、申请号为08/648,548的美国专利申请的权利，根据美国联邦条例规则(C.F.R)37第1.53(b)(2)(ii)规定，于1997年4月18日提交的转变作临时申请为临时申请的请求，该申请被转变为一个临时申请。

技术领域

本发明总的涉及用于要求冷却功能有效的装置的冷却系统，特别涉及对于在操作期间能产生热量的电子系统、装置、电路板和插板的冷却系统。

发明背景

在对微芯片、电路板、电路插板、多芯片微型组件、电源/变换器和功率放大器和其它发热零件(此后称之为“构件”)的迅速增长的使用中伴随发生的其中一个问题，就是必须驱散由这些电子元件产生的热量。为使这些元件更有效地工作并减少发生故障的危险性，必须将这些电子元件保持在某个所希望的温度范围内。

近来，已有使用一些冷却电子元件的方法。其中一个最普通的冷却办法是，在内置有电子元件的机壳内放几台风扇并使空气吹过这些元件。但是，在工作中不同的电子元件产生不同量的热量而导致过热点。散热器已被用来克服过热点问题。但是，随着电子元件的输出瓦数的继续增长，为了实现所需的冷却，散热器就会变得过大。为了将在机壳内的热量驱散掉，在内装电子元件的机壳上安装了许多外部翅片。在完善的系统内，在电子元件的四周布满了内含冷却流体的冷却管道，以便将热量传到外部热交换器。但是，比起本发明，冷却管和热交换器使空间变得较拥挤，而且较昂贵。

电子硬件制造商引入了高级系统，以在电子元件的四周和直接接触于电子元件的方式循环在元件机壳里的液体冷却剂，并然后再循环流回该机壳内。液体冷却剂通常在电子元件的机壳外面收集并传送给一热交换器/冷凝器。这样的系统较昂贵，也使空间变得拥挤。此外，这样的系统的效率不高，因为它们只是单相冷却。

较多的对用于电子元件和其它发热零件的液体冷却系统的商业性研究和开发均集中在液体冷却剂的射流冲击的有关领域，这股冲击液体是由直接喷射在被冷却的表面上的一股或几股高速窄射流组成。射流冲击会与喷洒冷却相辊淆，尤其是在这点上，即：两种冷却方法中的液体冷却剂均是从一孔中放出并引向待冷却的表面上。但是，在流体动力学和热传输机理方面，在液体射流冲击与在一较大面积上的具有良好分布并为液滴雾化喷洒的撞击之间，还是存在许多基本和重要的差别。射流冲击冷却有其局限性，它次于喷洒冷却。在表面上它不提供均匀的冷却，对于一相等的平均热流量来说，要求流速较高，并在比喷洒冷却更低的临界热流量(CHF)时要烧尽(转变为蒸汽膜沸腾，也必然提高了表面温度)。当由一射流冷却时，某一区域的外周区在一较低的热量时，由于热传导系数较低，转变为膜沸腾(因此，在此发生临界热流量)。这样，既减少了对这些区域里的热量的驱除，也提高了局部的表面温度。这样就突然将一种递增的较大的热量驱除负担施加于内部区域上，这是不能适应的，因为在传热能力方面并未相应地增长。如此，该膜沸腾现象很快沿径向朝里传开。

为了用射流冲击实现较好的冷却，企图增加喷嘴数量，从而减小由每个喷嘴冷却的面积。但是，传送和排除大量流体的几何方面的增加的困难很快抵消了其优越性，因此射流冲击对于起雾的大面积是不实用的。正如从下面的描述会变得清晰的，本发明没有这样的限制性。在单相射流冲击冷却领域里，发布了许多专利包括有美国专利4,108,242；4,912,600；4,838,041和3,844,343。

为实现较有效的冷却，有许多对喷洒冷却能力的调查研究和设想。喷洒冷却包括一蒸发相变化的附加优点。数个专利，包括美国专利4,643,250；4,790,370；4,643,250；4,352,392和4,967,829提供了对蒸发冷却的已有技术的理解。总的说来，已有技术并未取得成功，其原因不是传统的雾化器不适用于可行的喷洒冷却，就是长喷洒距离和系统体积导致无效。

美国专利5,220,804揭示了一种在一广范围同内喷洒的雾化的液体，该液体冲击在被冷却的电子元件的表面上。在一蒸发相变化过程中热量被传送给冷却剂。蒸汽和液体被收集和移送到一外部冷凝器。尽管这样一个系统具有蒸发相变化冷却的优点，蒸发和冷凝过程不是本身包含在发热元件的机壳内的，液体冷却剂和蒸汽由一外部泵和冷凝器收集并再循环。在许多应用中，包括电信、航空电子学和军事方面，十分希望有整装的设备而不带任何外部系统。这样的整装系统在空间受限制的系统里是有利的，并能防止发生潜在的EMI问题。此外，尽管美国专利5,220,804的雾化器在性能上在许多方面优于以前的现有的雾化器，但该雾化器也不能适用于所有的使用情况。

发明概述

本发明克服了在用于微芯片、电路板、电路插板、多芯片微型组件、电源变换器和功率放大器和其它发热零件(此后称之为“构件”)的冷却系统的已有技术中存在的明显的热分布和冷却问题。本发明是一等温系统，该系统承担由诸电子元件工作时产生的热量的点源，并将此热量散布于整个系统中，这样，可有效地驱散此热量。

本发明使用一种雾化的液体冷却剂散发在一密封机壳内的诸构件产生的热量。本发明包括一雾化器，用来雾化液体冷却剂，并用冷却剂的雾/喷雾充满该密封的机壳。该雾化的液体冷却剂在诸发热构件的表面上分布成一层薄膜。通过该液体冷却剂的薄膜层的至少一部分的蒸发，使热量从诸发热构件的表面向外转送出去。

附图简要说明

通过参阅下面结合诸附图的详细描述，将对本发明有较全面的理解。其中：

图1是一包含诸电子元件的壳体和本发明的热量散发系统的分解立体图；

图2是图1中的一包含诸电子元件的壳体和热量散发系统的端视图；

图3是图1中的一包含诸电子元件的壳体和热量散发系统的正视图；

图3A是一喷洒室和图1中的热量散发系统的喷洒板的部分的正视图；

图4是图1中的热量散发系统的喷洒板的侧视图；

图5是图4的喷洒板的部分俯视图；

图6是本发明的热量散发系统的第二实施例；

图7是本发明的热量散发系统的第三实施例；以及

图8是本发明的热量散发系统的第四实施例。

详细描述

现在参阅诸附图，其中的相同的编号表示所有附图中的相同或类似的部分。先看图1，其中表示了封闭安装在诸构件插板31上的诸电子元件30用的密封机壳20，其中的诸构件卡31被保持在一典型的构件盘32里。还表示了包括有诸雾化器50的液体冷却剂喷洒板100和冷却翅片22。

现在看图2、3和3A。其中表示了内含安装在构件卡31上的诸电子元件30的密封机壳20和本发明的热量散发系统10的剖视图。本发明是在一封闭环境里建立起的一个等温平衡的系统，它承担了由诸电子元件工作时发生的热量的点源，并通过该机壳20内的液体和气体冷却剂40散布热量，这样，通过机壳20和外部冷却翅片22有效地驱散热量。

在第一实施例中，热分布系统10产生雾化的冷却剂40的液滴，并喷洒在待冷却的电子元件30的表面上。在操作时，液体冷却剂40地雾化的雾/喷雾将吻合并直接接触于内装在密封机壳20内的诸电子元件30。可以理解的是：在此使用的词“雾化”和“被雾化”包括细的和/或粗液滴尺寸的雾/喷雾。还可理解的是：在此使用的词“雾化器”包括一种产生一种细的和/或粗液滴尺寸的雾/喷雾用的装置。在薄膜蒸发相变化过程中热量传送给冷却剂40。雾化的液体40可为“FC72”冷却剂，如Fluorinert^TM，即由3M公司生产的一种不导电的冷却液体。

本发明减小或避免了要使用散热片和复杂而昂贵的管道冷却系统，以达到所需的冷却的必要性。在第一实施例(见图1、2和3)中，本发明是整装结构的。在许多应用中，包括电信、航空电子学和军事方面，十分希望有整装设备而无外部冷却系统。这样的密封系统使EMI问题变得最小。因为本发明缓解了使用散热片造成空间拥挤的问题，并将过热点产生的热量扩散在系统的四周，更多的电子元件可装在相同尺寸的机壳内。对于军事、航空电子学和电信用途方面，这是一个显著的优点。

由于液体冷却剂40在机壳20内被以雾/喷雾状而散布，本发明所具有的另外的优点是所需的液体冷却剂40的量最小。如在发明背景部分讨论过的，因为在这样的循环液体系统中的液体冷却剂相对于本发明的雾/喷雾状态保持为一种纯液体状态，所以，循环液体系统将较大部分的重量加给了冷却系统。这样的系统中的冷却剂密度通常大于水，并能将较大重量加到整个系统上。在航空电子学和军事用途上，附加的重量是尤为不希望的事。

现参阅图2、3、3A和5，多个呈一种定做的形式布置的雾化器50置于一喷洒板100上。该喷射板100位于机壳20的第一端，并使诸排雾化器50位于每排支撑待冷却的电子元件30的构件卡31之间。如图3A所示的，该喷洒板100是一包括一背衬构件81的喷洒腔80的第一构件。

现看图2和3，雾化的液体冷却剂40和在蒸发热传送过程之后冷凝的液体被收集在一位于机壳20的第二端的贮槽60内。一泵70将收集到的冷却剂40经过供应管道72再循环送到喷洒腔80。泵70最好是一种整装的直流无刷泵，该泵的输出压力能达至少20磅/英寸²(表压)，与典型的无刷汽车燃料泵类似。这样的泵在市场上有货供应。在该最佳实施例中、泵70、泵电动机和电机控制器均被内装在该机壳20中。

应予以理解的是：喷洒板100能为多种重新排列方式，在不脱离本发明的精神的情况下也可用其它零件和元件取代。另外，为了不作限制，诸雾化器50还可排列为各种方式，以符合诸发热构件的排列(图2)。

再看图2和3，在操作中，送给喷洒腔80的液体冷却剂40送到每个雾化器50，以在一涡流腔中形成一冷却剂40的涡流，当该涡流走出雾化器50时被雾化。

图6表示了本发明的热分布系统的第二实施例。为了达到附加的冷却，可在冷却剂输送管72的中间、在泵70与喷洒腔80之间设置一外部冷却器1000。当由于诸电子元件的瓦数的增长而连续提高了热负荷时，通过使用一风扇93以强制空气通过机壳20和/或外部冷却翅片22的外侧，而利用本发明的热量散发系统实现附加冷却。

图7表示了本发明的热量散发系统的第三实施例。图7表示了使用形成一种雾/喷雾状液体冷却剂的其它方法的本发明。位于机壳20内的一机械搅拌器或叶片90搅拌被收集在储槽60中的液体冷却剂40，并将冷却剂40扩散在诸发热构件30上。如需要附加冷却，可用一附加壳体29包住冷却翅片22。液体冷却剂400循环通过冷却翅片22。热量转送给冷却剂400，然后从发热构件壳体传导排出。

看图8，表示了本发明的第四实施例。有一超声波搅拌器92用来形成散布通过诸发热构件的雾/喷雾状液体冷却剂。如需附加冷却，可在密封机壳20之内增加热交换器管道200。第二液态或气态冷却剂300可通过这些热交换器管道200循环。热量转送给冷却剂300，然后从发热构件壳体传导排出。热交换器管道200的附加优点在于，可提供附加的冷却表面，在其上可冷凝和再循环被蒸发的冷却剂40。

尽管在诸附图中已图示并在前面的详细描述中介绍了本发明的最佳和其它几个可取的实施例，但是本发明并不限于所揭示的诸实施例，可以理解，在不离开本发明精神的情况下，可采取诸零件和元件的多种重新排列和替换。

Claims (8)

1.一种用于散发由发热构件产生的热量的封闭的循环系统，它包括：

一机壳，它具有一内部冷却腔并包括用作该冷却腔的一部分的一液体冷却剂储槽；

至少一构件板，它安装在该内部冷却腔内，毗邻于液体冷却剂储槽并对该槽敞开，该至少一构件板支撑诸发热构件；

至少一雾化器，它用于雾化一种液体冷却剂并将该雾化的液体冷却剂分布在支撑于该至少一构件板上的诸发热构件的表面上；

一泵，它在所述机壳内位于该冷却腔里并连接于所述至少一雾化器，以使被收集在冷却剂储槽内的液体冷却剂再循环到该至少一个雾化器；

诸冷却翅片，它们固定于该机壳的一外表面，用以提供对流冷却；以及

一装置，它连接于所述机壳，用以使空气循环通过诸所述翅片。

2.如权利要求1所述的用于散发热量的系统，其特征在于，所述至少一雾化器包括多个以一定做形式布置的雾化器，所述定做形式使雾化的液体冷却引向到支撑于该至少一构件板上的诸发热构件的表面上。

3.如权利要求1所述的用于散发热量的系统，其特征在于，还包括一位于所述机壳内的喷洒腔，该喷洒腔连接于所述泵并支撑所述至少一雾化器，用以向该至少一雾化器供给液体冷却剂。

4.如权利要求1所述的用于散发热量的系统，其特征在于，还包括：

一喷洒腔，该喷洒腔支撑该至少一雾化器；以及

一管道，它将把泵连接于该喷洒腔，用于对被收集在该冷却剂储槽里的液体冷却剂进行再循环，该冷却剂储槽完全位于密封的该机壳内。

5.如权利要求1所述的用于散发热量的系统，其特征在于，还包括：

一包封诸冷却翅片的第二机壳；以及

用于使第二冷却剂循环通过所述第二机壳并通过诸所述翅片的装置。

6.如权利要求1所述的用于散发热量的系统，其特征在于，该至少一雾化器包括一超声波搅拌器。

7.如权利要求1所述的用于散发热量的系统，其特征在于，该至少一雾化器包括一机械搅拌器。

8.如权利要求7所述的甲于散发热量的系统，其特征在于，还包括：

诸热交换器管道，它们位于机壳内并接触于液体冷却剂；以及

用于使第二液体冷却剂循环通过诸所述热交换器管道的装置。

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