專利名稱：噴冷電子組件的裝置和方法
技術領域：
總體來說，本發(fā)明涉及電子組件的冷卻，更為具體地說，本發(fā)明涉及噴冷電子組件的裝置和方法。
背景技術：
諸如多片組件的電子組件、諸如能量放大器的電子混合組件、和諸如濾波器的鈍化組件都可能含有熱源，這些熱源在常規(guī)操作過程中均需要冷卻。通常，電子組件被設在基底，例如印刷電路板上，并且工作在機柜式的箱體，如Versa Module Europe(VME)箱體或電子工業(yè)協(xié)會(EIA)的子機柜中。
一般來說，電子組件及相關部件是被自然冷卻或用強制空氣對流來冷卻的，由于空氣的熱容量和熱傳導率相對減弱，因此，這種冷卻方式需要大量的流動空氣通過電子組件，或者通過連接在組件上的笨重的散熱器。在機柜式的箱體內(nèi)，空氣冷卻會導致電子組件間的大的間距，這使得該箱體很大。另外，空氣冷卻的過程可能會在電子組件中產(chǎn)生不希望有的噪聲或其它污染，例如灰塵。
蒸發(fā)式噴冷的特征在于，霧化后的液滴直接噴射到熱源，如電子組件的表面上。當液滴接觸到電子組件的表面上之后，液體薄膜就覆蓋在電子組件上，同時，帶走熱量，這主要是通過蒸發(fā)組件表面上的液體來實現(xiàn)的。
雖然蒸發(fā)式的噴冷是許多電子儀器散發(fā)熱量的推薦方法，但是，電子組件的箱體必須經(jīng)常是為了噴冷電子組件的目的而重新設計。
因此，需要一種噴冷電子組件的裝置和方法，其中的電子組件可與傳統(tǒng)的機柜式箱體集成一體。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明的一個方面，按上述需要提供了一種噴冷電子組件的裝置，該裝置包括一塊板，該板具有第一層和第二層，其中，第二層背對著第一層。第二層包括第一基底。液體分配歧管鄰近于第一層進行設置。具有一個開口的噴注腔設在第一液體分配歧管中。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，噴冷電子組件的裝置包括一塊板，該板具有第一層和第二層，其中，第二層背對著第一層。第一層具有一個內(nèi)表面和一個外表面。液體分配歧管形成在第一層的內(nèi)表面上。液體分配歧管中設有一個噴嘴，該噴嘴有一個進液端和一個噴注端。噴注端上有一個開口。進液端與液體分配歧管相通，而噴注端與第一層的外表面相通?；着c第一層的內(nèi)表面相通。進液端從液體分配歧管接受液流，噴注端使該液流霧化，并從開口將霧化后的液體噴出。
根據(jù)本發(fā)明的更進一步的方面，噴冷電子組件的方法包括提供一塊板，該板具有第一層和第二層，第二層背對著第一層，第一層上具有液體分配歧管，而第二層包含有一個基底；通過布置在液體分配歧管中的噴嘴獲得液流，該噴嘴有一個開口；以及通過該開口噴出液體。
本發(fā)明的優(yōu)點對本領域的技術人員將一目了然，這是通過對以舉例形式圖示和說明的發(fā)明的推薦實施例進行描述的。一經(jīng)實現(xiàn)，本發(fā)明還可以有其它和不同的實施例，而且其細節(jié)在很多方面還可以有所修改。相應地，附圖和說明書的本身只作為舉例說明，而不是作為限制。
附圖概述

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個推薦實施例的噴冷電子組件的裝置的局部透視圖。
圖2是圖1中所示裝置的一個擴展透視圖。
圖3是圖2中所示裝置沿線3-3的一個截面圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的推薦實施例的一個噴注腔。
圖4是圖1和圖2所示裝置的透視圖，描述了同時冷卻兩塊印刷電路板上電子組件的操作方法。
圖5示出了如圖1至圖4所示裝置的一個機柜式箱體和一個閉合回路液流。
對推薦實施例的詳細說明現(xiàn)在看附圖，其中，同樣的數(shù)字標明了同樣的部件，圖1是一個裝置的局部透視圖，該裝置是根據(jù)本發(fā)明所推薦的實施例，噴冷電子組件。如圖所示，該裝置包括一塊實質(zhì)上為矩形的板10。然而，板10可以為任意想要的形狀，而且，它也可由任意合適的材料構成，如塑料或諸如鋁的金屬。
板10具有一個第一層12和一個第二層14。第二層14尤其可為一個電路板，如印刷電路板。第一層12尤其可為電路板的底板或基底，如陶瓷襯底的一個承板。如圖2所示，第一層12和第二層14可以為獨立的零件，它們可以用多種方法和材料固定在一起。例如，緊固零件如螺釘、柔性墊圈、粘合、超聲波焊接、錫焊或釬焊都可以被利用。另外，板10也可是一個單一的部件，它有內(nèi)部通道(下面將進一步討論)，該通道是在電路板的生產(chǎn)過程中，在第一層12中形成的。
當?shù)谝粚?2和第二層14相分離時，如圖2所示，可以看到第一層12有一個內(nèi)表面16和一個外表面18(看不見)。
在第一層12的內(nèi)表面16上至少設有一個液體分配歧管28。大量的液體分配歧管28，如圖1所示，形成了第一層12外表面18上的突起29，如圖2所示。液體分配歧管28可以是橫截面直徑很小的槽或通道，它們在板10中形成了管道。液體分配歧管28可以有任意的橫截面形狀。錐形、矩形、或圓形橫截面形狀都是被推薦的。
在側面12或側面14上可以集成一體地形成一個液體進口23，如圖2所示。另外，一個液體進口23可以單獨地被連接到板10上，例如，用一個有倒鉤的管接頭。
至少一個液體分配歧管28內(nèi)設有至少一個噴注腔30。圖3是圖2沿3-3線的一個橫斷面圖，示出了在第一層12中的一個噴注腔30。噴注腔30有一個進液端32，該進液端32設在液體分配歧管28上。噴注腔30的噴注端34至少有一部分與第一層12的外表面18相通，并且，噴注端34還包括一個開口36。該開口36的直徑最好近似于0.15mm。
每一個噴注腔30的尺寸恰能容納一個噴嘴26，該噴嘴如圖3所示，可以是一個旋入板或插入物。噴嘴26可以被固定到噴注腔30上去，這要通過如壓入配合、錫焊或粘合等手段。另外，噴嘴26也可以和液體分配歧管28集成一體。
噴嘴26最好為如單路壓力-旋流式霧化噴嘴的微型噴嘴，它大約高0.3mm，而且，可由任意合適的材料構成。一個合適的材料例子就是金屬材料，如銅或不銹鋼。單路壓力-旋流式霧化噴嘴在授與Tilton等人的美國專利No.5,220,804中有詳細描述，其內(nèi)容也包含于此，以供參考，并且，也可以商業(yè)手段從等溫系統(tǒng)研究公司獲得，該公司位于華盛頓州的Colton。
圖4描繪了板10冷卻相鄰一個印刷電路板45上的電子組件的工作方式。由圖1至圖4，總的來說，第一層12中的液體分配歧管28從液體進口23獲得冷卻液流體，并將該流體供應給大量噴嘴26的進液端32，噴嘴26設在液體分配歧管28中。噴嘴26的噴注端34使液體霧化，并從開口36將霧化后的液體43噴出，最好是沿一個與外表面18相垂直的角度噴出。另外，霧化后的液體43也可以沿與外表面18相傾斜的角度噴出。霧化后的液體43被噴射到印刷電路板45上，該板上可能包含有電子組件，如多片組件、電子混合組件或鈍化組件，這些組件被包圍在其它物體中。例如，印刷電路板45可能是第二塊板10(未示出)的第二層14。
冷卻液最好為一種絕緣液體，例如3M’s FluorinertTM絕緣液體，序列號為FC-72，但是，也可以是其它合適的絕緣液體，如一些廣為人知和廣泛使用的液體。例如，一種全氟化碳液體，類似于3M’sFluorinertTM絕緣液體也可以從Ausinmont Galden獲得。
一個電子組件具有高達每平方厘米300瓦的能量密度，該組件可以被板10的第一層12有效冷卻。將熱直接從電子組件上移走有助于降低組件和與之相連部件的工作溫度，通過熱量差和相關熱應力的有效減少提高了可靠性。
圖5說明了一個機柜式的箱體和一個閉合回路液流，它們是為如圖1至圖4所示的裝置服務的。箱體60，它實質(zhì)上是一個有任意所需尺寸的矩形容器，例如，它可能是一個Versa Module Europe(VME)機柜式箱體。箱體60可由任意合適的材料構成，如塑料或諸如鋁的金屬，并且可以被分隔，以形成多個腔體。
在箱體60的一個可能的結構中，具有頂壁62，它具有兩個面，即一個內(nèi)表面61和一個外表面63，頂壁的對面是底壁66，它也有一個內(nèi)表面65和一個外表面67。在頂壁62的內(nèi)表面61和底壁66的內(nèi)表面65中形成有許多導槽68。頂壁62上的導槽68實質(zhì)上和底壁66上的導槽68相對準。導槽68可隨意地給電子組件提供電的相互連通。另外，電的相互連通還可通過箱體60上的底板(未示出)來提供。
在本發(fā)明所推薦的實施例中，板10有第二層14，它最好為印刷電路板，該板10被固定在成對的導槽68之間。一塊板10被如此放置，使第一層12面對著一個相鄰的印刷電路板，這樣，相鄰印刷電路板上的電子組件就能被從第一層12中噴出的霧化液體43所冷卻。
如圖5所示，霧化后的液體43從兩個第一層12上噴到相鄰印刷電路板上，它們在本質(zhì)上以同樣的方式噴出。但是，必須考慮到，噴嘴26的布置和/或第一層12內(nèi)表面16內(nèi)的液體分配歧管28的設置對于箱體60內(nèi)的每一個板10也許會不同，以能夠滿足被噴冷的特定印刷電路板的特殊冷卻需求。
電子組件間大間距的約束在空冷的機柜式箱體中可能會存在，而當運用在此描述的噴冷式板10時，該約束將不復存在。板10事實上可以盡可能地靠近印刷電路板上的電子組件進行放置，只要與組件相連的部件(未示出)的高度允許即可，以使各組件變得緊湊，因為箱體60內(nèi)的空間主要由部件的高度所決定的，而不是由空氣容積的需求來決定。此外，當熱量分布在較大范圍，如一個大的散熱器時，空氣冷卻的效果最為顯著，噴冷與之不同，它鼓勵熱量集中，這是使部件體積和重量減少的另一因素。
再次參照圖5，該圖示出了箱體60的一個閉合回路液流的一個例子。液體供應管52可以被連在液體進口23上，用來給管道提供冷卻液流，該管道是由板10中的液體分配歧管28形成的。另外，液體供應池(未示出)可以連在并密封在頂壁62的外面63的周邊上，以給板10提供冷卻液。作為更進一步的方案，液體底板(未示出)可以被連接到箱體60上，以給板10供應冷卻液。
一個液體流出管48被連在并密封在底壁66的外面67上。液體流出管48收集并將從箱體60中流出的液體排走。液體最好通過底壁66上的開口(未示出)流出箱體66，該動作是在重力作用下完成的。當然，如更進一步密封箱體60則再好不過，這能減少冷卻液的泄漏。
液泵50與液體供應管52相連，該液泵50提供了一個液體流量。必須懂得，也可以僅采用一個液泵50。冷凝器53通過管54與液泵50相連，同時，通過管56與液體流出管48相連，該冷凝器53從液體流出管48中獲得液流。冷凝器53不接受液體中的熱量，使液體基本上返回到液態(tài)。也可用風扇58來擴大冷凝器53的冷卻能力。冷卻液由冷凝器53提供給液泵50。這樣，一個冷卻液的閉合回路就形成了。應該理解，在這個系統(tǒng)的任意一個給定點上，冷卻液可能會是氣體、液體或者氣液混合體。
應該考慮到，任何一種用于提供冷卻液流的傳統(tǒng)方法都可以與本發(fā)明所述的實施例一同使用。應該更進一步地考慮到，一個以上的箱體60可以被連接到唯一的冷卻液源上，同時，一個或多個冷卻液源也可以被連接到唯一的箱體60上，例如，為了備用的目的。
液泵50、冷凝器53和風扇58的尺寸，應該根據(jù)熱量排除和流動速率的要求進行選擇。例如，一個典型的閉合回路流量是每分鐘500至1000毫升，以實現(xiàn)500至1000瓦的熱量耗散。不同尺寸的泵和冷凝器的組件可以從等溫系統(tǒng)研究公司買到，而可接受的管和接頭可以從伊利諾斯州的Vernon Hills的Cole Parmer公司買到。
在此描述的閉合回路液流系統(tǒng)有許多優(yōu)點。例如，其易于被改變成適應現(xiàn)有的機柜式箱體。并且，該系統(tǒng)不需要安排大量的液體管道或者布置單個的噴嘴。因此，隨著回路更進一步地集成化，盡管熱密度增大，并且印刷電路板上和各印刷電路板之間的電子組件間的實體空間減小，與本文描述的裝置相關聯(lián)的液體傳遞及排出系統(tǒng)也不會增加其復雜性。
該系統(tǒng)也是為了維護保養(yǎng)的方便性而設計。例如，修理該噴冷系統(tǒng)就如同把板10從箱體60中取出來那么簡單，并且，通常不涉及拆開和重新定位大量的液體管。同樣地，系統(tǒng)的設計使得可無阻礙地到達各噴冷電子組件，以進一步方便組件的檢查與維修。
應該理解，所描述的實施例顯示了在常規(guī)操作過程中的被冷卻的電子組件，本發(fā)明并不局限于電子組件的常規(guī)操作過程中的冷卻，而且，它可適用于，例如，電子組件或者包含在該組件中的電子電路裝置的檢測與評定。
應進一步理解，無論什么地方需要密封和/或緊固，大量的方法和材料均可利用。例如，緊固零件，如螺釘、柔性墊圈、超聲波焊接、釬焊、錫焊或鍛制都可以利用。
也很顯然，本發(fā)明也可有其它以及進一步的形式，而不背離所附權利要求和等同替代的精神和范圍，同時，需了解到，本發(fā)明并不以任何方式局限于上面所述的特定實施例，而將僅僅被所附權利要求及其等同替代所決定。
權利要求
1．一種噴冷電子組件的裝置，該裝置包括一塊板，它有第一層和第二層，其中第二層背對著第一層，第二層包括第一基底；液體分配歧管，其鄰近于第一層進行設置；和帶有開口的噴注腔，該噴注腔設在第一液體分配歧管上。
2．根據(jù)權利要求1所述的裝置，進一步包括一個液體進口，其連接在液體分配歧管上。
3．根據(jù)權利要求2所述的裝置，其中，液體進口向液體分配歧管提供液流。
4．根據(jù)權利要求3所述的裝置，其中，板布置得臨近第二基底，該基底上設有電子組件。
5．根據(jù)權利要求4所述的裝置，其中，板設在一個VME機箱中。
6．根據(jù)權利要求4所述的裝置，其中，噴注腔內(nèi)設有一個噴嘴。
7．根據(jù)權利要求6所述的裝置，其中，噴嘴包括不銹鋼。
8．根據(jù)權利要求6所述的裝置，其中，噴嘴使液體霧化，并將霧化后的液體從開口噴出。
9．根據(jù)權利要求8所述的裝置，其中，霧化后的液體沿著與第一層實質(zhì)上呈直角的角度噴出，并且噴在電子組件上。
10．噴冷電子組件的裝置，該裝置包括一塊板，它有第一層和第二層，第二層背對著第一層，第一層具有一個內(nèi)表面和一個外表面；液體分配歧管，其設置在第一層的內(nèi)表面上；一個噴嘴，其設置在液體分配歧管中，該噴嘴具有一個進液端和一個噴注端，噴注端上有一個開口，進液端與液體分配歧管相通，而噴注端與第一層的外表面相通；和一個基底，其與第一層的內(nèi)表面相通，進液端從液體分配歧管接受液流，噴注端霧化液體，并從開口將霧化后的液體噴出。
全文摘要
裝置包括一塊板(10),它有第一層(12)和第二層(14),第二層(14)背對著第一層(12)。第二層(14)包括第一基底。液體分配歧管(28)鄰近于第一層(12)進行設置。帶有開口(36)的噴注腔(30)設在第一液體分配歧管(28)上。
文檔編號F25D1/00GK1212045SQ9719254
公開日1999年3月24日 申請日期1997年1月24日 優(yōu)先權日1996年4月10日
發(fā)明者杰拉爾德·W·巴拉德, 詹姆斯·W·圖羅西, 托馬斯·R·貝斯 申請人:摩托羅拉公司