專利名稱：冷卻發(fā)熱構(gòu)件的散熱裝置系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及用于要求冷卻功能有效的裝置的冷卻系統(tǒng)，特別涉及對(duì)于在操作期間能產(chǎn)生熱量的電子系統(tǒng)、裝置、電路板和插板的冷卻系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在對(duì)微芯片、電路板、電路插板、多芯片微型組件、電源/變換器和功率放大器和其它發(fā)熱零件(此后稱之為“構(gòu)件”)的迅速增長(zhǎng)的使用中伴隨發(fā)生的其中一個(gè)問題，就是必須驅(qū)散由這些電子元件產(chǎn)生的熱量。為使這些元件更有效地工作并減少發(fā)生故障的危險(xiǎn)性，必須將這些電子元件保持在某個(gè)所希望的溫度范圍內(nèi)。
近來，已有使用一些冷卻電子元件的方法。其中一個(gè)最普通的冷卻辦法是，在內(nèi)置有電子元件的機(jī)殼內(nèi)放幾臺(tái)風(fēng)扇并使空氣吹過這些元件。但是，在工作中不同的電子元件產(chǎn)生不同量的熱量而導(dǎo)致過熱點(diǎn)。散熱器已被用來克服過熱點(diǎn)問題。但是，隨著電子元件的輸出瓦數(shù)的繼續(xù)增長(zhǎng)，為了實(shí)現(xiàn)所需的冷卻，散熱器就會(huì)變得過大。為了將在機(jī)殼內(nèi)的熱量驅(qū)散掉，在內(nèi)裝電子元件的機(jī)殼上安裝了許多外部翅片。在完善的系統(tǒng)內(nèi)，在電子元件的四周布滿了內(nèi)含冷卻流體的冷卻管道，以便將熱量傳到外部熱交換器。但是，比起本發(fā)明，冷卻管和熱交換器使空間變得較擁擠，而且較昂貴。
電子硬件制造商引入了高級(jí)系統(tǒng)，以在電子元件的四周和直接接觸于電子元件的方式循環(huán)在元件機(jī)殼里的液體冷卻劑，并然后再循環(huán)流回該機(jī)殼內(nèi)。液體冷卻劑通常在電子元件的機(jī)殼外面收集并傳送給一熱交換器/冷凝器。這樣的系統(tǒng)較昂貴，也使空間變得擁擠。此外，這樣的系統(tǒng)的效率不高，因?yàn)樗鼈冎皇菃蜗嗬鋮s。
較多的對(duì)用于電子元件和其它發(fā)熱零件的液體冷卻系統(tǒng)的商業(yè)性研究和開發(fā)均集中在液體冷卻劑的射流沖擊的有關(guān)領(lǐng)域，這股沖擊液體是由直接噴射在被冷卻的表面上的一股或幾股高速窄射流組成。射流沖擊會(huì)與噴灑冷卻相輥淆，尤其是在這點(diǎn)上，即兩種冷卻方法中的液體冷卻劑均是從一孔中放出并引向待冷卻的表面上。但是，在流體動(dòng)力學(xué)和熱傳輸機(jī)理方面，在液體射流沖擊與在一較大面積上的具有良好分布并為液滴霧化噴灑的撞擊之間，還是存在許多基本和重要的差別。射流沖擊冷卻有其局限性，它次于噴灑冷卻。在表面上它不提供均勻的冷卻，對(duì)于一相等的平均熱流量來說，要求流速較高，并在比噴灑冷卻更低的臨界熱流量(CHF)時(shí)要燒盡(轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝し序v，也必然提高了表面溫度)。當(dāng)由一射流冷卻時(shí)，某一區(qū)域的外周區(qū)在一較低的熱量時(shí)，由于熱傳導(dǎo)系數(shù)較低，轉(zhuǎn)變?yōu)槟し序v(因此，在此發(fā)生臨界熱流量)。這樣，既減少了對(duì)這些區(qū)域里的熱量的驅(qū)除，也提高了局部的表面溫度。這樣就突然將一種遞增的較大的熱量驅(qū)除負(fù)擔(dān)施加于內(nèi)部區(qū)域上，這是不能適應(yīng)的，因?yàn)樵趥鳠崮芰Ψ矫娌⑽聪鄳?yīng)地增長(zhǎng)。如此，該膜沸騰現(xiàn)象很快沿徑向朝里傳開。
為了用射流沖擊實(shí)現(xiàn)較好的冷卻，企圖增加噴嘴數(shù)量，從而減小由每個(gè)噴嘴冷卻的面積。但是，傳送和排除大量流體的幾何方面的增加的困難很快抵消了其優(yōu)越性，因此射流沖擊對(duì)于起霧的大面積是不實(shí)用的。正如從下面的描述會(huì)變得清晰的，本發(fā)明沒有這樣的限制性。在單相射流沖擊冷卻領(lǐng)域里，發(fā)布了許多專利包括有美國(guó)專利4,108,242；4,912,600；4,838,041和3,844,343。
為實(shí)現(xiàn)較有效的冷卻，有許多對(duì)噴灑冷卻能力的調(diào)查研究和設(shè)想。噴灑冷卻包括一蒸發(fā)相變化的附加優(yōu)點(diǎn)。數(shù)個(gè)專利，包括美國(guó)專利4,643,250；4,790,370；4,643,250；4,352,392和4,967,829提供了對(duì)蒸發(fā)冷卻的已有技術(shù)的理解?？偟恼f來，已有技術(shù)并未取得成功，其原因不是傳統(tǒng)的霧化器不適用于可行的噴灑冷卻，就是長(zhǎng)噴灑距離和系統(tǒng)體積導(dǎo)致無效。
美國(guó)專利5,220,804揭示了一種在一廣范圍同內(nèi)噴灑的霧化的液體，該液體沖擊在被冷卻的電子元件的表面上。在一蒸發(fā)相變化過程中熱量被傳送給冷卻劑。蒸汽和液體被收集和移送到一外部冷凝器。盡管這樣一個(gè)系統(tǒng)具有蒸發(fā)相變化冷卻的優(yōu)點(diǎn)，蒸發(fā)和冷凝過程不是本身包含在發(fā)熱元件的機(jī)殼內(nèi)的，液體冷卻劑和蒸汽由一外部泵和冷凝器收集并再循環(huán)。在許多應(yīng)用中，包括電信、航空電子學(xué)和軍事方面，十分希望有整裝的設(shè)備而不帶任何外部系統(tǒng)。這樣的整裝系統(tǒng)在空間受限制的系統(tǒng)里是有利的，并能防止發(fā)生潛在的EMI問題。此外，盡管美國(guó)專利5,220,804的霧化器在性能上在許多方面優(yōu)于以前的現(xiàn)有的霧化器，但該霧化器也不能適用于所有的使用情況。
發(fā)明概述本發(fā)明克服了在用于微芯片、電路板、電路插板、多芯片微型組件、電源變換器和功率放大器和其它發(fā)熱零件(此后稱之為“構(gòu)件”)的冷卻系統(tǒng)的已有技術(shù)中存在的明顯的熱分布和冷卻問題。本發(fā)明是一等溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)承擔(dān)由諸電子元件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量的點(diǎn)源，并將此熱量散布于整個(gè)系統(tǒng)中，這樣，可有效地驅(qū)散此熱量。
本發(fā)明使用一種霧化的液體冷卻劑發(fā)散在一密封機(jī)殼內(nèi)的諸構(gòu)件產(chǎn)生的熱量。本發(fā)明包括一霧化器，用來霧化液體冷卻劑，并用冷卻劑的霧/噴霧充滿該密封的機(jī)殼。該霧化的液體冷卻劑在諸發(fā)熱構(gòu)件的表面上分布成一層薄膜。通過該液體冷卻劑的薄膜層的至少一部分的蒸發(fā)，使熱量從諸發(fā)熱構(gòu)件的表面向外轉(zhuǎn)送出去。
附圖簡(jiǎn)要說明通過參閱下面結(jié)合諸附圖的詳細(xì)描述，將對(duì)本發(fā)明有較全面的理解。其中

圖1是一包含諸電子元件的殼體和本發(fā)明的熱量分布系統(tǒng)的分解立體圖；圖2是圖1中的一包含諸電子元件的殼體和熱量分布系統(tǒng)的端視圖；圖3是圖1中的一包含諸電子元件的殼體和熱量分布系統(tǒng)的正視圖；圖3A是一噴灑室和圖1中的熱量分布系統(tǒng)的噴灑板的部分的正視圖；圖4是圖1中的熱量分布系統(tǒng)的噴灑板的側(cè)視圖；圖5是圖4的噴灑板的部分俯視圖；圖6是本發(fā)明的熱量分布系統(tǒng)的第二實(shí)施例；圖7是本發(fā)明的熱量分布系統(tǒng)的第三實(shí)施例；以及圖8是本發(fā)明的熱量分布系統(tǒng)的第四實(shí)施例。
詳細(xì)描述現(xiàn)在參閱諸附圖，其中的相同的編號(hào)表示所有附圖中的相同或類似的部分。先看圖1，其中表示了封閉安裝在諸構(gòu)件插板31上的諸電子元件30用的密封機(jī)殼20，其中的諸構(gòu)件卡31被保持在一典型的構(gòu)件盤32里。還表示了包括有諸霧化器50的液體冷卻劑噴灑板100和冷卻翅片22。
現(xiàn)在看圖2、3和3A。其中表示了內(nèi)含安裝在構(gòu)件卡31上的諸電子元件30的密封機(jī)殼20和本發(fā)明的熱量分布系統(tǒng)10的剖視圖。本發(fā)明是在一封閉環(huán)境里建立起的一個(gè)等溫平衡的系統(tǒng)，它承擔(dān)了由諸電子元件工作時(shí)發(fā)生的熱量的點(diǎn)源，并通過該機(jī)殼20內(nèi)的液體和氣體冷卻劑40散布熱量，這樣，通過機(jī)殼20和外部冷卻翅片22有效地驅(qū)散熱量。
在第一實(shí)施例中，熱分布系統(tǒng)10產(chǎn)生霧化的冷卻劑40的液滴，并噴灑在待冷卻的電子元件30的表面上。在操作時(shí)，液體冷卻劑40地霧化的霧/噴霧將吻合并直接接觸于內(nèi)裝在密封機(jī)殼20內(nèi)的諸電子元件30。可以理解的是在此使用的詞“霧化”和“被霧化”包括細(xì)的和/或粗液滴尺寸的霧/噴霧。還可理解的是在此使用的詞“霧化器”包括一種產(chǎn)生一種細(xì)的和/或粗液滴尺寸的霧/噴霧用的裝置。在薄膜蒸發(fā)相變化過程中熱量傳送給冷卻劑40。霧化的液體40可為“FC72”冷卻劑，如F1uorinertTM,即由3M公司生產(chǎn)的一種不導(dǎo)電的冷卻液體。
本發(fā)明減小或避免了要使用散熱片和復(fù)雜而昂貴的管道冷卻系統(tǒng)，以達(dá)到所需的冷卻的必要性。在第一實(shí)施例(見圖1、2和3)中，本發(fā)明是整裝結(jié)構(gòu)的。在許多應(yīng)用中，包括電信、航空電子學(xué)和軍事方面，十分希望有整裝設(shè)備而無外部冷卻系統(tǒng)。這樣的密封系統(tǒng)使EMI問題變得最小。因?yàn)楸景l(fā)明緩解了使用散熱片造成空間擁擠的問題，并將過熱點(diǎn)產(chǎn)生的熱量擴(kuò)散在系統(tǒng)的四周，更多的電子元件可裝在相同尺寸的機(jī)殼內(nèi)。對(duì)于軍事、航空電子學(xué)和電信用途方面，這是一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)。
由于液體冷卻劑40在機(jī)殼20內(nèi)被以霧/噴霧狀而散布，本發(fā)明所具有的另外的優(yōu)點(diǎn)是所需的液體冷卻劑40的量最小。如在發(fā)明背景部分討論過的，因?yàn)樵谶@樣的循環(huán)液體系統(tǒng)中的液體冷卻劑相對(duì)于本發(fā)明的霧/噴霧狀態(tài)保持為一種純液體狀態(tài)，所以，循環(huán)液體系統(tǒng)將較大部分的重量加給了冷卻系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)中的冷卻劑密度通常大于水，并能將較大重量加到整個(gè)系統(tǒng)上。在航空電子學(xué)和軍事用途上，附加的重量是尤為不希望的事。
現(xiàn)參閱圖2、3、3A和5，多個(gè)呈一種定做的形式布置的霧化器50置于一噴灑板100上。該噴射板100位于機(jī)殼20的第一端，并使諸排霧化器50位于每排支撐待冷卻的電子元件30的構(gòu)件卡31之間。如圖3A所示的，該噴灑板100是一包括一背襯構(gòu)件81的噴灑腔80的第一構(gòu)件。
現(xiàn)看圖2和3，霧化的液體冷卻劑40和在蒸發(fā)熱傳送過程之后冷凝的液體被收集在一位于機(jī)殼20的第二端的貯槽60內(nèi)。一泵70將收集到的冷卻劑40經(jīng)過供應(yīng)管道72再循環(huán)送到噴灑腔80。泵70最好是一種整裝的直流無刷泵，該泵的輸出壓力能達(dá)至少20磅/英寸2(表壓)，與典型的無刷汽車燃料泵類似。這樣的泵在市場(chǎng)上有貨供應(yīng)。在該最佳實(shí)施例中、泵70、泵電動(dòng)機(jī)和電機(jī)控制器均被內(nèi)裝在該機(jī)殼20中。
應(yīng)予以理解的是噴灑板100能為多種重新排列方式，在不脫離本發(fā)明的精神的情況下也可用其它零件和元件取代。另外，為了不作限制，諸霧化器50還可排列為各種方式，以符合諸發(fā)熱構(gòu)件的排列(圖2)。
再看圖2和3，在操作中，送給噴灑腔80的液體冷卻劑40送到每個(gè)霧化器50，以在一渦流腔中形成一冷卻劑40的渦流，當(dāng)該渦流走出霧化器50時(shí)被霧化。
圖6表示了本發(fā)明的熱分布系統(tǒng)的第二實(shí)施例。為了達(dá)到附加的冷卻，可在冷卻劑輸送管72的中間、在泵70與噴灑腔80之間設(shè)置一外部冷卻器1000。當(dāng)由于諸電子元件的瓦數(shù)的增長(zhǎng)而連續(xù)提高了熱負(fù)荷時(shí)，通過使用一風(fēng)扇93以強(qiáng)制空氣通過機(jī)殼20和/或外部冷卻翅片22的外側(cè)，而利用本發(fā)明的熱量分布系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)附加冷卻。
圖7表示了本發(fā)明的熱量分布系統(tǒng)的第三實(shí)施例。圖7表示了使用形成一種霧/噴霧狀液體冷卻劑的其它方法的本發(fā)明。位于機(jī)殼20內(nèi)的一機(jī)械攪拌器或葉片90攪拌被收集在儲(chǔ)槽60中的液體冷卻劑40，并將冷卻劑40擴(kuò)散在諸發(fā)熱構(gòu)件30上。如需要附加冷卻，可用一附加殼體29包住冷卻翅片22。液體冷卻劑400循環(huán)通過冷卻翅片22。熱量轉(zhuǎn)送給冷卻劑400，然后從發(fā)熱構(gòu)件殼體傳導(dǎo)排出。
看圖8，表示了本發(fā)明的第四實(shí)施例。有一超聲波攪拌器92用來形成散布通過諸發(fā)熱構(gòu)件的霧/噴霧狀液體冷卻劑。如需附加冷卻，可在密封機(jī)殼20之內(nèi)增加熱交換器管道200。第二液態(tài)或氣態(tài)冷卻劑300可通過這些熱交換器管道200循環(huán)。熱量轉(zhuǎn)送給冷卻劑300，然后從發(fā)熱構(gòu)件殼體傳導(dǎo)排出。熱交換器管道200的附加優(yōu)點(diǎn)在于，可提供附加的冷卻表面，在其上可冷凝和再循環(huán)被蒸發(fā)的冷卻劑40。
盡管在諸附圖中已圖示并在前面的詳細(xì)描述中介紹了本發(fā)明的最佳和其它幾個(gè)可取的實(shí)施例，但是本發(fā)明并不限于所揭示的諸實(shí)施例，可以理解，在不離開本發(fā)明精神的情況下，可采取諸零件和元件的多種重新排列和替換
權(quán)利要求
1．一種發(fā)散由發(fā)熱構(gòu)件產(chǎn)生的熱量的系統(tǒng)，它包括一機(jī)殼，它包含至少一發(fā)熱構(gòu)件并包括一液體冷卻劑儲(chǔ)槽；至少一霧化器，它用于霧化一種液體冷卻劑并將該霧化的液體冷卻劑分布在該發(fā)熱構(gòu)件的表面上；以及一泵，它位于所述機(jī)殼內(nèi)并連接于所述至少一霧化器，以使被收集在冷卻劑儲(chǔ)槽內(nèi)的液體冷卻劑再循環(huán)。
2．如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一霧化器包括多個(gè)以一定做形式布置的霧化器，所述定做形式使霧化的液體冷卻引向到每個(gè)發(fā)熱構(gòu)件的表面上。
3．如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括固定于機(jī)殼的一外表面的諸冷卻翅片，以提供對(duì)流冷卻。
4．如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括使空氣循環(huán)通過所述諸翅片的裝置。
5．如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括連接于所述至少一霧化器的一噴灑腔，以向該霧化器供給液體冷卻劑。
6．如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括將泵連接于噴灑腔的一管道。
7．一種發(fā)散由發(fā)熱構(gòu)件產(chǎn)生的熱量的系統(tǒng)，它包括一密封機(jī)殼，它包含至少一發(fā)熱構(gòu)件并包括一液體冷卻劑儲(chǔ)槽；至少一霧化器，它用于霧化一種液體冷卻劑并將該霧化的液體冷卻劑分布在該至少一個(gè)發(fā)熱構(gòu)件的表面上；一噴灑腔，它支撐該至少一個(gè)霧化器；一泵，它從液體冷卻劑儲(chǔ)槽再循環(huán)液體冷卻劑；以及一管道，它將泵連接于噴灑腔，以完全在密封機(jī)殼內(nèi)使收集在冷卻劑儲(chǔ)槽里的液體冷卻劑再循環(huán)。
8．一種發(fā)散由發(fā)熱構(gòu)件產(chǎn)生的熱量的系統(tǒng)，它包括一機(jī)殼，它包含至少一發(fā)熱構(gòu)件并包括一液體冷卻劑儲(chǔ)槽；一在冷卻劑儲(chǔ)槽內(nèi)的非導(dǎo)電液體冷卻劑；至少一霧化器，它用于霧化一種非導(dǎo)電液體冷卻劑并將該霧化的液體冷卻劑分布在該發(fā)熱構(gòu)件的表面上；以及一泵，它在所述機(jī)殼內(nèi)并連接于所述至少一個(gè)霧化器，以再循環(huán)被收集在冷卻劑儲(chǔ)槽里的非導(dǎo)電液體冷卻劑。
9．一種發(fā)散由發(fā)熱構(gòu)件產(chǎn)生的熱量的系統(tǒng)，它包括一機(jī)殼，它包含至少一發(fā)熱構(gòu)件和一液體冷卻劑儲(chǔ)槽；被包封在所述機(jī)殼內(nèi)的裝置，它用于霧化一液體冷卻劑和將該霧化的液體冷卻劑分布在該發(fā)熱構(gòu)件的表面上。
10．如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，用于霧化的裝置包括一超聲波攪拌器。
11．如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，用于霧化的裝置包括一機(jī)械攪拌器。
12．如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括固定于機(jī)殼的一外表面上的諸冷卻翅片和用于將空氣循環(huán)通過所述諸翅片的裝置。
13．如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括固定于機(jī)殼的一外表面上的諸翅片；一包封所述諸翅片的第二機(jī)殼；以及用于使第二液體冷卻劑循環(huán)通過所述第二機(jī)殼并通過所述諸翅片的裝置。
14．如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括位于機(jī)殼內(nèi)并接觸于液體冷卻劑的諸換熱器管道；以及用于使第二液體冷卻劑循環(huán)通過所述諸換熱器管道的裝置。
15．一種發(fā)散由包含在具有一冷卻劑儲(chǔ)槽的一機(jī)殼內(nèi)的諸發(fā)熱構(gòu)件產(chǎn)生的熱量的方法，它包括以下步驟由至少一霧化器從冷卻劑儲(chǔ)槽霧化一液體冷卻劑；在機(jī)殼內(nèi)從冷卻劑儲(chǔ)槽將液體冷卻劑再循環(huán)到至少一個(gè)霧化器；以及將霧化的液體冷卻劑分布通過發(fā)熱構(gòu)件的表面。
16．如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟密封該機(jī)殼；以及在密封機(jī)殼內(nèi)從冷卻劑儲(chǔ)槽將非導(dǎo)電液體冷卻劑再循環(huán)到至少一個(gè)霧化器。
17．一種發(fā)散由包含在具有一冷卻劑儲(chǔ)槽的一機(jī)殼內(nèi)的諸發(fā)熱構(gòu)件產(chǎn)生的熱量的方法，它包括以下步驟迫使所述冷卻劑通過至少一霧化器而霧化液體冷卻劑；將所述霧化的液體冷卻劑分布在一發(fā)熱構(gòu)件的表面上；以及從冷卻劑儲(chǔ)槽將收集的液體冷卻劑再循環(huán)到至少一個(gè)霧化器。
18．如權(quán)利要求17所述的散熱方法，其特征在于，還包括以下步驟密封該機(jī)殼；以及在密封機(jī)殼內(nèi)再循環(huán)被收集的液體冷卻劑。
19．一種發(fā)散由發(fā)熱構(gòu)件產(chǎn)生的熱量的系統(tǒng)，它包括一密封機(jī)殼，它包含至少一發(fā)熱構(gòu)件并包括一液體冷卻劑儲(chǔ)槽；至少一霧化器，它用于霧化一種液體冷卻劑并將該霧化的液體冷卻劑分布在該發(fā)熱構(gòu)件的表面上；一泵，它位于所述機(jī)殼內(nèi)并連接于所述至少一霧化器，以使被收集在冷卻劑儲(chǔ)槽內(nèi)的液體冷卻劑再循環(huán)；一管道，它將泵連接于至少一霧化器；以及用于冷卻再循環(huán)液體冷卻劑的裝置，所述冷卻裝置位于包含該發(fā)熱構(gòu)件的密封機(jī)殼的外面，所述管道將泵連接于與所述冷卻裝置連接的至少一個(gè)霧化器。
全文摘要
霧化一液體冷卻劑(40)的一霧化器(50)設(shè)置在一密封機(jī)殼(20)內(nèi)。該霧化的液體冷卻劑(40)如一層薄膜分布在諸發(fā)熱構(gòu)件(30)的表面和密封機(jī)殼(20)的壁上。通過蒸發(fā)該薄膜液體冷卻劑的至少一部分從諸發(fā)熱構(gòu)件(30)的表面轉(zhuǎn)送熱量。冷卻劑蒸氣冷凝在機(jī)殼(20)和其他冷卻表面上并返回到液體狀態(tài)。然后使用傳統(tǒng)的熱量轉(zhuǎn)送機(jī)構(gòu)(22)從機(jī)殼(20)的外表面驅(qū)散系統(tǒng)熱量。
文檔編號(hào)H05K7/20GK1225232SQ97196379
公開日1999年8月4日 申請(qǐng)日期1997年5月15日 優(yōu)先權(quán)日1996年5月16日
發(fā)明者莫特·L·哈維, 威廉·羅伯特·希契 申請(qǐng)人:雷泰昂E－體系股份有限公司