CN1130960C - 喷雾冷却电子模块的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

该装置包括具有第一层(12)和与第一层(12)相对的第二层(14)的一个板(10)。第一流体分配导管(28)配置在第一层(12)，第二流体分配导管(28)配置在第二层(14)。具有第一开口(36)的第一喷嘴壳体(30)配置在第一流体分配导管(28)中以及具有第二开口(36)的第二喷嘴壳体(30)配置在第二流体分配导管(28)中。

Description

喷雾冷却电子模块的装置和方法
本申请书与同本发明共同转让的1996年4月10日提交的序列号TAB、卷号CE03015R的共同未决申请相关。
技术领域
本发明一般涉及电子模块的冷却，并特别涉及用于喷雾冷却电子模块的装置和方法。
背景技术
诸如多芯片模块的电子模块、诸如功率放大器这样的电子混合部件、及诸如滤波器这样的无源组件可能包含在正常工作期间需要冷却的热源。电子模块常常配置在诸如印刷电路板这样的底板上，并在支架型壳体中运行，诸如欧洲通用模块(VME：Versa Module Europe)机架，或电子工业协会(EIA：Electronic Industries Association)分支架。
一般，电子模块及其相关组件通过自然或者强迫的空气对流冷却，由于空气较低的热容量和传热系数，这种冷却需要运动大量的空气通过电子模块，或通过附加在模块上的沉重的散热片。在支架型壳体中，空气冷却结果可能造成电子模块之间需要宽阔的空间，这可能引起壳体过大。此外，空气冷却过程可能导致讨厌的噪声，或诸如灰尘等其他污染物进入电子模块。
蒸发喷雾冷却的特点是向诸如电子模块等热源表面直接喷射雾化液滴。当液滴碰到模块表面时，液体薄膜覆盖了模块，并主要通过液体从模块表面的蒸发去除热量。
虽然蒸发喷雾冷却在很多电子学应用中是较好的热量去除方法，但是为了喷雾冷却电子模块的目的，电子模块的壳体往往需要重新设计。
因而需要一种能够对可能集成在传统的支架型壳体中的电子模块进行喷雾冷却的装置和方法。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种喷雾冷却电子模块的装置满足了上述的需要，该装置包括具有第一层和与第一层相对的第二层的板。该板的尺寸被确定为可滑动地安装在一个壳体中。第一流体分配导管配置在第一层，而第二流体分配导管配置在第二层。具有第一开口的第一喷嘴壳体配置在第一流体分配导管中，而具有第二开口的第二喷嘴壳体配置在第二流体分配导管中。
根据本发明的另一方面，用于喷雾冷却电子模块的装置包括具有第一层和第二层的一个板，第一层具有第一内表面和第一外表面，而第二层具有第二内表面和第二外表面。该板的尺寸被确定为可滑动地安装在一个壳体中。第一流体分配导管在第一内表面中形成，第二流体分配导管在第二内表面中形成，并基本上与第一流体分配导管对齐以形成歧管。第一喷嘴配置在第一流体分配导管中。第一喷嘴具有第一接收端和第一喷射端。第一喷射端具有第一开口。第一接收端与第一流体分配导管连通，而第一喷射端与第一外表面连通。第二喷嘴配置在第二流体分配导管中。第二喷嘴具有第二接收端和第二喷射端。第二喷射端具有第二开口。第二接收端与第二流体分配导管连通，而第二喷射端与第二外表面连通。第一接收端从第一流体分配导管接收液体，第一喷射端雾化该液体并通过第一开口排放雾化的液体。第二接收端从第二流体分配导管接收液体，第二喷射端雾化该液体并通过第二开口排放雾化的液体。
根据本发明的又一方面，用于喷雾冷却电子模块的方法包括提供了具有第一层和第二层的一个板，第一层具有第一流体分配导管，且第二层具有第二流体分配导管；通过配置在第一流体分配导管中的第一喷嘴接收液体，第一喷嘴具有第一开口；通过配置在第二流体分配导管中的第二喷嘴接收该液体，第二喷嘴具有第二开口；通过第一开口排放液体；且通过第二开口排放液体。
从以下以示例的方式展示和描述的对本发明优选实施例的说明，对于本专业人员本发明的优点将是显而易见的。应当明了，本发明可以有其他不同的实施方式，并其细节可在各方面有所修改。于是，图示和说明自然应作为示例而不是限制。
附图说明
图1是根据本发明的优选实施例的用于喷雾冷却电子模块的装置的局部透视图。
图2是图1所示的装置的扩展透视图。
图3是图2中所示的装置沿线3-3的剖视图，表示根据本发明的优选实施例的喷嘴壳体。
图4是图1和2中所示装置的透视图，表示同时冷却两个印刷电路板上的电子模块的工作方式。
图5表示用于图1到4中所示装置的支架型壳体和闭环液流。
具体实施方式
现在转向附图，其中相同的标号标记相同的组件，图1是根据本发明的优选实施例的用于喷雾冷却电子模块的装置的局部透视图。如图所示，该装置包括一个基本为矩形的板10。然而板10可以是任何需要的形状，并可由任何适当的材料构成，例如塑料或诸如铝等金属。
板10具有第一层12和第二层14。如图12中所示，第一层12和第二层14可以是分开的而能够使用各种方法和材料紧固在一起的部件。例如，可使用诸如螺钉等紧固件、软衬垫、粘合剂、超声波焊接、钎焊或黄铜焊。另外，板10可以使用气助注模法作为单一部件形成，例如在模压过程中形成内腔(以下进一步讨论)。
如图2中所示，当第一层12与第二层14分开时能够看到，第一层12具有内表面16和外表面18。类似地，第二层14具有内表面20和外表面22。
至少一个流体分配导管28配置在第一层12的内表面16和第二层14的内表面20。结果分别形成为第一和第二层12、14外表面18、22上的凸起29的数个流体分配导管28如图2中所示。第一层12的内表面16中的流体分配导管28可以是槽，它们基本上与同样可以是槽的第二层14的内表面20中的流体分配导管28对齐，这样，在板10的内部形成歧管。然而，内表面16中的一个特定的流体分配导管不需要与内表面20中对应的流体分配导管28对齐。流体分配导管28可以具有任何截面形状。最好是锥形、矩形或圆形。
如图2中所示，进液口23可以与层12、14形成为一体。另外，进液口23例如也可以使用刺配合与板10可分地配合。
至少一个喷嘴壳体30配置在至少一个流体分配导管28中。图3是图2沿线3-3的剖视图，表示第一层12中的一个喷嘴壳体30。喷嘴壳体30具有与流体分配导管28连通的接收端32。喷嘴壳体30的喷雾端34至少部分地与第一层12的外表面18连通，并包含一个开口36。开口36直径最好在0.15mm的量级。
每一喷嘴壳体30的尺寸要能够容纳喷嘴26，如图3中所示，喷嘴可以是一旋流板或插入件。喷嘴26可以例如通过紧配合、钎焊或粘合装固在喷嘴壳体30上。另外，喷嘴26可以整体形成于流体分配导管28中。
喷嘴26最好是微型喷雾器，诸如大约0.3mm高的单压力旋流式雾化器，并可由任何适当的材料制成。适当的材料的一个例子是金属材料，诸如黄铜或不锈钢。单压力旋流式雾化器在在此结合作为对比文献的Tilton等人的U.S.专利No.5,220,804中有详细说明，并可从位于Colton，Washington的Isothermal Systems Research，公司购得。
图4表示板10用于同时冷却两个印刷电路板45上的电子模块工作的情形。通览图1到图4，板10的第一层12和第二层14中的流体分配导管28通过进液口23接收冷却液，并向配置在流体分配导管28中的数个喷嘴26的接收端32提供液体。图4中可看到，由在第一层12的内表面16中形成的流体分配导管28(看不见)引起的向第一层12的外表面18突出的凸起29。
喷嘴26的喷雾端34使液体雾化并通过开口36排放雾化的液体43，这最好与外表面18和22成垂直角度。另外，雾化的液体43可以对外表面18和22略微成一角度排放。雾化的液体43基本上同时向两个印刷电路板45喷射，印刷电路板45可能包含的电子模块，诸如多芯片模块、电子混合部件或无源组件，及其他东西。
冷却液最好是不导电的液体，诸如3M的Fluorinerttm不导电液体，订货号FC-72，但也可以是其他适当的不导电液体，这种不导电液体应当是熟知的、可广泛获得的。例如，类似于3M的Fluorinerttm不导电液体的全氟化碳(perfluorocarbon)液可从Ausimont Galden获得。
具有高达每平方厘米三百瓦特功率密度的电子模块被板10的一侧12、14有效地冷却。直接从电子模块去除热量有助于降低模块及其相关组件的工作温度，通过温变和相关的热应力的降低而增加了可靠性。
图5示出用于图1到4的中所示装置的支架型壳体和闭环液流。决定了任何所需尺寸大体为矩形的腔体的框架60，例如可以是欧洲通用模块(VME)支架型壳体。框架60可由任何适当的材料构成，例如塑料或金属，诸如铝，并可被划分而形成多个腔体。
在框架60一个可用的结构中，具有内侧61和外侧63两侧的顶壁62，与同样具有内侧65和外侧67两侧的底壁66相对。在顶壁62的内侧61和底壁66的内侧65中形成有数个导轨68。顶壁62的导轨68基本上与底壁66的导轨68对齐。导轨68可选用地提供了电子模块的电互连。
在本发明的优选实施例中，诸如支撑电子模块的印刷电路板45这样的装置被固定在成对的导轨68之间。板10也可以通过导轨68定位，最好插入在印刷电路板45之间，使得两块印刷电路板45上的电子模块同时被从板10的两层12、14排放的雾化液体43冷却。
如图5中所示，雾化液体43以基本上相同的方式射到两个印刷电路板45上。然而可考虑，使位于内表面16的流体分配导管28中喷嘴26的位置可以不同于位于内表面20的流体分配导管28中喷嘴26的位置，以满足被喷雾冷却的特定的电路板45特别的冷却要求。这样，板10的第一层12可能喷射第一电路板的上部区域，而板10的第二层14可能喷射第二电路板的下部区域。
在空气冷却的支架型壳体中可能有的电子模块之间大间隔的限制，在使用这里所述的喷雾冷却板10时则基本上不再存在。板10实际上可靠近电子模块表面放置到附加在模块上的组件高度允许的程度，由于框架60内的间隔基本上由组件高度所决定，而不是由空气量的要求决定，故结果得到的是密集的模块排布。空气冷却最为有效是在热量通过大区域散开时，例如通过散热器，与此不同的是喷雾冷却欢迎热量集中，这是对降低组件的体积和重量有利的另一因素
再来参见图5，其中示出框架60的闭环液流的一例。供液管52可装设在进液口23，以便向板10内由流体分配导管28形成的导管提供冷却液流。另外，可在顶壁62的外侧63的周围附加并密封一个供液池(未示出)，以便向板10提供冷却液。作为另一改变，可向框架60连接一个液体底板(未示出)，以便向板10提供冷却。
向底壁66的周围侧面67添加并密封一个排液池48。排液池48收集并排出从框架60去除的液体。液体最好在重力作用下通过底壁66的开口(未示出)流出框架60。自然，可以做到进一步对框架密封，以减少冷却液的泄漏。
与供液管52连接的液体泵50提供了液流。通过管路54连接到泵50并通过管路56连接到排液池48的冷凝器53，从排液池48接收液体。冷凝器53从液体中除去热量，使其返回到原来的液相。可使用风扇58以扩大冷凝器53的冷却容量。冷却的液体从冷凝器53向液泵50提供。这样就形成冷却液的闭环流动。应当注意，在系统中任何给定的点处，冷却液可能是蒸汽、液体或蒸汽和液体的混合物。
要考虑到的是，任何用于提供冷却液流的传统装置可与本发明所述实施例结合使用。还应当考虑的是，为了冗余的目的，例如可向单个的冷却液源连接多于一个框架60，也可以是一个或多个冷却液源连接到单个的框架60。
液体泵50、冷凝器53及风扇58的规格应当基于热量去除和流率的需要选择。例如，对于500到1000瓦特的散热，典型的闭环液流为每分钟500到1000毫升。可从Isothermal Systems Research公司获得泵和冷凝器各种规格的组件，并从在Vernon Hills，Illinois的Cole-Parmer能够获得可用的导管和配件。
这里所述的闭环液流系统具有很多优点。例如，它易于对现有的支架型壳体改型。并且该系统不需要管理大量的液体管路或定位各个喷嘴。因而，尽管由于电路进一步集成、和印刷电路板上电子模块上和之间的物理空间减少而使热密度增加，与这里所描述的装置相关的液体提供和排放系统不会增加复杂性。
本系统还为了提供方便维护的可能性而设计。例如修理喷雾冷却系统可以象从框架60除去板10那样简单，通常并不涉及断开连接和使各个液体管路重新就位。类似地，系统的设计使能无阻碍地接近各个被喷雾冷却的电子模块，这进一步方便了模块的检查和维修。
应当明了，虽然所述实施例示出在正常工作期间被冷却的电子模块，但本发明不限于在电子模块一般工作期间进行冷却，而是可适用于例如测试和评测电子模块或包含在电子模块中的电子电路装置。
还应当明白的是，任何需要密封和/或紧固的地方，可以使用各种方法和材料。例如，可以使用诸如螺钉紧固件、软衬垫、超声波焊接、黄铜焊、钎焊或挤压。
还明显的是，在不背离所附权利要求及其等价物的精神和范围之下，可构造出本发明的其他形式，并应当明白，本发明不以任何方式限于上述具体实施例，而只由以下权利要求及其等价物产生。

Claims (9)

1.用于喷雾冷却电子模块的装置，该装置包括：
具有第一层和与第一层相对的第二层的一个板，该板的尺寸被确定为可滑动地安装在一个壳体中；
配置在第一层的第一流体分配导管；
配置在第二层的第二流体分配导管；
具有第一开口的第一喷嘴壳体，第一喷嘴壳体配置在第一流体分配导管中；以及
具有第二开口的第二喷嘴壳体，第二喷嘴壳体配置在第二流体分配导管中。
2.根据权利要求1的装置，还包括：
配置在板中的进液口。
3.根据权利要求2的装置，其中进液口向第一和第二导管提供液体。
4.根据权利要求3的装置，其中板配置在第一电路板和第二电路板之间。
5.根据权利要求4的装置，其中板配置在欧洲通用模块机架中。
6.根据权利要求4的装置，其中第一喷嘴配置在第一喷嘴壳体中。
7.根据权利要求6的装置，其中第一喷嘴由不锈钢构成。
8.根据权利要求6的装置，其中第一喷嘴使液体雾化，并通过第一开口排放雾化的液体。
9.根据权利要求8的装置，其中雾化的液体以基本上垂直于第一层的角度排放到第一电路板。
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