专利名称：喷冷电子组件的装置和方法
技术领域：
总体来说，本发明涉及电子组件的冷却，更为具体地说，本发明涉及喷冷电子组件的装置和方法。
背景技术：
诸如多片组件的电子组件、诸如能量放大器的电子混合组件、和诸如滤波器的钝化组件都可能含有热源，这些热源在常规操作过程中均需要冷却。通常，电子组件被设在基底，例如印刷电路板上，并且工作在机柜式的箱体，如Versa Module Europe(VME)箱体或电子工业协会(EIA)的子机柜中。
一般来说，电子组件及相关部件是被自然冷却或用强制空气对流来冷却的，由于空气的热容量和热传导率相对减弱，因此，这种冷却方式需要大量的流动空气通过电子组件，或者通过连接在组件上的笨重的散热器。在机柜式的箱体内，空气冷却会导致电子组件间的大的间距，这使得该箱体很大。另外，空气冷却的过程可能会在电子组件中产生不希望有的噪声或其它污染，例如灰尘。
蒸发式喷冷的特征在于，雾化后的液滴直接喷射到热源，如电子组件的表面上。当液滴接触到电子组件的表面上之后，液体薄膜就覆盖在电子组件上，同时，带走热量，这主要是通过蒸发组件表面上的液体来实现的。
虽然蒸发式的喷冷是许多电子仪器散发热量的推荐方法，但是，电子组件的箱体必须经常是为了喷冷电子组件的目的而重新设计。
因此，需要一种喷冷电子组件的装置和方法，其中的电子组件可与传统的机柜式箱体集成一体。
发明概述根据本发明的一个方面，按上述需要提供了一种喷冷电子组件的装置，该装置包括一块板，该板具有第一层和第二层，其中，第二层背对着第一层。第二层包括第一基底。液体分配歧管邻近于第一层进行设置。具有一个开口的喷注腔设在第一液体分配歧管中。
根据本发明的另一个方面，喷冷电子组件的装置包括一块板，该板具有第一层和第二层，其中，第二层背对着第一层。第一层具有一个内表面和一个外表面。液体分配歧管形成在第一层的内表面上。液体分配歧管中设有一个喷嘴，该喷嘴有一个进液端和一个喷注端。喷注端上有一个开口。进液端与液体分配歧管相通，而喷注端与第一层的外表面相通。基底与第一层的内表面相通。进液端从液体分配歧管接受液流，喷注端使该液流雾化，并从开口将雾化后的液体喷出。
根据本发明的更进一步的方面，喷冷电子组件的方法包括提供一块板，该板具有第一层和第二层，第二层背对着第一层，第一层上具有液体分配歧管，而第二层包含有一个基底；通过布置在液体分配歧管中的喷嘴获得液流，该喷嘴有一个开口；以及通过该开口喷出液体。
本发明的优点对本领域的技术人员将一目了然，这是通过对以举例形式图示和说明的发明的推荐实施例进行描述的。一经实现，本发明还可以有其它和不同的实施例，而且其细节在很多方面还可以有所修改。相应地，附图和说明书的本身只作为举例说明，而不是作为限制。
附图概述
图1是根据本发明的一个推荐实施例的喷冷电子组件的装置的局部透视图。
图2是图1中所示装置的一个扩展透视图。
图3是图2中所示装置沿线3-3的一个截面图，示出了根据本发明的推荐实施例的一个喷注腔。
图4是图1和图2所示装置的透视图，描述了同时冷却两块印刷电路板上电子组件的操作方法。
图5示出了如图1至图4所示装置的一个机柜式箱体和一个闭合回路液流。
对推荐实施例的详细说明现在看附图，其中，同样的数字标明了同样的部件，图1是一个装置的局部透视图，该装置是根据本发明所推荐的实施例，喷冷电子组件。如图所示，该装置包括一块实质上为矩形的板10。然而，板10可以为任意想要的形状，而且，它也可由任意合适的材料构成，如塑料或诸如铝的金属。
板10具有一个第一层12和一个第二层14。第二层14尤其可为一个电路板，如印刷电路板。第一层12尤其可为电路板的底板或基底，如陶瓷衬底的一个承板。如图2所示，第一层12和第二层14可以为独立的零件，它们可以用多种方法和材料固定在一起。例如，紧固零件如螺钉、柔性垫圈、粘合、超声波焊接、锡焊或钎焊都可以被利用。另外，板10也可是一个单一的部件，它有内部通道(下面将进一步讨论)，该通道是在电路板的生产过程中，在第一层12中形成的。
当第一层12和第二层14相分离时，如图2所示，可以看到第一层12有一个内表面16和一个外表面18(看不见)。
在第一层12的内表面16上至少设有一个液体分配歧管28。大量的液体分配歧管28，如图1所示，形成了第一层12外表面18上的突起29，如图2所示。液体分配歧管28可以是横截面直径很小的槽或通道，它们在板10中形成了管道。液体分配歧管28可以有任意的横截面形状。锥形、矩形、或圆形横截面形状都是被推荐的。
在侧面12或侧面14上可以集成一体地形成一个液体进口23，如图2所示。另外，一个液体进口23可以单独地被连接到板10上，例如，用一个有倒钩的管接头。
至少一个液体分配歧管28内设有至少一个喷注腔30。图3是图2沿3-3线的一个横断面图，示出了在第一层12中的一个喷注腔30。喷注腔30有一个进液端32，该进液端32设在液体分配歧管28上。喷注腔30的喷注端34至少有一部分与第一层12的外表面18相通，并且，喷注端34还包括一个开口36。该开口36的直径最好近似于0.15mm。
每一个喷注腔30的尺寸恰能容纳一个喷嘴26，该喷嘴如图3所示，可以是一个旋入板或插入物。喷嘴26可以被固定到喷注腔30上去，这要通过如压入配合、锡焊或粘合等手段。另外，喷嘴26也可以和液体分配歧管28集成一体。
喷嘴26最好为如单路压力-旋流式雾化喷嘴的微型喷嘴，它大约高0.3mm，而且，可由任意合适的材料构成。一个合适的材料例子就是金属材料，如铜或不锈钢。单路压力-旋流式雾化喷嘴在授与Tilton等人的美国专利No.5,220,804中有详细描述，其内容也包含于此，以供参考，并且，也可以商业手段从等温系统研究公司获得，该公司位于华盛顿州的Colton。
图4描绘了板10冷却相邻一个印刷电路板45上的电子组件的工作方式。由图1至图4，总的来说，第一层12中的液体分配歧管28从液体进口23获得冷却液流体，并将该流体供应给大量喷嘴26的进液端32，喷嘴26设在液体分配歧管28中。喷嘴26的喷注端34使液体雾化，并从开口36将雾化后的液体43喷出，最好是沿一个与外表面18相垂直的角度喷出。另外，雾化后的液体43也可以沿与外表面18相倾斜的角度喷出。雾化后的液体43被喷射到印刷电路板45上，该板上可能包含有电子组件，如多片组件、电子混合组件或钝化组件，这些组件被包围在其它物体中。例如，印刷电路板45可能是第二块板10(未示出)的第二层14。
冷却液最好为一种绝缘液体，例如3M’s FluorinertTM绝缘液体，序列号为FC-72，但是，也可以是其它合适的绝缘液体，如一些广为人知和广泛使用的液体。例如，一种全氟化碳液体，类似于3M’sFluorinertTM绝缘液体也可以从Ausinmont Galden获得。
一个电子组件具有高达每平方厘米300瓦的能量密度，该组件可以被板10的第一层12有效冷却。将热直接从电子组件上移走有助于降低组件和与之相连部件的工作温度，通过热量差和相关热应力的有效减少提高了可靠性。
图5说明了一个机柜式的箱体和一个闭合回路液流，它们是为如图1至图4所示的装置服务的。箱体60，它实质上是一个有任意所需尺寸的矩形容器，例如，它可能是一个Versa Module Europe(VME)机柜式箱体。箱体60可由任意合适的材料构成，如塑料或诸如铝的金属，并且可以被分隔，以形成多个腔体。
在箱体60的一个可能的结构中，具有顶壁62，它具有两个面，即一个内表面61和一个外表面63，顶壁的对面是底壁66，它也有一个内表面65和一个外表面67。在顶壁62的内表面61和底壁66的内表面65中形成有许多导槽68。顶壁62上的导槽68实质上和底壁66上的导槽68相对准。导槽68可随意地给电子组件提供电的相互连通。另外，电的相互连通还可通过箱体60上的底板(未示出)来提供。
在本发明所推荐的实施例中，板10有第二层14，它最好为印刷电路板，该板10被固定在成对的导槽68之间。一块板10被如此放置，使第一层12面对着一个相邻的印刷电路板，这样，相邻印刷电路板上的电子组件就能被从第一层12中喷出的雾化液体43所冷却。
如图5所示，雾化后的液体43从两个第一层12上喷到相邻印刷电路板上，它们在本质上以同样的方式喷出。但是，必须考虑到，喷嘴26的布置和/或第一层12内表面16内的液体分配歧管28的设置对于箱体60内的每一个板10也许会不同，以能够满足被喷冷的特定印刷电路板的特殊冷却需求。
电子组件间大间距的约束在空冷的机柜式箱体中可能会存在，而当运用在此描述的喷冷式板10时，该约束将不复存在。板10事实上可以尽可能地靠近印刷电路板上的电子组件进行放置，只要与组件相连的部件(未示出)的高度允许即可，以使各组件变得紧凑，因为箱体60内的空间主要由部件的高度所决定的，而不是由空气容积的需求来决定。此外，当热量分布在较大范围，如一个大的散热器时，空气冷却的效果最为显著，喷冷与之不同，它鼓励热量集中，这是使部件体积和重量减少的另一因素。
再次参照图5，该图示出了箱体60的一个闭合回路液流的一个例子。液体供应管52可以被连在液体进口23上，用来给管道提供冷却液流，该管道是由板10中的液体分配歧管28形成的。另外，液体供应池(未示出)可以连在并密封在顶壁62的外面63的周边上，以给板10提供冷却液。作为更进一步的方案，液体底板(未示出)可以被连接到箱体60上，以给板10供应冷却液。
一个液体流出管48被连在并密封在底壁66的外面67上。液体流出管48收集并将从箱体60中流出的液体排走。液体最好通过底壁66上的开口(未示出)流出箱体66，该动作是在重力作用下完成的。当然，如更进一步密封箱体60则再好不过，这能减少冷却液的泄漏。
液泵50与液体供应管52相连，该液泵50提供了一个液体流量。必须懂得，也可以仅采用一个液泵50。冷凝器53通过管54与液泵50相连，同时，通过管56与液体流出管48相连，该冷凝器53从液体流出管48中获得液流。冷凝器53不接受液体中的热量，使液体基本上返回到液态。也可用风扇58来扩大冷凝器53的冷却能力。冷却液由冷凝器53提供给液泵50。这样，一个冷却液的闭合回路就形成了。应该理解，在这个系统的任意一个给定点上，冷却液可能会是气体、液体或者气液混合体。
应该考虑到，任何一种用于提供冷却液流的传统方法都可以与本发明所述的实施例一同使用。应该更进一步地考虑到，一个以上的箱体60可以被连接到唯一的冷却液源上，同时，一个或多个冷却液源也可以被连接到唯一的箱体60上，例如，为了备用的目的。
液泵50、冷凝器53和风扇58的尺寸，应该根据热量排除和流动速率的要求进行选择。例如，一个典型的闭合回路流量是每分钟500至1000毫升，以实现500至1000瓦的热量耗散。不同尺寸的泵和冷凝器的组件可以从等温系统研究公司买到，而可接受的管和接头可以从伊利诺斯州的Vernon Hills的Cole Parmer公司买到。
在此描述的闭合回路液流系统有许多优点。例如，其易于被改变成适应现有的机柜式箱体。并且，该系统不需要安排大量的液体管道或者布置单个的喷嘴。因此，随着回路更进一步地集成化，尽管热密度增大，并且印刷电路板上和各印刷电路板之间的电子组件间的实体空间减小，与本文描述的装置相关联的液体传递及排出系统也不会增加其复杂性。
该系统也是为了维护保养的方便性而设计。例如，修理该喷冷系统就如同把板10从箱体60中取出来那么简单，并且，通常不涉及拆开和重新定位大量的液体管。同样地，系统的设计使得可无阻碍地到达各喷冷电子组件，以进一步方便组件的检查与维修。
应该理解，所描述的实施例显示了在常规操作过程中的被冷却的电子组件，本发明并不局限于电子组件的常规操作过程中的冷却，而且，它可适用于，例如，电子组件或者包含在该组件中的电子电路装置的检测与评定。
应进一步理解，无论什么地方需要密封和/或紧固，大量的方法和材料均可利用。例如，紧固零件，如螺钉、柔性垫圈、超声波焊接、钎焊、锡焊或锻制都可以利用。
也很显然，本发明也可有其它以及进一步的形式，而不背离所附权利要求和等同替代的精神和范围，同时，需了解到，本发明并不以任何方式局限于上面所述的特定实施例，而将仅仅被所附权利要求及其等同替代所决定。
权利要求
1．一种喷冷电子组件的装置，该装置包括一块板，它有第一层和第二层，其中第二层背对着第一层，第二层包括第一基底；液体分配歧管，其邻近于第一层进行设置；和带有开口的喷注腔，该喷注腔设在第一液体分配歧管上。
2．根据权利要求1所述的装置，进一步包括一个液体进口，其连接在液体分配歧管上。
3．根据权利要求2所述的装置，其中，液体进口向液体分配歧管提供液流。
4．根据权利要求3所述的装置，其中，板布置得临近第二基底，该基底上设有电子组件。
5．根据权利要求4所述的装置，其中，板设在一个VME机箱中。
6．根据权利要求4所述的装置，其中，喷注腔内设有一个喷嘴。
7．根据权利要求6所述的装置，其中，喷嘴包括不锈钢。
8．根据权利要求6所述的装置，其中，喷嘴使液体雾化，并将雾化后的液体从开口喷出。
9．根据权利要求8所述的装置，其中，雾化后的液体沿着与第一层实质上呈直角的角度喷出，并且喷在电子组件上。
10．喷冷电子组件的装置，该装置包括一块板，它有第一层和第二层，第二层背对着第一层，第一层具有一个内表面和一个外表面；液体分配歧管，其设置在第一层的内表面上；一个喷嘴，其设置在液体分配歧管中，该喷嘴具有一个进液端和一个喷注端，喷注端上有一个开口，进液端与液体分配歧管相通，而喷注端与第一层的外表面相通；和一个基底，其与第一层的内表面相通，进液端从液体分配歧管接受液流，喷注端雾化液体，并从开口将雾化后的液体喷出。
全文摘要
装置包括一块板(10),它有第一层(12)和第二层(14),第二层(14)背对着第一层(12)。第二层(14)包括第一基底。液体分配歧管(28)邻近于第一层(12)进行设置。带有开口(36)的喷注腔(30)设在第一液体分配歧管(28)上。
文档编号F25D1/00GK1212045SQ9719254
公开日1999年3月24日 申请日期1997年1月24日 优先权日1996年4月10日
发明者杰拉尔德·W·巴拉德, 詹姆斯·W·图罗西, 托马斯·R·贝斯 申请人:摩托罗拉公司