本公開涉及電子系統(tǒng)的液體浸沒(liquidsubmersion)冷卻，其中電子部件設置在外殼內(nèi)并且浸沒在用于冷卻電子部件的液體冷卻劑中。

背景技術：

已知的是，電子器件的液體浸沒通過與液體冷卻劑直接接觸來冷卻電子元件。美國專利第7,905,106和7,403,392號等公開了電子器件的液體浸沒冷卻的示例。電子器件的液體浸沒冷卻與電子器件的空氣冷卻相比具有很多優(yōu)點，包括：通過消除對風扇的需求并且減少hvac冷卻而提高能量效率；通過消除風扇噪音而使操作更安靜；在惡劣環(huán)境中使用，這是因為電子器件被容納在密封的液密外殼中，該外殼保護電子器件免受濕氣、鹽、沙土、灰塵以及其它污染物的影響；以及通過減少或防止電子設備的熱疲勞、腐蝕和污染而具有高可靠性。

技術實現(xiàn)要素：

本文描述了一種外殼以及使用該外殼的電子系統(tǒng)。所述外殼改進了從冷卻液體中的排熱，該冷卻液體循環(huán)通過電子系統(tǒng)以冷卻電子系統(tǒng)的電子部件，所述電子部件浸沒在與其直接接觸的冷卻液體中。

所述外殼配置成容納電子部件以及用作熱交換器，冷卻液體循環(huán)通過外殼對冷卻液體進行冷卻。由于外殼配置成用作熱交換器，因此不需要將冷卻液體循環(huán)至用于液體冷卻的外部熱交換器。然而，在一些實施例中，除了由外殼提供的冷卻之外，還可以將冷卻液體循環(huán)至用于附加冷卻的外部熱交換器。

所述外殼采用了一個或多個壁上的外部翅片和形成在一個或多個壁中的流體通道的組合布置，冷卻液體通過所述流體通道循環(huán)冷卻。流體通道和外部翅片優(yōu)選地形成在相同的壁上。翅片和流體通道可以形成在外殼的任何數(shù)量的壁上。

在一個實施例中，外殼由主殼體和端板形成，所述主殼體形成外殼的大部分并且在相對端處是敞開的，所述端板封閉開口端。主殼體的一個或多個壁可以設置有外部翅片和流體通道。此外，可以在端板的一個或多個邊緣上設置外部翅片。在一個實施例中，端板上的外部翅片可以與主殼體的壁上的外部翅片對齊。

主殼體和端板形成液密外殼，該液密外殼用于保持冷卻液體并且容納待被液體浸沒冷卻的電子器件。電子器件可以是形成任何電子系統(tǒng)的任何電子器件，這些電子系統(tǒng)將受益于液體浸沒冷卻。在一個實施例中，電子系統(tǒng)是一種在惡劣環(huán)境中使用的系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有挑戰(zhàn)性的散熱需求。

在一個實施例中，循環(huán)系統(tǒng)使冷卻液體在電子系統(tǒng)中循環(huán)，其中循環(huán)系統(tǒng)配置成引導冷卻液體通過主殼體的壁中的流體通道。在一個實施例中，循環(huán)系統(tǒng)可以包括作為電子系統(tǒng)的一部分的泵，使得冷卻液體保持在所述外殼內(nèi)。在另一個實施例中，循環(huán)系統(tǒng)的泵位于電子系統(tǒng)的外部，使得冷卻液體循環(huán)到外殼外部冷卻，然后返回殼體。

附圖說明

圖1是包含本文所述的外殼的電子系統(tǒng)的一個實施例的透視圖。

圖2是圖1的電子系統(tǒng)的外殼的前分解透視圖，示出了該電子系統(tǒng)的部件。

圖3是圖1的電子系統(tǒng)的外殼的后分解透視圖，示出了該電子系統(tǒng)的部件。

圖4是圖1的電子系統(tǒng)的另一個分解圖。

圖5是外殼的主殼體的透視圖。

圖6示出了主殼體一端的密封墊片如何安裝在主殼體上。

圖7示出了泵側(cè)端板的另一個實施例。

圖8是類似于圖7的視圖，不同的是密封墊片安裝就位。

圖9是包含本文所述的外殼的電子系統(tǒng)的另一個實施例的分解圖。

圖10a、10b、10c和10d是移除電子部件的外殼的主殼體的不同實施例的端部俯視圖/端部仰視圖。

圖11和12分別類似于圖3和圖2，示出了通過外殼的流動路徑的實施例。

具體實施方式

首先參照圖1，示出了包含本文所述的外殼12的電子系統(tǒng)10的示例。電子系統(tǒng)10采用電子部件的液體浸沒冷卻，所述電子部件設置在外殼12內(nèi)。外殼12形成容納電子部件和冷卻液體的液密外殼。電子部件可以是形成任何電子系統(tǒng)的任何電子部件，這些電子系統(tǒng)將受益于液體浸沒冷卻。在一個實施例中，電子系統(tǒng)10可以是在惡劣環(huán)境中使用的系統(tǒng)，諸如系統(tǒng)10暴露于沙土、高濕度、鹽水以及其它環(huán)境挑戰(zhàn)的環(huán)境中，并且其中系統(tǒng)10具有挑戰(zhàn)性的散熱需求。

所述外殼改進了從冷卻液體中的排熱，該冷卻液體循環(huán)通過電子系統(tǒng)以冷卻電子系統(tǒng)的電子部件，所述電子部件浸沒在與其直接接觸的冷卻液體中。在美國專利第7,905,106和7,403,392號中公開了電子器件的液體浸沒冷卻的示例，所述專利通過引用并入本文。

用于浸沒電子部件的冷卻液體可以是(但不限于)介電液體。冷卻液體可以是單相或兩相。在一個實施例中，冷卻液體具有足夠高的熱傳遞能力來管理由浸沒的電子部件產(chǎn)生的熱量，使得冷卻液體不改變狀態(tài)。外殼12中具有足夠的冷卻液體，以便浸沒想要浸沒的發(fā)熱部件。因此，在一些情況下，冷卻液體可以基本上填充整個外殼12，而在其它情況下，冷卻液體可以僅部分地填充外殼12。

回到圖1，系統(tǒng)10可以包括一個或多個輸入端(inputs)14，電功率和/或數(shù)據(jù)可以通過輸入端14輸入到外殼12中。系統(tǒng)10還可以包括一個或多個輸出端16，電功率和/或數(shù)據(jù)可以通過輸出端16從外殼12輸出。在一個實施例中，輸入端14可以輸入電功率，并且經(jīng)由輸出端16輸出電功率和/或數(shù)據(jù)。在另一個實施例中，其中用于為系統(tǒng)10供電的電能由外殼12內(nèi)部的一個或多個電池提供，數(shù)據(jù)可以經(jīng)由輸入端14輸入，并且經(jīng)由輸出端16輸出電功率和/或數(shù)據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)10的功能和用途以及外殼12中的電子部件，也可以是其它的輸入端和輸出端。

參照圖2-6，外殼12包括：主殼體20，一端的端板22，用于在主殼體20和端板22之間進行密封的密封墊片24，相對端的端板26以及用于在主殼體20和端板26之間進行密封的密封墊片28。

主要參照圖5以及圖10a，主殼體20的構(gòu)造大致為矩形，并且具有多個壁30a、30b、30c、30d，第一開口端34和第二開口端36(在圖3中可見)，這些壁限定了基本上中空的開放內(nèi)部空間32。每個壁30a-d具有在其內(nèi)表面38和外表面40之間限定的厚度t。

多個電子部件42(其中至少一部分是發(fā)熱的)設置在內(nèi)部空間32中。使用的電子部件42的類型取決于電子系統(tǒng)10的預期結(jié)構(gòu)和功能。在一個實施例中，電子部件42設置在內(nèi)部空間32內(nèi)由壁30b、30d支撐的電路板44上，使得電路板44與壁30a相鄰且基本上平行，并且電子部件通常定位在電路板44和壁30c之間。

在使用中，冷卻液體(未示出)部分地或完全填充內(nèi)部空間32，以便浸沒想要使用冷卻液體進行浸沒冷卻的電子部件42。

繼續(xù)參照圖5以及圖10a，壁30a-d中的一個或多個壁包括形成在其外表面40上的多個散熱翅片50和形成為其內(nèi)表面38和外表面40之間的壁厚度t的多個流體通道52的組合。流體通道52通常布置在翅片50的底端和內(nèi)表面38之間。

在使用中，冷卻液體通過流體通道52循環(huán)，以便在冷卻液體與電子部件42進行熱交換之后使冷卻液體冷卻。來自冷卻液體的熱量通過形成主殼體20的壁的材料轉(zhuǎn)移到翅片50。然后，熱量從翅片50消散到周圍空氣。如果需要，可以通過使用一個或多個風扇(未示出)引導空氣流過翅片50來增強翅片50的散熱。

翅片50和流體通道52的構(gòu)造和布置以及它們設置在哪個壁30a-d上可以基于許多因素變化，包括(但不限于)：想要實現(xiàn)的冷卻，使用的電子部件42的類型以及電子部件在內(nèi)部空間32中的布置/定位。

在圖1-9和圖10a所示的示例中，每個壁30a-d都設有翅片50和流體通道52。然而，并不是所有的壁都需要設置有翅片50和流體通道52中的任一者或兩者。例如，圖10b示出了形成有翅片50但不具有流體通道52的壁30b、30d。在圖10b中，由于沒有流體通道52，壁30b、30d上的翅片50可以制造得比圖10a中的壁30b、30d上的翅片50更長，以便提供更多的表面積用于熱交換。

另外，流體通道52在壁30a-d上的布置可以變化，以調(diào)整冷卻性能。例如，如圖5所示，側(cè)壁30a-d中的一個或多個的流體通道52可以沿著一個壁、一些壁或所有的壁歸并成組或集52a、52b、52c。在圖10a中，流體通道52被示出為沿著壁30a-d中的一個壁、一些壁或所有的壁的長度彼此均勻地間隔開。在圖10b中，流體通道52被示出為沿著壁30a、30c均勻地間隔開。在圖10c中，流體通道52被示出為相比于圖5、10a和10b中的流體通道而長度(即沿厚度t方向所測量的)更短，這允許使用更長的翅片50來增加熱交換的表面積，并且流體通道均勻地間隔開。在圖10d中，流體通道52被示出為均勻地間隔開，但與厚度t方向成一定角度。

在示出的示例中，翅片50和流體通道52從開口端34連續(xù)地延伸到另一個開口端36。然而，翅片50和流體通道52從端34到端36不需要是連續(xù)的。另外，每個壁中的翅片50和流體通道52基本上彼此平行地延伸，并且與從開口端34延伸到開口端36的主殼體20的縱向軸線基本上平行地延伸。

也可以使用翅片50和流體通道52的許多其它變型，并且可以在壁30a-d中的一些上設置一者或兩者，或者在壁30a-d中的一些上不設置一者或兩者。

主殼體20可以由任何導熱材料制成，包括塑料、金屬(諸如鋁)等。在一個實施例中，主殼體20通過擠出工藝形成，使得它是一種由諸如塑料或鋁的材料制成的單個統(tǒng)一的單件結(jié)構(gòu)。在美國專利第8,089,765號中描述了用于電子系統(tǒng)的擠出殼體的示例。

回到圖5，主殼體20還可以在每個端34、36處設置有緊固件孔54，以便接收用于將端板22、26固定到主殼體的緊固件，如下面進一步討論的。另外，在一些實施例中，定位銷孔56可以設置在兩端34、36處的一些或所有的孔54附近，以便接收定位銷，如下面進一步討論的。

端板22、26可以由與主殼體20相同的導熱材料形成，包括塑料、金屬(諸如鋁)等。在一個實施例中，端板22、26可以通過擠出工藝形成，使得它是一種由諸如塑料或鋁的材料制成的單個統(tǒng)一的單件結(jié)構(gòu)。

參照圖2-4，端板22、26各自具有大致為矩形的結(jié)構(gòu)，這與主殼體20的大致為矩形的結(jié)構(gòu)相匹配。端板22、26設計成可拆卸地緊固到主殼體20的相應開口端34、36以封閉開口端34、36。每個端板22、26包括基板60和從基板60延伸的周邊側(cè)壁62a、62b、62c、62d?；?0和側(cè)壁62a-d在每個端板22、26上形成凹入?yún)^(qū)域(recessedarea)64。

端板22、26可以通過任何形式的連接技術可拆卸地緊固到主殼體20。在示出的示例中，機械緊固件66(諸如螺釘)延伸穿過端板22、26中的孔并進入主殼體20中的孔54，以將端板22、26固定在適當位置。端板22、26還可以包括定位銷孔，該定位銷孔對應于主殼體20中的定位銷孔56的位置。在一個實施例中，定位銷68可以定位在主殼體20的定位銷孔56中(例如，如圖2所示)，以便在將端板附接至主殼體時適配在端板22、26的定位銷孔中。在另一個實施例中，定位銷68可以定位在端板22、26(例如，如圖2所示的端板26)的定位銷孔中，以便在將端板附接至主殼體時適配在主殼體的定位銷孔中。在另一個實施例中，定位銷68可以在一端處定位在主殼體20的定位銷孔56中，而在相對端處定位在端板的定位銷孔中，以便在將端板附接至主殼體時適配在端板和主殼體的對應的定位銷孔中。不論定位銷68最初的位置如何，定位銷68都有助于相對于主殼體20適當?shù)囟ㄎ欢税?2、26，并且還有助于適當?shù)囟ㄎ幻芊鈮|片24、28(如下面進一步討論的)。

繼續(xù)參照圖2-4，一個或多個端板22、26的一個或多個側(cè)壁62a-d在其外表面上形成有散熱翅片70。在示出的示例中，每個側(cè)壁62a-d都設有散熱翅片70。然而，并不是所有的側(cè)壁62a-d都需要設有翅片70。在一個實施例中，翅片70在側(cè)壁62a-d上的布置對應于翅片50在主殼體20的對應的壁30a-d上的布置。在一個實施例中，每個側(cè)壁62a-d上的翅片70的數(shù)量對應于對應的壁30a-d上的翅片50的數(shù)量。在另一個實施例中，翅片的數(shù)量不僅相對應，而且翅片70還可以基本上對齊，并且在壁30a-d上有效地形成連續(xù)的翅片70(從圖6和圖7中可以看出)。

參照圖2和圖3，在一個實施例中，端板22的凹入?yún)^(qū)域64形成一個回流或輸入集液室(plenum)，以便冷卻在冷卻之后通過通道52返回的液體。類似地，在另一個實施例中，在液體與電子部件交換熱量并將要通過通道52循環(huán)冷卻之后，端板26的凹入?yún)^(qū)域64形成用于冷卻液體的輸出集液室。

由包括泵80的循環(huán)系統(tǒng)使冷卻流體循環(huán)。泵80將冷卻液體從內(nèi)部空間32泵送到端板26的凹入?yún)^(qū)域64內(nèi)。然后，由循環(huán)系統(tǒng)將冷卻液體從凹入?yún)^(qū)域64引導到主殼體20的開口端36處的部分或所有通道52中。然后冷卻液體流經(jīng)液體被冷卻的通道52，之后在開口端34處流出通道52并且進入端板22的凹入?yún)^(qū)域64。然后由循環(huán)系統(tǒng)使冷卻液體通過開口端34返回到內(nèi)部空間32。

泵80可以位于適于實現(xiàn)其泵送功能的任何位置。在一個實施例中，泵80可以安裝在密封墊片28上并且定位在端板26的凹入?yún)^(qū)域64中(如圖2-4和圖7-8所示)。在該示例中，泵80安裝在墊片28的一側(cè)上并且包括入口管82和圓形擴展部分84，圓形擴展部分84設置在墊片28中的圓形開口86(參見圖9)內(nèi)而與開口86緊密配合，以便將泵80安裝在墊片28上，并且通常防止擴展部分84與圓形開口86之間的流體泄漏。

參照圖3，泵80包括至少一個出口88，以將冷卻液體引導到端板26的凹入?yún)^(qū)域64中。

在另一個實施例中，泵可以位于主殼體20的內(nèi)部空間32內(nèi)。在另一個實施例中，泵可以安裝在墊片24上并且沿與上述相反的方向泵送冷卻液體。在另一個實施例中，泵沒有安裝在墊片上，而是安裝在端板22、26中的一個上，并且包括延伸穿過密封墊片的輸入端。在又一個實施例中，設置了不止一個泵。

泵80可以具有本領域已知的適于泵送冷卻液體的任何機械設計，例如離心泵。

密封墊片24、28構(gòu)造成密封端板22、26與主殼體的開口端34、36之間的接合處，并且防止冷卻液體從外殼泄漏。密封墊片24、28也可以構(gòu)造成控制外殼12內(nèi)的冷卻液體的流動。墊片24、28可以由適于執(zhí)行密封和流動控制功能的任何材料形成，諸如橡膠、硅酮、金屬、毛氈、氯丁橡膠、玻璃纖維或塑料聚合物(諸如聚三氟氯乙烯)等。

參照圖2和圖3，密封墊片24包括大致平坦的大致為矩形的片材，其中在其墊片24的角落具有通孔90，緊固件66延伸穿過該通孔。附加的通孔92設置在定位銷68延伸穿過的通孔90附近。沿著墊片24的至少一個邊緣形成了穿過墊片的至少一個流體開口94。流體開口94與主殼體20的開口端34處的通道52的出口對準，從而使已經(jīng)冷卻的冷卻液體從通道52流出，流經(jīng)墊片24進入端板22的凹入?yún)^(qū)域64。

可以選擇流體開口94的數(shù)量、尺寸和形狀，以便對冷卻液體從通道52的流出進行控制。例如，如圖2和圖3所示，墊片24沿著墊片的每個邊緣具有兩個開口94，其中一個開口94a的尺寸允許從主殼體中的通道組或通道集52a、52b、52c中的一個流出，而另一個開口94b的尺寸較大以允許從主殼體20中的通道組或通道集52a、52b、52c中的兩個流出。

密封墊片28具有類似于墊片24的結(jié)構(gòu)。具體而言，墊片28可以是大致平坦的大致為矩形的片材，其中在墊片28的角落具有通孔100，緊固件66延伸穿過該通孔。附加的通孔102設置在定位銷68延伸穿過的通孔100附近。沿著墊片28的至少一個邊緣形成了穿過墊片28的至少一個流體開口104。流體開口104與主殼體20的開口端36處的通道52的入口對準，從而使待被冷卻的冷卻液體從端板26的凹入?yún)^(qū)域64流經(jīng)墊片28進入通道52。

可以選擇流體開口104的數(shù)量、尺寸和形狀，以便對冷卻液體流入通道52進行控制。例如，如圖2和圖3所示，墊片28沿著墊片的每個邊緣具有兩個開口104，其中一個開口104a的尺寸允許流入到主殼體中的通道組或通道集52a、52b、52c中的一個中，而另一個開口104b的尺寸較大以允許流入到主殼體20中的通道組或通道集52a、52b、52c中的兩個中。

流體開口94、104也可以是其它的數(shù)量、尺寸和形狀。例如，如圖9所示，墊片24、28可以沿其每個邊緣具有與所有通道52對準的單個大的開口94、104。

回到圖2，密封墊片24包括中央部分106，中央部分106阻止冷卻液體從凹入?yún)^(qū)域64自由地流回到主殼體20的內(nèi)部空間32。然而，中央部分106設置有多個孔108。孔108有助于使冷卻液體的流動分層，并且在冷卻液體流回到內(nèi)部空間32時產(chǎn)生均勻的流場。另外，孔108由此產(chǎn)生可以沖擊一個或多個電子部件42的冷卻液體的離散射流，從而產(chǎn)生沖擊冷卻效果?？?08的數(shù)量、孔108的位置、孔108的尺寸和/或孔108的集中度各自可以根據(jù)需要進行調(diào)整，以產(chǎn)生期望的流動和冷卻效果。

如圖2所示，墊片28包括中央部分110，中央部分110是實心的并且沒有開口或孔。實心中央部分110將內(nèi)部空間32與端板26的凹入?yún)^(qū)域64流體分離，使得冷卻液體必須流經(jīng)泵80才能到達凹入?yún)^(qū)域64。

參照圖7和圖8，示出了端板26的改型。在該實施例中，泵80的出口88流體地連接至封閉的集液室120a、120b，所述集液室裝配在端板26的凹入?yún)^(qū)域內(nèi)。流經(jīng)泵80的所有冷卻液體都被引導到集液室120a、120b中。集液室120a、120b設置有一個或多個出口122，在示出的示例中為兩個出口122。出口122的形狀和尺寸對應于形成在墊片28中的對應的流體開口104a、104b，使得出口122適配在流體開口104a、104b中并穿過流體開口(如圖8所示)。出口122有助于將冷卻液體的流動引導到主殼體20中的通道組或通道集52a、52b、52c的期望通道中。使用的出口122的數(shù)量、出口122的位置以及出口122的尺寸和/或形狀可以根據(jù)需要變化，以改變冷卻液體的流動路徑，從而調(diào)整獲得的冷卻性能。

在一個實施例中，可以在端板22中使用類似于集液室120a、120b的集液室，該集液室將接收從通道52輸出的冷卻液體。集液室將包括一個或多個出口，這些出口延伸穿過設置在墊片24的中央部分106中的合適開口，以將冷卻液體的回流直接引導到某些電子部件上來沖擊冷卻這些部件。

現(xiàn)將參照圖11和圖12以及圖2-6來描述電子系統(tǒng)10中的冷卻操作的一個示例。應當認識到，本文所述的其它實施例以類似的方式操作。首先將外殼12組裝，并且用冷卻液體填充到足以浸沒想要使用冷卻液體進行浸沒冷卻的電子部件的期望填充水平。為了填充外殼12，可以(例如)在端板22、26中的一個上設置合適的插入式填充端口，其中插塞可以從填充端口移除而允許填充冷卻液體?；蛘撸鈿?2可以如圖1和圖6所示豎直定向，并且移除上端板22以允許填充內(nèi)部空間。

在電子系統(tǒng)10的操作期間，其電子部件產(chǎn)生熱量。由于電子部件被浸沒在與其直接接觸的冷卻液體中，因此冷卻液體將吸收所產(chǎn)生的熱量。為了從冷卻液體中除去所吸收的熱量，通過泵80使冷卻流體循環(huán)。具體而言，泵80通過其入口82吸入冷卻液體，并且將該液體輸出到端板26的凹入?yún)^(qū)域64中(如圖11中的箭頭150所示)。端板26將吸收一部分熱量，其外部翅片70有助于將吸收的熱量消散到周圍環(huán)境中。然后，冷卻液體從凹入?yún)^(qū)域64流經(jīng)墊片28中的流體開口104(如圖11和圖12中的箭頭152所示)進入形成在主殼體20的壁上的流體通道52。主殼體20的壁從冷卻液體吸收熱量，而外部翅片50有助于將吸收的熱量消散到周圍環(huán)境中。然后，冷卻液體離開流體通道52(如圖11和12中的箭頭154所示)，之后流經(jīng)墊片24中的流體開口94并進入到端板22中的凹入?yún)^(qū)域64(如箭頭156所示)。端板22將吸收一部分熱量，其外部翅片70有助于將吸收的熱量消散到周圍環(huán)境中。然后，方才冷卻的冷卻液體流經(jīng)墊片24的中央部分106中的孔108而返回到主殼體的內(nèi)部空間32內(nèi)(如圖11和圖12中的箭頭156、158所示)。

每當電子系統(tǒng)10處于操作中時，泵80可以連續(xù)運行。在另一個實施例中，泵80可以控制成周期性地操作，例如以周期性的時間間隔開啟并在特定的時間段內(nèi)操作。在另一個實施例中，可以間歇性地控制泵80，例如通過基于冷卻液體的溫度進行控制，并且只有在冷卻液體達到預定溫度時才開啟以及在冷卻液體冷卻回到預定溫度時才關閉。

在一些實施例中，冷卻液體不需要循環(huán)。相反，冷卻液體的吸熱能力可足以吸收足夠的熱量，然后熱量通過冷卻液體與外殼12的壁和/或端板22、26的接觸而從冷卻液體散出，端板將熱量引導穿過壁并且引導至外部翅片，外部翅片將熱量消散到周圍空氣。

在不脫離本發(fā)明概念的精神或新穎特征的情況下，所描述的概念可以以其它形式來實施。在各個方面，本申請中所公開的示例都被認為是說明性而非限制性的。