一种两相浸没式冷却装置的制作方法

1.本发明涉及一种两相浸没式冷却装置，尤其涉及一种上箱体布有冷凝器的两相浸没式冷却装置。


背景技术：

2.随着计算机芯片、物联网、新能源汽车的电池、电子器件，居家数字化电器设备，数字医疗、边缘计算的芯片和电子器件、量子计算的芯片和电子器件、机器人的芯片和电子器件、机械设备的发热部件或电子设备的发热部件的功率及热流密度的快速提高，发热元件的冷却技术也经历了一代又一代的快速发展。经历过了被动散热方式的冷却，强化空气冷却，热虹吸式回路热管冷却，液体冷却和浸没式单相冷却技术的不断发展后，浸没式两相冷却方法是目前最具发展前途和最有效的服务器冷却技术之一。
3.两相浸没式冷却装置包括一个箱体、发热元件、冷却液、盖体以及冷凝器。所述发热元件容纳于下部分的箱体中并浸没于所述冷却液中。现有一种方案是将冷凝器组装在盖体中，然而这种情况下冷凝器的换热面积非常有限，不能满足大功率高热密度发热元件的冷却需求。为克服这一不足，现有一种方案是将冷凝器沿着箱体的内壁面排布，以增加冷凝器的换热面积，以冷却具有更高热流密度的发热元件。这种情况下，所述冷凝器远离所述多个内侧壁包围形成的空腔，能使所述发热元件上下穿过所述空腔，方便地将所述发热元件安装至下部分的箱体中或将所述发热元件从下部分的箱体中取出。然而，由于上部分的箱体的内部需预留供所述发热元件穿过的空腔，使得上部分的箱体内部留给冷凝器的空间十分有限，导致单位体积的箱体中可容纳的冷凝器较小，冷凝能力有限。该种两相浸没式冷却装置仅能满足具有低热负荷的发热元件的冷却需求。为了满足具有更高热负荷的发热元件(例如数据中心的高热负荷的服务器)的冷却要求，解决的方案是增大箱体的体积，例如增加箱体的高度、长度或宽度，以使上部分的箱体内部沿着壁面有更大的容积容纳下更大尺寸的冷凝器。可是，这样做的结果就使得浸没式两相冷却装置的高度越来越高，或尺寸越来越大，成本也越来越高。而高度越来越高，周边尺寸越来越大的上部空腔的功能仅仅是为了发热元件无障碍地上下通过。但是，随着社会各方面的高速发展，人们对机构的空间利用率也提出了更高的要求，对发热元件的冷却装置这种空间要求更为严苛的产品，尤其是数据中心对于更小的占地面积，更高的容量的浸没式两相冷却装置更加迫切的需求，简洁、小巧和成本低的结构显得尤其重要。另还有一种方案是在箱体的上部布有冷凝器盘管，然而由于箱体为一体结构，使得服务器不易通过上部的空腔上下穿过，并且盘管的中间部分没有冷凝管，使得冷凝盘管的换热能力受到限制。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供一种单位体积的上箱体中可容纳更大冷凝能力的冷凝器的两相浸没式冷却装置，以满足具有大功率高热负荷的发热元件的冷却需求和小型化的需求。
5.本技术第一方面提供一种两相浸没式冷却装置，包括上箱体、下箱体、发热元件以及冷凝器，所述上箱体包括首尾依次相接的第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁，所述第一侧壁、所述第二侧壁、所述第三侧壁和所述第四侧壁共同形成第一空腔，所述下箱体具有第二空腔，所述第二空腔中容纳有冷却液，所述发热元件设置于所述第二空腔中并浸没于所述冷却液中。所述冷凝器包括多排多列冷凝管，每排每列冷凝管自所述第一侧壁至所述第三侧壁或者自所述第二侧壁至所述第四侧壁布置，自所述上箱体的底部向上布置，以布满所述第一空腔；所述下箱体可拆卸地并密封地连接于所述上箱体的底端以使所述第二空腔与所述第一空腔相连通形成一容纳腔。
6.在一些实施方式中，所述两相浸没式冷却装置还包括风扇，所述风扇位于所述冷凝器的上方或下方。
7.在一些实施方式中，所述两相浸没式冷却装置还包括设置于所述容纳腔中的至少一感测器，所述至少一感测器包括温度感测器、湿度感测器、压力感测器和液面感测器中至少一者。
8.在一些实施方式中，所述两相浸没式冷却装置还包括密封地设置于所述上箱体上的第一双面插座，所述第一双面插座的内插座用于与所述风扇以及所述至少一感测器电连接，所述第一双面插座的外插座用于与外部电源和所述至少一感测器的外部连线电连接。
9.在一些实施方式中，所述两相浸没式冷却装置还包括设置于所述下箱体上的液面感测器，所述液面感测器与所述容纳腔相连通并用于检测所述冷却液的液面高度。
10.在一些实施方式中，所述两相浸没式冷却装置还包括设置于所述箱体顶部的安全阀门，当所述容纳腔中的气压高于预设气压时，打开所述安全阀门直至所述容纳腔中的气压低于预设气压，以保证所述两相浸没式冷却装置在安全的压力下工作。
11.在一些实施方式中，所述两相浸没式冷却装置还包括冷却液管理系统，用于向所述容纳腔中补充冷却液。
12.在一些实施方式中，所述两相浸没式冷却装置还包括控制器，所述控制器与至少一风扇、至少一感测器、至少一冷凝器、至少一液面感测器、至少一安全阀门、至少一冷却液管理系统、至少一警报器电连接；所述至少一液面感测器和所述至少一警报器、所述至少一冷却液管理系统、所述安全阀门电连接，当所述液面感测器检测到的所述冷却液的液面高度低于预设高度时，所述控制器控制所述警报器发出警报并控制所述冷却液管理系统向所述容纳腔中补充冷却液。
13.在一些实施方式中，所述两相浸没式冷却装置还包括密封地设置于所述下箱体上的第二双面插座，插座的里面连接发热组件连线和连接检测器的连线插头，所述第二双面插座的外插座用于与所述发热元件的外部连线和所述液面感测器的外部连线电连接。
14.在一些实施方式中，所述下箱体通过法兰连接、卡钩连接、咬缝连接、卡箍连接、或螺钉连接的方式与所述上箱体可拆卸地连接。
15.在一些实施方式中，所述两相浸没式冷却装置还包括盖体，所述盖体可拆卸地连接于所述上箱体背离所述下箱体的一端并覆盖所述上箱体以密封所述容纳腔。
16.在一些实施方式中，所述两相浸没式冷却装置还包括设置于所述上箱体上的抽气阀门，所述抽气阀门用于与真空泵相连接以将所述容纳腔中的不凝气体抽出。
17.在一些实施方式中，所述发热元件包括应用于数据中心的服务器、应用于新能源
汽车的电池、电子芯片或电子器件、应用于居家智能数字化电器的电子芯片或设备、应用于数字医疗的电子芯片或电子器件、应用于边缘计算的电子芯片或电子器件、应用于量子计算的芯片、应用于机器人的芯片、应用于机械设备的发热部件或电子设备的发热部件。
18.本技术提供的两相浸没式冷却装置的上箱体中无需预留供所述发热元件穿过的空腔，使得单位体积的上箱体中可安装换热面积更大的冷凝器，以满足具有高热负荷的发热元件的冷却需求和小型化的需求；上箱体和下箱体可拆卸地连接，使得所述发热元件可直接在所述下箱体中方便的进行组装、更换和保养。
附图说明
19.图1为本技术一实施方式提供的两相浸没式冷却装置的立体结构示意图。
20.图2为图1所示两相浸没式冷却装置沿ii-ii的剖视图。
21.图3为本技术一实施方式提供的两相浸没式冷却装置的部分组件示意图。
22.主要元件符号说明
23.两相浸没式冷却装置
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100
24.上箱体
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11
25.下箱体
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12
26.盖体
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13
27.冷却液
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20
28.发热元件
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30
29.冷凝器
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40
30.冷凝管
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41
31.容纳腔
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101
32.第一空腔
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112
33.第一侧壁
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114
34.第二侧壁
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115
35.第三侧壁
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116
36.第四侧壁
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117
37.第二空腔
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122
38.第一连接部
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113
39.第二连接部
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123
40.风扇
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61
41.控制器
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62
42.温度感测器
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63
43.湿度感测器
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69
44.压力感测器
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64
45.液面感测器
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65
46.警报器
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66
47.第一双面插座
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71
48.第二双面插座
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72
49.把手
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80
50.支撑件
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90
51.抽气阀门
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50
52.冷却液管理系统
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67
53.安全阀门
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68
54.冷凝器控制器
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42
55.安全阀门控制器
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681
56.如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
57.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
58.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术。
59.下面结合附图，对本技术的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合或替换。
60.请参阅图1至图3，本技术一实施方式提供的两相浸没式冷却装置100，包括上箱体11、下箱体12、盖体13、冷却液20、发热元件30以及冷凝器40。所述下箱体12可拆卸且密封地连接于所述上箱体11的下端，并与所述上箱体11共同形成用于容纳所述冷却液20、所述发热元件30和所述冷凝器40的容纳腔101。所述盖体13可拆卸地连接于所述上箱体11背离所述下箱体12的一端，并覆盖所述上箱体11以密封所述容纳腔101。
61.所述上箱体11大致为矩形立方体状，其两端具有第一开口，内部具有连通两个第一开口的第一空腔112。所述上箱体11包括首尾依次连接的第一侧壁114、第二侧壁115、第三侧壁116以及第四侧壁117，所述第一侧壁114的位置与所述第三侧壁116的位置相对应，所述第二侧壁115的位置与所述第四侧壁117的位置相对应，且所述第一侧壁114、所述第二侧壁115、所述第三侧壁116以及所述第四侧壁117共同形成所述第一空腔112。
62.所述下箱体12大致为矩形立方体状，其一端具有第二开口，且其内部具有与所述第二开口相连通的第二空腔122。当所述上箱体11安装于所述下箱体12的上端时，所述第二空腔122与所述第一空腔112相连通并共同构成所述容纳腔101。所述盖体13可盖住所述上箱体11背离所述下箱体12的开口，以使所述容纳腔101成为一密闭腔。所述上箱体11可以但不限于通过法兰连接、卡钩连接、咬缝连接、卡箍连接、或螺钉连接等方式与所述盖体13或所述下箱体12实现可拆卸连接。
63.所述上箱体11的底端的外壁上凸伸形成有第一连接部113。所述第一连接部113环绕所述上箱体11的周缘设置，且所述第一连接部113朝向所述下箱体12的表面与所述上箱体11的下底面相齐平。所述下箱体12的顶端的外壁上凸伸形成有第二连接部123。所述第二连接部123环绕所述下箱体12的周缘设置，且所述第二连接部123朝向所述上箱体11的底表面与所述下箱体12的上顶面相齐平。在一些实施方式中，当所述上箱体11组装于所述下箱体12上时，所述第一连接部113朝向所述下箱体12的表面与所述第二连接部123朝向所述上
箱体11的底表面紧密贴合，以密封所述容纳腔101。本实施方式中，所述第一连接部113与所述第二连接部123可拆卸地且密封地连接。
64.所述发热元件30可以但不限于是应用于数据中心的服务器、为应用于新能源汽车的电池、电子芯片和电子器件，为应用于居家智能数字化电器的电子芯片和设备，为应用于数字医疗的电子芯片和电子器件、为应用于边缘计算的电子芯片和电子器件、为应用于量子计算的芯片、为应用于机器人的芯片、为应用于机械设备的发热部件或电子设备的发热部件。本技术并非以所述发热元件30及其种类、数量、尺寸或规模等为限。
65.所述冷却液20可以但不限于是具有低沸点以及绝缘特性的液体。这里所谓的低沸点例如可介于约40～70度之间或是低于所述发热元件30运作时发热的温度，也就是说，所述冷却液20是适于与发热元件30直接接触并可有效吸收所述发热元件30产生的热量而本身被沸腾气化的物质，但本发明并非以所述冷却液20及其种类与物理特性等为限。所述冷却液20会吸收所述发热元件30产生的热量，本身被沸腾气化，以降低所述发热元件的温度。
66.所述冷凝器40设置于所述第一空腔112中。所述冷凝器40包括多排多列的冷凝管41，所述多排多列的冷凝管41自所述第一侧壁114至所述第三侧壁116布置，以使所述冷凝器40在所述上箱体11的长度方向布满所述第一空腔112，或者，所述多排多列的冷凝管41自所述第二侧壁115至所述第四侧壁117布置，以使所述冷凝器40在所述上箱体11的宽度方向上布满所述第一空腔112，且所述多排多列的冷凝管41自所述上箱体11的底部向上布置，以使所述冷凝器40在所述上箱体11的高度方向布满所述第一空腔112。当所述冷却液20吸收发热元件30发出的热量被气化后，发热元件30本身被冷却，气态的冷却液在密闭的容纳腔101中向上流动至所述冷凝器40并在所述冷凝器40上凝结。冷凝液通过重力落回所述冷却液20中，以此循环达到冷却所述发热元件30的效果。
67.所述两相浸没式冷却装置100还包括风扇61。所述风扇61设置于所述容纳腔中并位于所述冷凝器的上方或下方，所述风扇61用于将所述下箱体中产生的气态的冷却液通过强制对流的方式横向流过所述冷凝器，以强化冷凝传热。所述风扇61可在所述发热元件开始运作的时候启动，在所述发热元件停止运作的时候关闭。
68.所述两相浸没式冷却装置100还包括控制器62、多个温度感测器63、湿度感测器69、多个压力感测器64、液面感测器65、警报器66、冷却液管理系统67、冷凝器控制器42和安全阀门68。所述温度感测器63、所述湿度感测器69和所述压力感测器64设置于所述容纳腔中且分别用于感测所述容纳腔中不同位置的气体、液体温度、气体湿度和气体压力。所述控制器62与所述风扇61、所述温度感测器63、所述湿度感测器69、所述压力感测器64、所述液面感测器65、所述警报器66、所述冷却液管理系统67、所述安全阀门68和所述冷凝器控制器42电连接，并可依据所述温度感测器63所感测到的气体温度、液体温度、气体湿度及所述压力感测器64所感测到的气体压力的至少一者而判断所述容纳腔内是否有气态的冷却液，据以控制所述风扇61的启动与否。当所述温度感测器63所感测到的气体温度高于预设温度或所述湿度感测器69所感测到的气体湿度高于预设湿度或所述压力感测器64所感测到的气体压力高于预设压力时，所述控制器62控制所述风扇61启动。所述控制器62还用于通过所述冷凝器控制器42控制所述冷凝器40中冷却液的流量及进口温度，来控制所述冷凝器40的冷凝能力。所述控制器62还用于控制所述冷却液管理系统67电连接向所述容纳腔中补充冷却液或过滤冷却液。
69.所述安全阀门68设置于所述上箱体11上，并通过安全阀门控制器681与所述控制器62电连接。当所述容纳腔101中的气压高于预设压力时，所述控制器62控制所述安全阀门68打开直至所述容纳腔101中的气压低于预设气压，以控制箱体内在安全的压力下操作。
70.所述液面感测器65设置于所述下箱体12的侧壁上，用于检测所述冷却液20的液面高度。具体的，所述液面感测器65采用连通器原理与位于所述容纳腔101相连通，可通过观察所述液面感测器65的液面高度得知所述容纳腔101中的冷却液20的液面高度。
71.所述控制器62还可依据所述液面感测器65检测到的冷却液20的液面高度控制所述警报器66的启动与否。当所述液面感测器65所检测到的液面高度低于预设高度时，所述控制器62控制所述警报器66发出警报并控制所述冷却液管理系统67向所述容纳腔101中补充冷却液。所述冷却液管理系统67包括溢流堰板、储液池、泵、管道、阀门和过滤器。所述储液池在所述容纳腔101的底部通过溢流堰板与冷却液池分隔而成。所述泵、管道、阀门和过滤器设置在箱体外并与所述容纳腔101相连通。当所述容纳腔101中的冷却液的液面高度低于预设高度，所述控制器62控制所述泵开启并控制所述阀门打开，使冷却液能从所述储液池中泵出，流经过滤器至所述容纳腔101底部的冷却液池中，过量泵入的冷却液流经溢流堰板上端流入到所述储液池中，以保持冷却液液面的恒定。
72.可以理解的是，所述风扇61、所述温度感测器63、所述湿度感测器69、所述压力感测器64、所述液面感测器65、所述警报器66、所述冷却液管理系统67、所述安全阀门68和所述冷凝器40的数量可根据实际需要设置，其数量可为1、2、3、4等。
73.所述两相浸没式冷却装置100还包括第一双面插座71、第二双面插座72。所述第一双面插座71设置于上箱体11的侧壁上。所述第一双面插座71的内插座暴露于所述第一空腔中，用于与设置于所述上箱体11上的所述风扇61、所述温度感测器63、所述湿度感测器69、所述压力感测器64、所述安全阀门68电连接。所述第一双面插座71的外插座暴露于所述上箱体11外，用于与外部电源、所述气体和液体温度、气体湿度感测器的外部连线、所述压力感测器的外部连线、所述安全阀门68的外部连线相连接，使得所述风扇61、感测器、安全阀门通过所述第一双面插座71与所述外部电源、感测器、安全阀门的外部连线实现电连接。所述第二双面插座72设置于所述下箱体12的侧壁上。所述第二双面插座72的内插座暴露于所述第二空腔中，用于与所述发热元件、所述液面感测器、所述气体温度、液体温度、气体湿度感测器电连接。所述第二双面插座72的外插座暴露于所述下箱体12外，用于与所述发热元件的外部连接线、和所述液面感测器的外部连线电连接。所述第二双面插座72的内插座还可与感测器相连接，其外插座还可与感测器的外部连线相连接，以使感测器通过所述第二双面插座72与外部线路实现电连接。所述第一双面插座71和所述第二双面插座72分别密封地连接于所述上箱体11和所述下箱体12上，以密封箱体。
74.所述两相浸没式冷却装置100还包括设置于所述上箱体11上的把手80，方便使用者移动所述上箱体11。
75.所述两相浸没式冷却装置100还包括支撑件90。所述支撑件90设置于所述下箱体12的底面，用于支撑所述下箱体12。所述支撑件90可以但不限于是支撑架，以稳固所述下箱体12；或者是滚轮，以方便移动所述下箱体12。
76.所述两相浸没式冷却装置100还包括设置于所述下箱体12上的液面窗口125。透过所述液面窗口125，可观察所述发热元件30的运行状态或观察所述冷却液20的液面高度。
77.所述两相浸没式冷却装置100还包括设置于所述上箱体11上的抽气阀门50。在对所述发热元件30进行冷却前，即在所述发热元件30开始运作前，利用真空泵通过所述抽气阀门50将所述容纳腔101中的空气或其它不凝气体抽出，以保证所述容纳腔中的高效冷凝传热操作。
78.当使用者预更换、拿取、组装或维修保养所述第二空腔122中的发热元件30时，首先拆掉所述上箱体11和所述下箱体12的连接，然后将所述上箱体11或所述下箱体12移开，即可直接通过所述第二空腔122更换、拿取、组装和保养所述发热元件30。
79.相较现有技术中设有供发热元件穿过的空腔的两相浸没式冷却装置，本技术的两相浸没式冷却装置100的上箱体11中无需预留供所述发热元件30穿过的空腔，使得单位体积的上箱体11中可安装换热面积更大的冷凝器40，以满足具有高热负荷的发热元件的冷却需求和两相浸没式冷却装置小型化的需求。并且上箱体11和下箱体12可拆卸地连接，使得所述发热元件30可直接在所述下箱体12中进行更换、组装、维修和保养。例如，一个体积为1.4米x 0.75米x 0.3米的所述上箱体，若要预留供发热元件穿过的空腔，则所述上箱体11中只能容纳下23平方米传热表面的冷凝器；若不预留供发热元件穿过的空腔，所述冷凝器40可布满所述上箱体11的第一空腔112，则所述上箱体11中能多容纳下65平方米传热表面的冷凝器，是上箱体中预留空腔的冷凝器的传热面积的近似2.83倍。即在相同的上箱体尺寸下，与上箱体中预留供发热元件穿过的空腔的冷凝装置相比，上箱体中布满冷凝器的冷凝装置可多传递近似2.82倍的传热量。也即，若上箱体中预留供发热元件穿过的空腔的冷却装置可冷却100kw发热元件的热量，则上箱体中布满冷凝器后可冷却382kw发热元件的热量。
80.本技术提供的两相浸没式冷却装置100，充分利用了所述上箱体11的中空容积，增加了单位体积中的冷凝器40的换热面积，提高了散热能力，可有效地将所述发热元件30产生的高密度的热量带走，能适应热负荷密度越来越高的发热元件30的冷却需求；且减小了整体尺寸及占地空间，提高了空间利用率，降低了成本，满足了两相浸没式冷却装置小型化的需求。
81.以上所述，仅是本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明任何形式上的限制，虽然本发明已是较佳实施方式揭露如上，并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施方式，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。