机载单相浸没式综合循环热管理系统及机载集成综合机架的制作方法

本发明涉及热管理系统技术领域，尤其涉及一种机载单相浸没式综合循环热管理系统及机载集成综合机架。

背景技术

随着微电子技术、高集成度、高组装密度及集成制造工艺的发展，机载任务系统的电子设备热负载不断增加，传统的风冷冷却已不能满足现有机载电子设备的散热需求。液体冷却技术具有散热效率高、重量轻、体积小、低噪、节能、环保等优势，已成为机载综合模块化任务电子系统的主要散热技术。

为了保证机载任务系统电子设备的热可靠性与性能，通常采用液冷机箱、模块化液冷综合机架等结构设计技术。机载液冷循环系统提供一定温度、流量、压力的循环流动冷却液，不断的从热负载中带出热量，经过气液换热器与外界冷空气进行热交换，被冷却的液体再回到系统中不断往复循环。

其中，热负载通过不同流量分配的管路与其连接。液冷冷板是热量收集与换热的重要部件之一。由于冷板属于间接液体散热方式，冷却液与发热器件不直接接触，中间存在接触热阻和传导热阻，导致换热能力较低。随着电子任务系统向高度综合集成度、高热流密度、小型化发展，新型高效液体冷却技术的研制会改变现有机载液冷循环系统设计要求。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是如何在不改变机载液冷循环系统的情况下，解决机载电子任务系统中高集成度、大功率电子器件的散热问题，本发明提供一种机载单相浸没式综合循环热管理系统及机载集成综合机架。

根据本发明实施例的机载单相浸没式综合循环热管理系统，所述综合循环热管理系统集成于机载集成综合机架，用于为机载集成综合机架上的浸没式散热电子模块提供第一冷却液，以对所述浸没式散热电子模块上的电子元件进行降温冷却，所述综合循环热管理系统包括：

第一循环子系统，包括：泵体和循环管路，所述泵体将第一冷却液通过所述循环管路泵至浸没式散热电子模块，以对所述电子元件进行冷却降温；

板式热交换器，所述第一冷却液流经所述板式换热器时，与流经所述板式换热器的第二冷却液进行热量交换；

控制单元，用于控制所述第一循环子系统的运行。

根据本发明实施例的机载单相浸没式综合循环热管理系统，可在不改变传统机载液冷循环系统、模块化综合机架的总体设计架构下，保证机载液冷循环系统中适应新型液体冷却方式的电子设备的散热需求。

根据本发明的一些实施例，所述机载单相浸没式综合循环热管理系统的循环管路包括：

垂直分流管路，所述第一冷却液经所述垂直分流管路被分支为处于不同水平面上的分流，以为处于不同层上的所述浸没式散热电子模块提供所述第一冷却液；

垂直汇流管路，用于对经分流后的所述第一冷却液进行汇流；

在本发明的一些实施例中，所述循环管路还包括：

水平分液器，设于所述机载集成综合机架的承载板上，用于将所述第一冷却液沿水平方向进行分流，以为所述浸没式散热电子模块提供第一冷却液；

水平集液器，设于所述机载集成综合机架的承载板上，用于对将沿水平方向分流后的所述第一冷却液进行汇流。

根据本发明的一些实施例，所述机载单相浸没式综合循环热管理系统的板式热交换器位于所述泵体与浸没式散热电子模块之间，且所述泵体与所述板式换热器之间设有过滤器。

在本发明的一些实施例中，所述循环管路上设有膨胀水箱，所述膨胀水箱设有排气阀，对所述电子元件进行降温冷却后的所述第一冷却液经所述膨胀水箱后再被抽至所述泵体中。

根据本发明的一些实施例，所述循环管路上位于所述浸没式散热电子模块的上游部分和位于浸没式散热电子模块的下游部分均设有温压一体传感器。

在本发明的一些实施例中，所述系统还包括：

显示单元，用于对系统运行状态和故障状态进行预警提示。

根据本发明的一些实施例，所述第一冷却液为氟化液，所述第二冷却液为乙二醇。

根据本发明实施例的机载集成综合机架，所述机载集成综合机架设有浸没式散热电子模块、综合循环热管理系统和第二循环子系统，所述浸没式散热电子模块与所述综合循环热管理系统连通，所述综合循环热管理系统为上述所述的机载单相浸没式综合循环热管理系统，所述第二循环子系统具有冷却液分管，所述第二冷却液经所述冷却液分管流经所述板式换热器。

根据本发明的一些实施例，所述机载集成综合机架具有两层综合承载机架，两层所述综合承载机架均设有所述浸没式散热电子模块，所述综合循环热管理系统连通与所述浸没式散热电子模块连通，以为所述浸没式散热电子模块提供所述第一冷却液。

附图说明

图1为根据本发明实施例的机载集成综合机架的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的机载单相浸没式综合循环热管理系统功能原理示意图；

图3为根据本发明实施例的机载单相浸没式综合循环热管理系统第一视角下的结构示意图；

图4为根据本发明实施例的机载单相浸没式综合循环热管理系统第二视角下的结构示意图；

图5为根据本发明实施例的机载单相浸没式综合循环热管理系统第三视角下的结构示意图。

附图标记：

综合循环热管理系统100；

第一循环子系统110；泵体112；循环管路113；垂直分流管路1130；垂直汇流管路1131；水平分液器1132；水平集液器1133；膨胀水箱114；排气阀115；温压一体传感器116；过滤器117；定位导销119；

第二循环子系统120；冷却液分管122；

板式热交换器130；

控制单元140；

供电接口150；

内循环回液法兰端面161；内循环出液法兰端面162；外循环进液连接器163；外循环出液连接器164；加排液连接器165；

变频器171；电气器件172；把手180；电源开关191；信号指示灯192；

机载集成综合机架1000；

浸没式散热电子模块200；综合承载机架300。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。

相关技术中，地面数据中心服务器使用的浸没式液冷散热装置或机柜，但是该装置无法集成于机载任务电子系统模块化综合机架，无法满足二级快速维修维护、重量轻、尺寸接口标准、与其它电子模块良好适应等设计要求。

现有技术中的上述方案仅适用于地面数据中心使用。目前，国内暂无针对浸没式电子模块散热所需的机载单相浸没式综合循环热管理系统。

本发明的浸没式综合循环热管理系统适应于单相浸没式液体冷却的电子设备的散热需求，与机载液冷循环系统兼容性良好，即插即用，可灵活进入的机电液接口设计。通过基于氟化液的泵驱动传热单元设计、与机载液冷循环系统热交换的板式换热器设计，并将电气控制、传热单元、热交换等多功能综合集成一体，形成标准6U插箱结构型式安装于模块化综合机架中。同时，可与机载模块化综合机架混合集成设计，管路与流量分配相互独立设计。

具体地，相较于现有技术，本发明至少从如下方面进行了改进设计：

1、浸没式综合循环热管理系统设计方法不同。

现有地面数据中心服务器有相变与非相变的浸没式液冷装置或整体浸泡式机柜，无论哪一种技术状态，对应的系统原理、总体设计、部件选型、接口等与机载热管理系统设计差异性较大，无法直接使用。

本发明根据实际浸没式电子模块的散热需求，采用非相变的浸没式液体冷却技术的综合循环热管理系统设计，并设计与机载液冷循环系统、模块化综合机架等兼容的、即插即用机电液接口。

2、机载重量、尺寸及接口约束下，机载浸没式热管理系统总体设计、构型布局及接口形式与地面散热装置差异较大。

在机载有限重量、尺寸条件下，机载浸没式热管理系统应将传热、热交换、电气控制模块等功能模块集成一体设计，以标准尺寸插箱结构型式安装于模块化综合机架内，并与其它标准电子模块承载区域相互兼容，不影响散热功能，再与机载液冷循环系统连接进行热交换。其中，热分配与交换单元应集成一体设计，安装于标准综合机架内，而不是分离设计安装。结构设计应满足综合机架接口尺寸标准。

3、机载液冷循环系统与地面室外制冷装置不同。

地面数据中心服务器散热机柜的室外制冷单元一般为以冷却水为工质的冷却水塔、冷水机、外界风冷换热装置，制冷单元内工质特性与机载液冷循环系统的冷却液特性差异性较大，影响着本发明热管理系统中板式液液换热器的选型设计、材质、布局、结构等设计以及相应接口设计。

如图1所示，根据本发明实施例的机载单相浸没式综合循环热管理系统100，综合循环热管理系统100集成于机载集成综合机架1000，用于为机载集成综合机架1000上的浸没式散热电子模块200提供第一冷却液，以对浸没式散热电子模块200上的电子元件201进行降温冷却。

结合图2所示，综合循环热管理系统100包括：第一循环子系统110、板式热交换器130和控制单元140。

其中，第一循环子系统110是一种基于安全液体的全闭式内循环散热系统，第一循环子系统110包括：泵体112和循环管路113，泵体112将第一冷却液通过循环管路113泵至浸没式散热电子模块200，以对电子元件进行冷却降温。

第一循环子系统110的第一冷却液流经所述板式换热器时，与流经所述板式换热器的第二冷却液进行热量交换，降低第一冷却液温度。

控制单元140用于控制第一循环子系统110的运行。

根据本发明的一些实施例，如图2所示，循环管路113包括：垂直分流管路1130和垂直汇流管路1131。冷却液经垂直分流管路1130被分支为处于不同水平面上的分流，，以为处于不同层上的所述浸没式散热电子模块200提供第一冷却液，垂直汇流管路1131用于对经分流后的冷却液进行汇流。

在本发明的一些实施例中，如图2所示，循环管路113包括：水平分液器1132和水平集液器1133。水平分液器1132和水平集液器1133设于机载集成综合机架1000的承载板，水平分液器1132用于将冷却液沿水平方向进行分流，以为浸没式散热电子模块200提供第一冷却液；水平集液器1133，水平集液器1133用于对将沿水平方向分流后的冷却液进行汇流。

本发明实施例的循环管路113的液体管路、垂直分流管路1130、垂直汇流管路1131、水平分液器1132和水平集液器1133将泵驱动的传热单元与两层浸没式电子模块承载机架连通，实现液体循环流动散热。

根据本发明的一些实施例，如图2所示，板式热交换器130位于泵体112与浸没式散热电子模块200之间，且泵体112与板式换热器130之间设有过滤器117。

需要说明的是，通过将板式热交换器130设于泵体112与浸没式散热电子模块200之间，可以使第一冷却液先进入板式换热器130，而不是直接进入浸没式散热电子模块200，可以保证系统中浸没式散热电子模块200入口压力稳定，并且进口压力在经过板式换热器130后降低到安全范围内，不会对模块造成不良影响，使得系统工作更加安全可靠。

通过在泵体112与板式换热器130之间设置过滤器，可以对从泵体112流出的冷却液进行过滤，避免杂质进入板式换热器130和浸没式散热电子模块200中。

根据本发明的一些实施例，如图2所示，循环管路113上设有膨胀水箱114，膨胀水箱114设有排气阀115，对电子元件进行降温冷却后的冷却液经膨胀水箱114后再被抽至泵体112中。需要说明的是，排气阀115能为系统保持恒压并能吸收系统中冷却介质的体积变化，保证整个系统的正常运行。

在本发明的一些实施例中，结合图1和图2所示，循环管路113上位于浸没式散热电子模块200的上游部分和位于浸没式散热电子模块200的下游部分均设有温压一体传感器116。

通过设置温压一体传感器116，可以对流入和流出浸没式散热电子模块200的冷却液的温度和压力进行实时检测，以便于对冷却液的流量进行对应控制。循环管路113上的泵体112、变频器171、温压一体传感器116等器件通过控制单元140实现对循环管路113状态参数的监测、控制操作、保护与显示。

在本发明的一些实施例中，系统还包括：显示单元，用于对系统运行状态和故障状态进行预警提示。

根据本发明的一些实施例，第一冷却液为氟化液，第二冷却液为乙二醇。

如图1所示，根据本发明实施例的机载集成综合机架1000，综合机架300设有浸没式散热电子模块200、综合循环热管理系统100和第二循环子系统120。浸没式散热电子模块200与综合循环热管理系统100连通，综合循环热管理系统100为上述所述的机载单相浸没式综合循环热管理系统100，第二循环子系统120具有冷却液分管122，第二冷却液经冷却液分管122流经板式换热器130。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，机载集成综合机架1000具有两层综合承载机架300，两层综合承载机架300均设有浸没式散热电子模块200，综合循环热管理系统100连通与浸没式散热电子模块200连通，以为浸没式散热电子模块200提供第一冷却液。

下面参照附图详细描述根据本发明的机载单相浸没式综合循环热管理系统100及机载集成综合机架1000。值得理解的是，下述描述仅是示例性描述，而不应理解为对本发明的具体限制。

本发明在不改变机载液冷循环系统、模块化综合机架的总体设计架构下，设计的浸没式循环热管理系统设计为标准6U尺寸插箱结构型式与接口，与19in标准机柜集成一体。新型浸没式电子散热模块安装于机柜底部两层综合承载机架区域，可与现有机载标准电子模块混合集成设计，具体如图1所示。浸没式综合循环热管理系统100可保证两层综合承载新型液体冷却技术电子模块的正常工作温度需求。

结合图2所示，本发明的浸没式综合循环热管理系统100主要分为两种循环子系统，保证机载液冷循环系统中适应新型液体冷却方式的电子设备的散热需求。一种为基于安全液体氟化液的全闭式内循环散热系统，即上文所述的第一循环子系统110。该系统通过液体管路、垂直分流管路1130、垂直汇流管路1131、水平分液器1132与水平集液器1133将泵驱动的传热单元与两层浸没式散热电子模块200承载机架连通，实现液体循环流动散热。一种为外循环液冷系统，即上文所述的第二循环子系统120，内循环系统氟化液热量通过板式热交换器130与外部机载液冷循环系统中航空冷却液进行热量交换，降低内循环系统冷却液温度。

本发明中浸没式综合热管理系统100采用多功能集成设计思路，将系统中传热单元、热交换单元、电气控制显示单元等功能集成一体化设计，并小型化、模块化集成设计于液冷综合机架300内。

综合热管理系统100为标准6U插箱结构型式，外形尺寸为479mm×265mm×482.6mm，不含液体连接器接头、把手180。重量为40KG。额定冷却容量为8KW，内循环系统额定供液流量为50L/min，供液压力为不大于0.2Mpa。外循环额定流量为30L/min，总功率小于0.5KW。

如图3-图5所示，浸没式综合循环热管理系统100主要组成为泵体112，泵体112可以为主循环屏蔽泵、膨胀水箱114、过滤器117、液液板式热交换器130、温压一体传感器116、电气控制器、变频器171、管路、排气阀115、供电接口150、外循环进液连接器163、外循环出液连接器164、加排液连接器165、内循环回液法兰端面161、内循环出液法兰端面162、把手180、电源开关191、信号指示灯192、控制显示触控屏、定位导销119等组成，总体布局设计如图3所示。

浸没式综合循环热管理系统100主循环屏蔽泵提供一定压力、温度、流速的氟化液依次经主过滤器117、内循环出液连接口供给两层综合承载机架中沉浸式浸没式散热电子模块200，氟化液吸收热量后温度升高，通过内循环回液连接口流经液液板式热交换器130，与外部机载液冷循环系统中乙二醇冷却液进行热交换，降低氟化液的温度，被冷却后的氟化液再次回到系统膨胀水箱114供泵往复循环使用。

膨胀水箱114稳压系统带有自动排气阀115，为系统保持恒压并能吸收系统中冷却介质的体积变化，保证整个系统的正常运行。主循环泵112、变频器171、温压一体传感器116等器件通过工控机与触控屏一体装置实现对内循环系统状态参数的监测、控制操作、保护与显示。电气器件172包括电源模块、断路器与接线端子等，完成系统供电、可靠接地，确保设备运行的稳定和安全。变频器171可调节主循环泵的转速和流量，与电气器件172共同完成对泵的短路、过流、过压和掉相保护等功能。工控机PLC实现对主循环泵控制、循环系统温度与压力监测、传感器采集的模拟量信号，并显示至控制面板触摸屏上。对系统运行状态、各种故障状态预警与提示。包括主循环泵、供液温度高、供液压力高低及相应温压一体传感器116等故障信号。控制面板布局了电源开关191和三种信号指示灯192，分别为运行显示灯、预警显示灯、报警显示灯。

通过系统阻力核算，主循环泵流量为3m³/h(50L/min)，扬程10.5m，功率0.4kw，转速为2820rpm。液液板式换热器散热量为8kW，采用航空65号乙二醇冷却液和氟化液冷却，板片材料为304不锈钢，板换设计设计余量2％。换热面积为1.49m²，进出接口通径为38.1mm。内循环浸没式散热系统内循环主管路113内径为35mm，304不锈钢材料。

整个系统机电液接口采用标准接口设计、与现有综合机架300和机载液冷系统接口之间良好兼容。内循环系统与两侧综合承载机架之间通过端面法兰密封设计，也可管螺纹或自密封接头设计。外循环回路与机载液冷系统接口采用自密封液体连接器，加排液口为自密封液体连接器。电气接口可适应机载供电特性，与综合机架300统一后端出线。

综上所述，本发明首次在机载液冷循环系统与模块化综合机架300中集成一种适应于新型浸没式电子模块的综合循环热管理系统100，并以插箱式标准尺寸结构型式集成于机载模块化综合机架300内，与其它电子模块混合集成与良好兼容。解决了浸没式综合循环热管理系统100的循环传热、热交换及电气控制等功能原理及系统设计、综合集成一体化总体布局、即插即用与可灵活接入的标准机电液接口等技术问题。

通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。