CN102138374B - 具有多个模块化信号计算机单元的飞行器信号计算机系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞行器信号计算机系统(10)，包括多个模块化信号计算机单元(12)以及用于冷却所述模块化信号计算机单元(12)的液体冷却设备，其中所述液体冷却设备包括冷却剂管道(16)，所述冷却剂管道(16)可连接到飞行器的中央液体冷却系统，以便以期望的低温向所述液体冷却设备供应液体冷却剂介质，并且所述液体冷却设备的冷却剂管道(16)与所述模块化信号计算机单元(12)进行热表面接触，以便从所述模块化信号计算机单元(12)散热。

Description

具有多个模块化信号计算机单元的飞行器信号计算机系统

技术领域

本发明涉及供飞行器使用且包括多个模块化信号计算机单元的飞行器信号计算机系统。 

背景技术

目前，在飞行器上使用的特别用于控制安全相关功能的信号计算机系统，例如，自动驾驶仪系统或飞行管理系统，用空气来冷却。空气冷却可以要么通过自然对流来执行，要么通过强制通风来执行。在自然对流的情况下，仅仅由于空气的局部密度差而建立冷却空气流，而在强制通风的情况下，使用额外的风扇向待冷却的信号计算机供应由飞行器空调系统提供的冷却空气。与自然对流相比，强制通风使得更多的热量能够从待冷却的信号计算机消散。然而，强制通风所需的这些风扇增加了飞行器的重量，并且产生了必须额外消散的热量。而且，由于这些风扇，额外的机械部件被引入到飞行器中。结果，增加了冷却的故障概率。 

当前使用的空气冷却信号计算机的另一缺点在于，根据冷却标准，这些计算机必须被设计为保证从这些计算机适当地散热。这个冷却标准规定了基于标准化装置外壳容积的最大放热。换句话说，针对信号计算机产生的并将消散到环境中的热量，该冷却标准规定最小装置外壳容积或该装置外壳与周围空气的最小接触表面。因此，对符合该冷却标准的要求限制了构造信号计算机以便更紧凑且更强大的可能性。 

为了冷却电力电子器件，已知使用诸如冷板之类的液体换热器。这些液体换热器在它们的构造方面精确匹配于待冷却的电子设备的几何尺寸，并且尽可能靠近放热的电子设备放置。例如，冷板可以布置在电子设备的间隙以 进行冷却。液体冷却系统比气体或空气冷却系统更适合于去除大量的热量。然而，在冷却系统包括冷板的情况下，必需为每块冷板提供连接到对应的冷却剂回路的两个单独的冷却剂连接。因此，冷板液体冷却系统的组装，尤其是维护非常昂贵。此外，在冷却系统中存在各个冷板的情况下，由于额外需要的冷却剂连接而引起的冷却剂泄漏的可能性增大，结果，电子设备的可用性可能潜在地降低。已知的电力电子器件液体冷却系统的另一缺点在于，目前的冷却剂耦合增大了冷却回路的差压。由于需要提高的泵送能力来通过冷却剂回路传送冷却液，因此这降低了液体冷却的效率。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种强大的、构造紧凑的并被有效冷却的飞行器信号计算机系统。 

该目的通过权利要求1中限定的飞行器信号计算机系统来实现。 

根据本发明的飞行器信号计算机系统包括，多个模块化信号计算机单元以及用于冷却所述模块化信号计算机单元的液体冷却设备。所述液体冷却设备包括冷却剂管道，其可连接到飞行器的中央液体冷却系统，以便以期望的低温向所述液体冷却设备供应液体冷却剂介质。由于所述液体冷却设备的冷却剂管道连接到中央飞行器液体冷却系统，因此液体冷却剂管道不必配备单独的制冷机，而是可以由飞行器的中央液体冷却系统供应冷却能量。通过省却单独的制冷机，可以实现重量的减轻和安装空间的节省。液体冷却设备的冷却剂管道可以直接连接到中央飞行器液体冷却系统的冷却剂回路，以便流过中央飞行器液体冷却系统的冷却剂回路的冷却剂介质可以供应给液体冷却设备的冷却剂管道。为了控制从中央飞行器液体冷却系统的冷却剂回路到液体冷却设备的冷却剂管道供应冷却剂介质，和/或为了控制从液体冷却设备的冷却剂管道到中央飞行器液体冷却系统的冷却剂回路去除冷却剂介质，例如可以提供对应的阀。液体冷却设备的冷却剂管道到中央飞行器液体冷却系统的冷却剂回路的直接耦合，使得能够实现结构特别简单且紧凑、重量轻的冷 却设备。然而，作为这个的替代，也可以想象，仅仅液体冷却设备的冷却剂管道例如经由适合的换热器到中央飞行器液体冷却系统的冷却剂回路的热耦合。例如，当与根据本发明的飞行器信号计算机系统的液体冷却设备中的冷却剂介质相比，不同的冷却剂介质用于中央飞行器液体冷却系统的冷却剂回路时，这种布置将会是适合的。 

液体冷却设备的、液体冷却剂介质流过的冷却剂管道与模块化信号计算机单元进行热表面接触，以便从模块化信号计算机单元中散热。因此，在根据本发明的飞行器信号计算机系统的情况下，液体冷却设备的冷却剂管道用来通过它们的表面向待冷却的多个模块化信号计算机单元供应需要的冷却能量。例如，液体冷却设备的冷却剂管道可以热耦合到待冷却的模块化信号计算机单元的外壳表面或外壳表面部分。因此，在根据本发明的飞行器信号计算机系统的情况下，可以省却分配给独立的模块化信号计算机单元且具有单独的冷却剂连接的冷板或者类似设备。 

与空气冷却相比，根据本发明的飞行器信号计算机系统的液体冷却设备使得能够明显更有效地从模块化信号计算机单元的发热部件散热。因此，根据本发明的飞行器信号计算机系统的模块化信号计算机单元，可以在较低的温度水平下从而在具有比空气冷却单元低得多的故障概率下进行工作。而且，液体冷却设备的高冷却能力使得能够在紧凑的信号计算单元中集成强大的电子部件。根据本发明的飞行器信号计算机系统的另一优点在于，由于省却了被分配给独立的模块化信号计算机单元且具有单独的冷却剂连接的冷却布置的事实，因此液体冷却设备涉及相对低的组装和维护成本。此外，在根据本发明的飞行器信号计算机系统的液体冷却设备的情况下，仅仅存在低风险的泄漏。最后，避免了在常规电力电子器件液体冷却系统中因为冷却剂连接处的压力损失造成的额外热量输入到整个系统中。 

根据本发明的飞行器信号计算机系统的液体冷却设备可以包括液体冷却剂介质流过的仅仅一个冷却剂管道。然而，作为这个的替代，液体冷却设备还可以具有多个冷却剂管道，其各与待冷却的模块化信号计算机单元进行 热表面接触。多个冷却剂管道使得能够特别有效地从待冷却的模块化信号计算机单元散热，但可能潜在地增加整个系统的重量。因此，可能有利的是，将液体冷却系统的冷却剂管道例如集成在用于接纳模块化信号计算机单元的载体中。 

液体冷却设备的、液体冷却剂介质流过的冷却剂管道可以经由适合的换热器，例如，布置在待冷却的模块化信号计算机单元的外壳表面的区域中的表面换热器，与待冷却的模块化信号计算机单元进行热表面接触。然而，作为这个的替代，液体冷却设备的冷却剂管道还可以与待冷却的模块化信号计算机单元进行直接的热表面接触。例如，冷却剂管道可以以冷却轨的形式被配置，该冷却轨沿待冷却的模块化信号计算机单元的外壳的路线布置，并且与外壳进行直接的热表面接触。待冷却的模块化信号计算机单元的外壳还可以在与液体冷却设备的冷却剂管道的接触表面的区域中配备适合形状的开口。然后，优选地，液体冷却设备的冷却剂管道沿这样的路线布置，即使得其在这些开口的区域中延伸从而形成待冷却的模块化信号计算机单元的外壳的一部分。 

期望时，液体冷却设备的冷却剂管道还可以以减轻重量且节省安装空间的方式集成在用于接纳模块化信号计算机单元的载体中。此外，冷却剂管道可以具有适合于改善从待冷却的模块化信号计算机单元到流过冷却剂管道的冷却剂介质的传热。期望或需要时，冷却剂管道可以具有螺旋状配置或者具有以其它方式缠绕或卷绕的形状，其适合于使得能够与待冷却的模块化信号计算机单元进行大面积的表面接触。 

特别地，当液体冷却设备的冷却剂管道以特别减轻重量且节省安装空间的方式，例如冷却轨的形式被配置，并且在冷却剂管道与待冷却的模块化信号计算机单元之间仅仅存在相对小的接触区域时，可能需要采取如下措施：使得可以提高冷却剂管道与待冷却的模块化信号计算机单元之间的接触区域的热流密度，从而提高从待冷却的模块化信号计算机单元到流过液体冷却设备的冷却剂管道的冷却液的传热效率。 

为了这个目的，待冷却的模块化信号计算机单元的放热部件可以例如热耦合到内部热导体，该内部热导体在放热部件与液体冷却设备的冷却剂管道之间建立导热连接。例如，内部热导体的第一端可以热耦合到放热部件，而内部热导体的第二端可以热耦合到待冷却的模块化信号计算机单元的外壳表面的一部分，就其本身而言，该部分与流过液体冷却设备的冷却剂管道的液体冷却剂介质热连接。从放热部件到流过液体冷却设备的冷却剂管道的冷却剂介质的传热通过这种布置得到优化和增强。 

模块化信号计算机单元的放热部件例如可以是印刷电路板。例如，常规的热管可以用作内部热导体。期望或需要时，模块化信号计算机单元的多个放热部件可以借助于对应的内部热导体热耦合到液体冷却设备的冷却剂管道。此外，模块化信号计算机单元的放热部件还可以借助于多个内部热导体热耦合到液体冷却设备的冷却剂管道。 

对于内部热导体到模块化信号计算机单元的放热部件的热耦合，可以在放热部件上提供对应的接口。作为这个的附加或替代，对于内部热导体到流过液体冷却设备的冷却剂管道的冷却剂介质的热耦合，可以在模块化信号计算机单元的外壳的一部分上提供对应的接口，该部分与流过液体冷却设备的冷却剂管道的冷却剂流体进行热表面接触。这个(些)接口可以具有盘状配置，并且由诸如铜或铝之类的作为优良的热导体的材料构成。例如，可以想到，在形成放热部件的印刷电路板的表面上提供由作为优良的热导体的材料制成的盘状接口，并且将该接口热耦合到内部热导体的第一端。类似地，可以在模块化信号计算机的外壳的一部分中集成由作为优良的热导体的材料制成的盘状接口，该部分与流过液体冷却设备的冷却剂管道的冷却液进行热表面接触，该接口可以热耦合到内部热导体的第二端。如上所述，与流过液体冷却设备的冷却剂管道的冷却液进行热表面接触的外壳部分，还可以由液体冷却设备的冷却剂管道的一部分来形成，该部分在外壳开口的区域中延伸。 

换热器表面可以被布置在内部热导体的第一端和/或第二端处。例如，换热器表面可以通过由诸如铜或铝之类的作为良好的热导体的材料构成的内部 热导体的平坦出口来形成。内部热导体的换热器表面，与在模块化信号计算机单元的放热部件或模块化信号计算机单元的外壳部分上提供的接口一起形成接触换热器，其使得能够实现从模块化信号计算机单元的放热部件到内部热导体的优化传热，或者从内部热导体到模块化信号计算机单元的外壳部分从而到流过液体冷却设备的冷却剂管道的冷却液的优化传热。 

模块化信号计算机单元的放热部件可以与冷却剂浴槽进行热接触，就其本身而言，该冷却剂浴槽热耦合到液体冷却设备的冷却剂管道。例如，模块化信号计算机单元的外壳或外壳部分可以被设计成不漏液体，并且可以被提供以容纳冷却剂介质，冷却剂介质例如借助于适合的换热器与模块化信号计算机单元的放热部件进行热接触，以便从放热部件散热。 

作为这个的替代，放热部件还可以部分或完全浸入布置在模块化信号计算机单元的外壳或外壳部分中的冷却剂浴槽中，使得模块化信号计算机单元的放热部件被冷却剂浴槽的冷却剂介质完全或部分包围。 

冷却剂浴槽与液体冷却设备的、液体冷却剂介质流过的冷却剂管道之间的热耦合，可以经由模块化信号计算机单元的外壳的一部分建立，该部分由流过液体冷却设备的冷却剂管道的冷却剂介质来冷却。该外壳部分可以被设计为形成冷凝面，在该冷凝面上，通过模块化信号计算机单元的部件的放热从冷却剂浴槽蒸发的冷却剂介质在热量吸取的作用下进行冷凝。在这种布置的工作过程中，液体冷却剂介质由于从放热部件到冷却剂介质的传热而从冷却剂浴槽蒸发，使得放热部件可以被在冷却剂介质蒸发期间释放的冷却能量特别有效地进行冷却。为了保证这种2态冷却的适当机能，需要使用其蒸发温度位于放热部件的期望冷却温范度范围内的冷却剂介质。从冷却剂浴槽蒸发的冷却剂介质在冷凝表面上被再次变回成聚集的液态，并且无损耗地落回到冷却剂浴槽中。 

模块化信号计算机单元的放热部件可以与基板热接触，该基板由于其毛细管作用被设计成沿该部件的表面传导来自冷却剂浴槽的冷却剂介质。优选地，该基板以这样的方式来形成和布置，即它覆盖放热部件的表面的至少一 部分。通过将基板用作来自冷却剂浴槽的冷却剂介质的“传导介质”，放热部件不再必须大面积浸入或完全浸入在冷却剂浴槽中，以便与来自冷却剂浴槽的冷却剂介质进行适当冷却所需要的大面积接触。来自冷却剂浴槽的冷却剂介质可以以液态流过该基板的毛细管。然而，作为从放热部件传热的结果，当冷却剂介质在流过基板的毛细管过程中蒸发时，可以对放热部件进行特别有效的冷却。对于蒸发的冷却剂介质的冷凝，可以依次提供与流过液体冷却设备的冷却管道的冷却剂介质进行热表面接触的冷凝表面。 

为了保证期望的毛细管作用，该基板可以由多孔材料构成。例如，该基板可以由陶瓷烧结材料、纺织材料或编织材料构成。 

附图说明

下面参照所附示意图详细说明根据本发明的飞行器信号计算机系统，其中： 

图1示出具有多个模块化信号计算机单元和用于冷却模块化信号计算机单元的液体冷却设备的飞行器信号计算机系统； 

图2示出根据图1的模块化信号计算机单元的第一实施例； 

图3示出根据图1的模块化信号计算机单元的第二实施例； 

图4示出根据图1的模块化信号计算机单元的第三实施例。 

具体实施方式

图1示出飞行器信号计算机系统10，其供商业飞行器使用并且包括多个模块化信号计算机单元12。每个模块化信号计算机单元12可以经由插入式触点14连接到飞行器的电子系统，插入式触点14被设计成与在模块化信号计算机单元12的外壳15上形成的补充插入式触点合作。模块化信号计算机单元12通过插入式触点的连接可拆卸地安装于其在飞行器信号计算机系统10的位置中。因此需要时，例如当实施维护工作时，可以将模块化信号计算机单元12再次从其位于飞行器信号计算机系统10中的插入位置去除。 

飞行器信号计算机系统10进一步包括用于冷却模块化信号计算机单元12的液体冷却设备。液体冷却设备具有至少一个冷却剂管道16，其可连接到飞行器的中央液体冷却系统，以便以期望的低温向液体冷却设备提供液体冷却剂介质。因此，液体冷却设备不必配备单独的制冷机，而是可以由飞行器的中央液体冷却系统供应冷却能量。在图1所示的示例性实施例中，示出了以冷却轨的形式配置并且与待冷却的模块化信号计算机单元12进行直接热表面接触的冷却剂管道16的三个示例性布置。液体冷却设备可以包括仅仅一个冷却剂管道16。然而，期望或需要时，也可以存在多个冷却剂管道16。 

图1中示出的冷却剂管道16各具有正方形的横截面。这使得可以增加冷却剂管道16与待冷却的模块化信号计算机单元12的外壳15的表面部分之间的接触面积，从而保证从待冷却的模块化信号计算机单元12到流过冷却剂管道16的冷却液的优化传热。然而，期望或需要时，冷却剂管道16还可以具有任何其它横截面。此外，冷却剂管道16沿待冷却的模块化信号计算机单元12的外壳15的侧壁18、20和/或后壁22延伸，使得它们不妨碍模块化信号计算机单元12的安装和拆卸。 

图2至图4示出模块化信号计算机单元12的三个不同的实施例，其使得能够实现从模块化信号计算机单元12到流过液体冷却设备的冷却剂管道16的冷却液的优化传热。 

在图2中示出的模块化信号计算机单元12的情况下，模块化信号计算机单元12的外壳15被提供在其后壁的具有开口的区域中。液体冷却设备的在图1中示出的冷却剂管道16的一部分26在该开口的区域中延伸，因而形成外壳15的组成部分。在模块化信号计算机单元12的外壳15中，布置有两个部件28、28′，其被配置成安装有电子部件的印刷电路板的形式并且放出热量。 

部件28和28′各热耦合到内部热导体30、30′。为了这个目的，在部件28和28′的每个上提供盘状配置的接口32、32′。接口32、32′各连接到布置在内部热导体30、30′的第一端处的第一换热器表面34、34′。第二换热器表面36、36′被布置在内部热导体30、30′的第二端处。第二换热器表面36、36′各连接到提供在冷却剂管道16的部分26上的盘状配置的接口38、38′。接口32、32′、38、38′、第一换热器表面34、34′和第二换热器表面36、36′各由诸如铝或铜之类的热导材料构成。

内部热导体30、30′包括具有管状配置且由热导材料在其端部密封得不漏液体的热管。形成在这些热管中的是可以例如由铜编织物制造的毛细管结构。这些热管还容纳其蒸发温度位于部件28、28′的期望冷却温度范围内的液体。由于部件28、28′所产生的废热，因此包含在这些热管中的至少一些液体蒸发，并且由这些热管的毛细管结构根据毛细作用原理沿这些热管的热耦合到冷却剂管道16的端部的方向进行传导，在这里，液体再次冷凝并且沿放热部件28、28′的方向流回到这些热管的毛细管结构中。 

在图3中示出的模块化信号计算机单元的情况下，外壳15被设计成不漏液体并且用来容纳冷却剂浴槽(coolant bath)40。待冷却的部件28、28′以这样的方式被布置在外壳15中，即它们被冷却剂浴槽40的惰性的且不导电的冷却剂介质完全覆盖。冷却剂浴槽40的冷却剂介质的蒸发温度位于放热部件28、28′的期望冷却温度范围内。由于放热部件28、28′放出的热量，因此冷却剂介质从冷却剂浴槽40中蒸发。在热能吸取的情况下，蒸发的液体在由液体冷却设备的冷却剂管道16的部分26形成的外壳部分上冷凝，并且在外壳15的后壁22上流回到冷却剂浴槽40中。在这里，通过将来自冷却剂浴槽40的液体定向蒸发(direction evaporation)来实现放热部件28、28′的冷却。 

在图4中描绘的模块化信号计算机单元的情况下，外壳15同样被设计成不漏液体并且容纳冷却剂浴槽40。然而，待冷却的部件28、28′仅仅被冷却剂浴槽40的冷却剂介质部分覆盖。基板42被应用到部件28、28′中每一个的表面。基板42的结构产生毛细管作用。基板42可以例如由烧结材料、纺织材料或金属编织物形成。 

冷却剂介质由于基板42的毛细管作用而从冷却剂浴槽40升起，并且沿 部件28、28′的表面流动。由于部件28、28′放出的热量，因此在该过程中，液体冷却剂介质蒸发并且冷却部件28、28′。最后，在热能吸取的情况下，从冷却剂浴槽40蒸发的冷却剂介质以类似于根据图3的布置的情况的方式在冷却剂管道16的部分26上冷凝，并且在外壳15的后壁22上流回到冷却剂浴槽40中。 

Claims (8)

1.一种飞行器信号计算机系统(10)，具有：

多个模块化信号计算机单元(12)，各布置在外壳(15)中，以及

用于冷却所述模块化信号计算机单元(12)的液体冷却设备，所述液体冷却设备包括冷却剂管道(16)，所述冷却剂管道(16)可连接到飞行器的中央液体冷却系统，以便以期望的低温向所述液体冷却设备供应液体冷却剂介质，并且所述液体冷却设备的冷却剂管道(16)与所述模块化信号计算机单元(12)的外壳(15)的外表面或外表面部分进行热表面接触，以便从所述模块化信号计算机单元(12)散热，

其特征在于，模块化信号计算机单元(12)的放热部件(28、28′)与热耦合到所述液体冷却设备的冷却剂管道(16)的冷却剂浴槽(40)进行热接触，所述模块化信号计算机单元(12)的所述放热部件(28、28′)与基板(42)热接触，所述基板(42)由于其毛细管作用被设计成沿所述部件(28、28′)的表面传导来自所述冷却剂浴槽(40)的冷却剂介质。

2.根据权利要求1所述的飞行器信号计算机系统，

其特征在于，所述液体冷却设备的冷却剂管道(16)与待冷却的所述模块化信号计算机单元(12)的外壳(15)的外表面或外表面部分进行直接热表面接触。

3.根据权利要求1所述的飞行器信号计算机系统，

其特征在于，模块化信号计算机单元(12)的放热部件(28、28′)热耦合到内部热导体(30、30′)，所述内部热导体(30、30′)在所述放热部件(28、28′)与所述液体冷却设备的冷却剂管道(16)之间建立导热连接。

4.根据权利要求3所述的飞行器信号计算机系统，

其特征在于，对于所述内部热导体(30、30′)到所述模块化信号计算机单元(12)的放热部件(28、28′)的热耦合，在所述放热部件(28、28′)上提供对应的接口(32、32′)，和／或在于，对于所述内部热导体(30、30′)到流过所述液体冷却设备的冷却剂管道(16)的冷却剂介质的热耦合，在所述模块化信号计算机单元(12)的外壳(15)的部分(26)上提供对应的接口(38、38′)。

5.根据权利要求3所述的飞行器信号计算机系统，

其特征在于，在所述内部热导体(30、30′)的第一端布置有第一换热器表面(34、34′)，在所述内部热导体(30、30′)的第二端布置有第二换热器表面(36、36′)。

6.根据权利要求1所述的飞行器信号计算机系统，

其特征在于，所述模块化信号计算机单元(12)的所述放热部件(28、28′)被浸入在所述冷却剂浴槽(40)中，以便所述冷却剂浴槽(40)的冷却剂介质将所述放热部件(28、28′)部分或完全包围。

7.根据权利要求1所述的飞行器信号计算机系统，

其特征在于，所述冷却剂浴槽(40)与所述液体冷却设备的冷却剂管道(16)之间的热耦合经由所述模块化信号计算机单元(12)的外壳(15)的部分(26)建立，该部分由流过所述液体冷却设备的冷却剂管道(16)的所述冷却剂介质来冷却，并且被设计为形成冷凝表面，在所述冷凝表面上，通过所述模块化信号计算机单元(12)的所述部件(28、28′)的放热从所述冷却剂浴槽(40)蒸发的冷却剂介质在热量吸取的情况下进行冷凝。

8.根据权利要求1所述的飞行器信号计算机系统，

其特征在于，所述基板(42)由多孔材料制造。