CN105472943B - 供功率电子组件使用的冷却系统及其制造方法 - Google Patents

供功率电子组件使用的冷却系统及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及供功率电子组件使用的冷却系统及其制造方法。提供了一种供包括现场可更换单元(204)的阵列(202)的功率电子组件使用的冷却系统。冷却系统包括与现场可更换单元(204)的阵列(202)流体连通地耦接的第一歧管(210)以及与第一歧管(210)流体连通地耦接的流体供应部(208)。流体供应部(208)配置为朝向第一歧管(210)输送冷却流体使得基本上同时朝向阵列(202)中的现场可更换单元(204)排放冷却流体(208)。

Description

供功率电子组件使用的冷却系统及其制造方法
技术领域
本公开的领域总体涉及功率电子组件，并且更具体地，涉及功率电子组件的冷却系统。
背景技术
至少一些已知电子系统，诸如，航空电子平台中包括的那些电子系统，包括支持诸如现场可更换单元(LRU)的多个电子部件的接口。通常，LRU被定义为能够在接口处迅速并且容易地与更换部件互换的模块化部件。在操作过程中，LRU会产生热量，该热量必须被消散以确保LRU在延长的时间段内继续适当发挥作用。至少一些已知冷却系统利用冷却流体来消散来自LRU的热量。例如，在两相冷却系统中，朝向LRU排放冷却流体并且冷却流体的汽化潜热被用于冷却LRU。在这种系统中，每个LRU一般具有其自身的专用冷却流体供应组件，基于由每个相关联的LRU生成的热负荷选择该专用冷却流体供应组件的设备尺寸和冷却能力。因而，使每个冷却流体供应组件定制为适合每个LRU增大了设备要求，从而增大了整个组件的重量，诸如，航空电子平台的重量。
发明内容
在一个方面中，提供了一种供包括现场可更换单元的阵列的功率电子组件使用的冷却系统。冷却系统包括与现场可更换单元的阵列流体连通地耦接的第一歧管以及与第一歧管流体连通地耦接的流体供应部。流体供应部被配置为朝向第一歧管输送(channel)冷却流体使得基本上同时朝向阵列中的现场可更换单元排放冷却流体。
另一方面，提供了一种功率电子组件。组件包括现场可更换单元的阵列和冷却系统。冷却系统包括与现场可更换单元的阵列流体连通地耦接的第一歧管以及与第一歧管流体连通地耦接的流体供应部。流体供应部被配置为朝向第一歧管输送冷却流体使得基本上同时朝向阵列中的现场可更换单元排放冷却流体。
有利地，功率电子组件进一步包括耦接在所述第一歧管与阵列中的现场可更换单元之间的自密封式连接器使得每个现场可更换单元选择性地可与所述第一歧管分离。优选地，第一歧管配置为以基本上朝向现场可更换单元雾化排放的冷却流体的流速和压力排放冷却流体。有利地，功率电子组件进一步包括在所述第一歧管中限定的多个液流控制节流孔，其中，所述多个液流控制节流孔中至少一个基本上与阵列中每个现场可更换单元对准。优选地，流体供应部包括：储液器，具有在其中存储一定量的冷却流体的大小；以及泵，配置为从所述储液器向所述第一歧管排放冷却流体。有利地，功率电子组件进一步包括与现场可更换单元的阵列流体连通地耦接的第二歧管，其中，所述第二歧管配置为收集朝向现场可更换单元排放的冷却流体。更优选地，功率电子组件进一步包括与所述第二歧管流体连通地耦接的冷凝器，其中，所述冷凝器从所述第二歧管接收蒸发的冷却流体流，并配置为冷凝蒸发的冷却流体。
在又一个方面中，提供了一种制造供包括现场可更换单元的阵列的功率电子组件使用的冷却系统的方法。方法包括使第一歧管与现场可更换单元的阵列流体连通地耦接，并且使流体供应部与第一歧管流体连通地耦接。流体供应部被配置为朝向第一歧管输送冷却流体使得基本上同时朝向阵列中的现场可更换单元排放冷却流体。
有利地，该方法进一步包括使冷凝器(220)与第二歧管(212)流体连通地耦接，其中，冷凝器(220)从第二歧管(212)接收蒸发的冷却流体流，并且被配置为冷凝蒸发的冷却流体并且形成冷凝的冷却流体。优选地，方法进一步包括使冷凝器(220)与流体供应部(208)流体连通地耦接，其中，冷凝器(220)朝向流体供应(208)输送冷凝的冷却流体。更优选地，方法进一步包括将第二歧管(212)与流体供应部(208)流体连通地耦接使得残余的冷却流体朝向流体供应(208)循环流动。
附图说明
图1是示例性飞行器制造和保养方法的流程图。
图2是示例性飞行器的框图。
图3是示例性功率电子组件的示意图。
图4是沿线4-4截取的在图3中示出的供冷却系统使用的示例性歧管的透视示意图。
具体实施方式
在本文中所描述的实施方式涉及用于消散电子部件(诸如，现场可更换单元(LRU))的阵列中的热量的冷却系统。具体地，本文中所描述的实施方式包括LRU的阵列的集中式冷却系统，使得每个LRU均不拥有其自身自包含的冷却系统。冷却系统包括使冷却流体能够基本同时朝向阵列中的每个LRU排放的第一歧管以及收集朝向每个LRU排放的冷却流体的第二歧管。在一个实施方式中，冷却系统是闭环两相冷却系统，使得在第二歧管中收集的蒸发的冷却流体被输送朝向单个冷凝器。冷凝器冷凝蒸发的冷却流体并且用冷凝的冷却流体补充第一歧管中的冷却流体。
将充满热量的汽/液混合物返回到冷凝器，其中，将热量消散到第二液流，从而使得能够利用集中式LRU安装周围的低环境温度。这在车辆中实施冷却系统时是有利的。当与单相和基于空气的冷却系统的泵和风机功率要求相比时，集中式两相系统的第二个好处是降低了系统中泵的的功耗。此外，集中式两相冷却系统具有可靠的冗余系统部件引起的较高的可靠性以及降低的LRU复杂度。因而，集中阵列的冷却系统通过不必单独制定自包含冷却系统中的设备的尺寸而降低了冷却设备要求，从而减轻了所有组件的重量。
参照附图，本公开的实施方式可以在飞行器制造和保养方法100(在图1中示出)的上下文中并经由飞行器102(在图2中示出)来描述。在预生产过程中，可以使用包括飞行器102的规格(specification)和设计104的数据，在制造过程期间，可以获得与机身有关的其他材料106。在生产过程中，在飞行器102进入它的验证和交付过程112之前，进行飞行器102的部件和子组件制造108以及系统集成110。当成功满足和完成机身验证时，飞行器102可以投入使用114。当由用户使用时，飞行器102进行周期的、例行的以及计划的维修和保养116，例如，包括任何改造、重构、和/或整修。在可替换的实施方式中，制造和保养方法100可以通过除了飞行器之外的平台来实施。
与飞行器制造和/或保养100有关的各个部分和过程可以通过系统集成商(systemintegrator)、第三方、和/或运营商(例如用户)执行或者完成。为了该描述的目的，系统集成商可包括但不限于任意数量的飞行器制造商和主系统分包商；第三方可包括但不限于任意数量的承包商、分包商以及供应商；并且运营商可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务机构等。
如图2所示，通过方法100生产的飞行器102可以包括具有多个系统120的机身118并包括内舱122。高级系统120的实例包括推进系统124、电力系统126、液压系统128和/或环境系统130中的一个或多个。任意数量的其他系统可被包括在内。
本文中体现的设备和方法可以在方法100的任何一个或多个阶段过程中采用。例如，与部件和子组件生产过程108对应的部件或子组件可以以与飞行器102投入运行114时生产的部件或子组件类似的方式制备或制造。此外，一个或多个设备实施方式、方法实施方式或其组合可以在生产阶段108和110过程中例如通过基本加快飞行器102的组装和/或降低飞行器组装的成本来进行利用。类似地，一个或多个设备实施方式、方法实施方式或其组合可以在对飞行器102进行保养或维护时进行利用，例如，在计划的维护和保养116过程中进行利用。
如本文中使用的，所述术语“飞行器(aircraft)”可以包括，但不限于仅包括，飞机、无人航空运载工具(UAV)、滑翔机、直升机、和/或任何在空中行驶的其它对象。此外，在可替换的实施方式中，本文中描述的飞行器制造和保养方法可以在任何制造和/或保养操作中使用。
图3是示例性功率电子组件200的示意图。在示例性实施方式中，功率电子组件200包括现场可更换单元(LRU)204的阵列202并且冷却系统206耦接至阵列202。每个LRU204在操作中产生热量，并且冷却系统206促进从阵列202的散热。冷却系统206包括流体供应部208、与流体供应部208流体连通地耦接的第一歧管210以及与流体供应部208流体连通地耦接的第二歧管212。第一歧管210和第二歧管212也与LRU204的阵列202流体连通地耦接。具体地，第一歧管210与阵列202从上游耦接，并且第二歧管212与阵列202从下游耦接。此外，流体供应部208包括在其中存储一定量216的冷却流体的储液器214，并且第一泵218至少部分地浸没在一定量216的冷却流体中。
冷却流体可以是使功率电子组件200起到在本文中所描述的作用的任何冷却流体。例如，在一个实施方式中，冷却流体具有大于大约250℃的温度容限，诸如，氢氟醚类冷却流体(hydrofluoroether-based cooling fluid)。此外，在可替换实施方式中，冷却系统206包括与阵列202从上游耦接的过滤器。例如，过滤器可耦接于冷凝器220与第一歧管210之间。过滤器可以是冷却流体在朝向阵列202排放之前促使去除冷却流体中的杂质的物理过滤器或化学过滤器任一者。
在操作中，流体供应部208朝向第一歧管210输送(channel)冷却流体从而基本上同时朝向阵列202中的每个LRU204排放冷却流体。具体地，第一泵218朝向第一歧管210排放一定量216的冷却流体，第一歧管210朝向阵列202排放冷却流体，并且第二歧管212收集朝向阵列202中每个LRU204排放的冷却流体。在一些实施方式中，第一歧管210包括多个液流控制节流孔(在图3中未示出)，并且以使排放的冷却流体朝向每个LRU204雾化(atomize)的冷却流体的流速和压力来排放冷却流体。至少部分冷却流体在接触LRU204时蒸发，并且冷却流体的汽化的潜热便于从LRU204中提取热量。因而，第二歧管212收集蒸发的冷却流体流并且残余冷却流体流保持液态。残余的液冷却流体流与蒸发的冷却流体分离，朝向流体供应208被回收，并且被加到一定量216的冷却流体。在一些实施方式中，蒸发的冷却流体流以及一部分残余冷却流体经由回流管路222通过闭环系统中的负压力被朝向冷凝器220输送。
冷凝器220可以是使冷却系统起到在本文中所描述的作用的任何热交换器类型的装置。在示例性实施方式中，冷凝器220包括热交换器224以及耦接至热交换器224的冷凝器储液器226。热交换器224包括壳体228、延伸穿过壳体228的热交换器管道230、以及与壳体228流体连通地耦接的风机232。冷凝器储液器226包括一定量234的冷凝的冷却流体，并且第二泵236至少部分地浸没在一定量234中。
在操作中，冷凝器220经由回流管路222从第二歧管212接收蒸发的冷却流体流。回流管路222与热交换器管道230流体连通地耦接使得蒸发的冷却流体流穿过其中被输送。此外，将回流管路222的尺寸被定为减小声速，回流管路222与冷凝蒸气相合适，并且包括绝缘体以减少过多气体凝聚。风机232操作使得冷却气流238穿过壳体228被抽出，这冷却了蒸发的冷却流体流。蒸发的冷却流体流冷凝并且促使形成一定量234的冷凝的冷却流体。第二泵236然后经由供应管路240朝向流体供应部208排放一定量234的冷凝冷却流体。因而，在一些实施方式中，冷凝器220操作为基本上连续地补充储液器214中的冷却流体的量216。
在可替换实施方式中，第一歧管210和第二歧管212、阵列202、以及流体供应部208限定了设备机架(equipment rack)242。在这样的实施方式中，多个设备机架242可与单个冷凝器220并联耦接。因而，多个设备机架242的每个第二歧管212的残余冷却流体的部分和蒸发的冷却流体流被朝向单个冷凝器220输送。冷凝器220然后可选择地经由沿着供应管路240耦接的一系列阀门补充多个设备机架242的各个储液器214中的冷却流体。
图4是沿着线4-4(在图3中示出的)截取的第一歧管210的透视示意图。在示例性实施方式中，在第一歧管210中限定了多个液流控制节流孔244。液流控制节流孔244便于与LRU204的阵列202流体连通地耦接第一歧管210(各自在图3中示出)使得冷却流体可以从第一歧管210朝向LRU204排放。例如，至少一个液流控制节流孔244基本上与每个LRU204对准。此外，基于每个LRU204产生的热负荷制定基本上与相应LRU204对准的每个液流控制节流孔244的尺寸。具体地，液流控制节流孔244的尺寸被定成使得从其中排放的冷却流体的流速是基于基本上与每个液流控制节流孔244对准的LRU204产生的热负荷而选择的。
例如，尺寸较大的液流控制节流孔244基本上与产生更多热量的LRU204对准并且尺寸较小的液流控制节流孔244基本上与产生较少热量的LRU204对准。此外，例如，对于需要3.5千瓦(199.22BTU/分钟)的散热负荷的示例性LRU204，所需冷却剂流速的计算(2260千焦耳/千克的水的特定汽化热)将会是0.0000929立方米/分钟(0.0246加仑/分钟)，针对2.82公斤/平方厘米(40英磅/平方英寸)的第一歧管压力和2.985千帕斯卡(0.433英磅/平方英寸)的压降，据此可以计算出1.32厘米(0.52英寸)的所需示例性节流面积。因而，即使从流体供应部208朝向第一歧管210(在图3中示出的)输送的冷却流体的流速基本上恒定，冷却流体以不同的流速从第一歧管210被排放。
冷却系统206也包括自密封式连接器246，该自密封式连接器246耦接在第一歧管210和第二歧管212与阵列202中的每个LRU204之间使得每个LRU204与第一歧管210和第二歧管212选择性地分离。每个LRU204与第一歧管210和第二歧管212之间的连接被设计为减少渗漏，同时使得能够去除和替换LRU而不会有系统压力损失。应当完成该功能同时确保避免了对泵218的过剩压力损失，并且确保不会阻碍LRU204中的过热蒸汽/液体流量排尽。
参考图4，每个自密封式连接器246包括耦接至第一歧管210的接收部(receptorportion)248以及耦接至每个LRU204的相对侧的插入部250。当LRU204耦接在第一歧管210与第二歧管212之间时，插入部250被收容在接收部248内并且使得冷却流体从第一歧管210排放。当LRU204与第一歧管210和第二歧管212分离时，插入部250经由阀门(未示出)与受体部248和受体部248自密封件分离，例如，使得冷却流体停止从第一歧管210排放。因而，迅速并且容易从阵列202去除LRU204，并且可用替换LRU来更换。
在本文中所描述的系统和方法涉及功率电子组件和从其中散热的系统。具体地，功率电子组件包括在其操作期间产生热量的现场可更换单元(LRU)的阵列。阵列的冷却系统是集中式组件因此每个LRU均不具有其自身的自包含冷却系统。更具体地，在本文中所描述的冷却系统包括使冷却流体基本上同时朝向阵列中的每个LRU排放的第一歧管；收集朝向每个LRU排放的冷却流体的第二歧管；以及朝向第一歧管输送冷却流体的单个泵。根据在第一歧管中限定的液流控制节流孔的尺寸选择朝向每个LRU排放的冷却流体的量。因而，在本文中所描述的系统和方法提供促使冷却设备的配置简单化的集中式冷却系统，并且促使减轻与集中式冷却系统结合的整个系统的重量。
该书面说明使用实例公开了包括最优模式的各种实施方式，并且还使任何本领域技术人员能够实施各种实施方式，包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何所并入的方法。由权利要求限定本公开的可授予专利权范围，并且可授予专利权的范围可包括本领域技术人员想到的其他实例。如果它们具有与权利要求的字面语言不同的结构元件或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实体差异的等同结构元件，那么这种其他实例旨在在权利要求的范围内。

Claims (5)

1.一种供具有功率电子组件(200)的车辆使用的冷却系统(206)，所述功率电子组件包括多个设备机架，所述多个设备机架中的每个设备机架包括现场可更换单元(204)的阵列(202)，所述冷却系统包括：
第一歧管(210)，与每个设备机架的现场可更换单元(204)的阵列(202)流体连通地耦接，所述第一歧管包括至少包含第一液流控制节流孔和第二液流控制节流孔的多个液流控制节流孔；以及
流体供应部(208)，位于每个设备机架内所述现场可更换单元下方，并与所述第一歧管(210)流体连通地耦接，所述流体供应部(208)包括用于以液态形式存储冷却流体的第一储液器和第一泵，并且所述第一泵被配置为从所述第一储液器朝向所述第一歧管(210)输送冷却流体使得第一冷却流体流同时朝向所述阵列(202)中的所述现场可更换单元(204)排放，
所述冷却系统进一步包括所述第一歧管(210)中的多个液流控制节流孔(244)，其中，所述多个液流控制节流孔(244)中较大尺寸的液流控制节流孔与产生较多热量的所述现场可更换单元(204)对准，所述多个液流控制节流孔(244)中较小尺寸的液流控制节流孔与产生较少热量的所述现场可更换单元(204)对准，使得即使从所述流体供应部(208)朝向所述第一歧管(210)输送的冷却流体的流速恒定，所述冷却流体以不同的流速从第一歧管(210)被排放；
以及
第二歧管，与每个设备机架的现场可更换单元的阵列流体连通地耦接，其中，所述第二歧管被配置为收集并分离来自冷却流体的蒸发的冷却流体部分，并且其中，所述第二歧管进一步被配置为将冷却流体的液态部分回收至所述第一储液器。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一歧管(210)被配置为以使朝向所述现场可更换单元(204)排放的所述冷却流体雾化的流速和压力排放所述冷却流体。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，至少部分地基于所述现场可更换单元(204)产生的热负荷来确定所述多个液流控制节流孔(244)的大小。
4.根据权利要求3所述的系统，进一步包括与所述第二歧管(212)流体连通地耦接的冷凝器(220)，其中，所述冷凝器(220)从所述第二歧管(212)接收蒸发的冷却流体流，并且被配置为冷凝蒸发的冷却流体。
5.一种制造供具有功率电子组件的车辆使用的冷却系统的方法，所述功率电子组件包括多个设备机架，所述多个设备机架中的每个设备机架包括现场可更换单元的阵列，所述方法包括：
使第一歧管(210)与每个设备机架的现场可更换单元(204)的阵列(202)流体连通地耦接，所述第一歧管包括至少包含第一液流控制节流孔和第二液流控制节流孔的多个液流控制节流孔；以及
使位于每个设备机架内所述现场可更换单元下方的流体供应部(208)与所述第一歧管(210)流体连通地耦接，所述流体供应部包括用于以液态形式存储冷却流体的第一储液器和第一泵，并且所述第一泵被配置为从所述第一储液器朝向所述第一歧管(210)输送冷却流体使得第一冷却流体流同时朝向所述阵列(202)中的所述现场可更换单元(204)排放，
所述方法进一步包括：在所述第一歧管(210)中设置多个液流控制节流孔(244)，所述多个液流控制节流孔(244)中较大尺寸的液流控制节流孔与产生较多热量的所述现场可更换单元(204)对准，所述多个液流控制节流孔(244)中较小尺寸的液流控制节流孔与产生较少热量的所述现场可更换单元(204)对准，使得即使从所述流体供应部(208)朝向所述第一歧管(210)输送的冷却流体的流速恒定，所述冷却流体以不同的流速从第一歧管(210)被排放；以及
使第二歧管与每个设备机架的现场可更换单元的阵列流体连通地耦接，其中，所述第二歧管被配置为收集并分离来自冷却流体的蒸发的冷却流体部分，并且其中，所述第二歧管进一步被配置为将冷却流体的液态部分回收至所述第一储液器。
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