CN110213942A - 一种基于两相传热的一体化液冷机箱及其两相传热方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于两相传热的一体化液冷机箱及其两相传热方法，一体化液冷机箱包括机箱壳体、两相液冷源和插件导冷板，机箱壳体的顶壁和底壁内均具有互相连通的流道，插件导冷板的上下端分别与机箱壳体的顶壁和底壁固定连接，并用于固定电子插件，两相液冷源与机箱壳体固定连接，流道具有通过管道与两相液冷源连通的流道入口和流道出口。两相液冷源与机箱壳体固定连接，不需要依赖外界液冷源。采用两相液冷源，在管路系统内冷却工质发生液态和气态的转换，冷却工质在流道内吸收电子设备的热量，由液态变为气态，换热效率远高于单相流体换热；冷却工质相变为等温过程，使机箱壳体的顶壁和底壁的等温性能优于单相流体换热。

Description

一种基于两相传热的一体化液冷机箱及其两相传热方法

技术领域

本发明涉及一种液冷机箱，特别是一种基于两相传热的一体化液冷机箱及其两相传热方法。

背景技术

现有的液冷机箱包括：机箱壳体、液冷冷板和电子插件，电子插件安装于机箱壳体内，液冷冷板设置于机箱壳体内并与电子插件接触。当机箱工作时，由外界液冷源提供冷却工质，冷却工质流经机箱的液冷冷板带走热量，保证机箱内部电子设备正常工作。现有的液冷机箱完全依赖外界液冷源，无法用于无人机等不具备液冷源的场合。冷却工质流经机箱的液冷冷板带走热量，冷却工质温度升高。传热过程中，冷却工质不发生相变，利用显热吸热，换热效率低，供液流量大，对供液系统要求高。同时，由于热量的累积效应，冷板内的温度均匀性差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提高机箱散热能力。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于两相传热的一体化液冷机箱，包括机箱壳体、两相液冷源和插件导冷板，所述机箱壳体的顶壁和底壁内均具有互相连通的流道，所述插件导冷板的上下端分别与所述机箱壳体的顶壁和底壁固定连接，并用于固定电子插件，所述两相液冷源与所述机箱壳体固定连接，所述流道具有通过管道与所述两相液冷源连通的流道入口和流道出口。

本发明的有益效果是：两相液冷源与机箱壳体固定连接，不需要依赖外界液冷源。采用两相液冷源，在管路系统内冷却工质发生液态和气态的转换，冷却工质在流道内吸收电子设备的热量，由液态变为气态，换热效率远高于单相流体换热；冷却工质相变为等温过程，使机箱壳体的顶壁和底壁的等温性能优于单相流体换热。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述两相液冷源包括液冷源壳体、两相泵、储液器、冷凝器和冷却工质，所述两相泵、所述储液器和所述冷凝器均固定设置于所述液冷源壳体内，所述冷凝器、所述储液器、所述两相泵和所述流道依次通过管道连通形成冷却工质回路，所述冷却工质在所述冷却工质回路内流动，所述液冷源壳体与所述机箱壳体固定连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：冷却工质在流道内吸热汽化，在两相泵的作用下经由管路进入冷凝器，冷却工质降温液化，再进入流道，实现冷却工质的循环，储液器可以储存多余的冷却工质。液冷源未使用压缩机，直接将机箱所处环境作为热沉避免了液冷机箱在机载平台上应用时由于平台姿态变化而导致的压缩机性能下降等问题，同时减小了液冷源的体积和重量。

进一步，还包括抽风机，所述液冷源壳体具有风机孔，所述抽风机固定设置在所述风机孔内，所述抽风机与所述冷凝器对应设置。

采用上述进一步方案的有益效果是：抽风机与冷凝器配合作用，将冷凝器的热量带到液冷源壳体外，采用强迫风冷作为二次换热。

进一步，所述冷却工质为氟化物或二氧化碳。

采用上述进一步方案的有益效果是：本发明选用氟利昂作为冷却工质，泄漏后及时挥发，不会导致电子设备短路。

进一步，所述插件导冷板为一侧敞口的盒体，所述插件导冷板的另一侧内壁上具有凸台，电子插件固定于所述盒体内，所述凸台与所述电子插件上的发热器件抵接。

采用上述进一步方案的有益效果是：插件导冷板可以用于固定电子插件还可以实现热传导，不需要在安装电子插件的基础上再安装其他散热部件，安装结构紧凑。盒体的四个侧边均可以导热，散热快，凸台与发热器件抵接，将发热器件的热量快速传导至机箱壳体。

进一步，所述机箱壳体为由顶板、底板和四个侧板固定连接而成的长方体形壳体结构。

采用上述进一步方案的有益效果是：机箱壳体通过顶板、底板和四个侧板构成，拆装方便，便于生产和维护。

进一步，所述顶板内具有顶板流道，所述底板内具有底板流道，其中一个所述侧板内具有侧板进液流道和侧板回液流道，所述顶板流道的两端和所述底板流道的两端均分别与所述侧板进液流道和所述侧板回液流道连通。

采用上述进一步方案的有益效果是：机箱壳体的顶板、底板和一个侧板内部连通，机箱的三个面均可以降温散热，并且由于内部连通，只需要有一个流道入口和一个流道出口与两相液冷源连通就可以实现冷却工质的循环，不需要设置复杂的外接管路，整体结构紧凑，小巧轻便。插件导冷板与具有流道的顶板和底板连接，直接与具有流道的侧壁接触，热传导效果好，散热快。

进一步，所述两相液冷源固定于所述机箱壳体的下端，所述底板流道具有所述流道入口和所述流道出口。

采用上述进一步方案的有益效果是：两相液冷源的重量大于机箱壳体，且机箱壳体仅为长方体形壳体，内部没有其余支撑结构，两相液冷源设置于机箱壳体的下端，整体结构稳定，不会压坏机箱壳体，不影响设置在机箱壳体侧壁的连接导线或电源线等。

进一步，所述顶板流道和所述底板流道均由多个相互平行且首尾依次连通的直线形管道构成，所述侧板进液流道和所述侧板回液流道均为竖直设置的管道。

采用上述进一步方案的有益效果是：所述顶板流道和所述底板流道的热传导面积大，散热效果好，可以同时为机箱内的多个电子插件散热，所述侧板进液流道和所述侧板回液流道的结构简单，便于加工。

进一步，还包括两个楔形锁紧条，两个所述楔形锁紧条分别与所述插件导冷板的上端和下端固定连接，所述顶板和所述底板的内侧壁均具有安装导轨，所述楔形锁紧条卡接在对应的所述安装导轨内。

采用上述进一步方案的有益效果是：插件导冷板通过两个楔形锁紧条固定在安装导轨内，安装牢固，便于拆装。

本发明还提供一种一体化液冷机箱的两相传热方法，两相泵将液态的冷却工质由冷凝器泵入具有压力的流道，冷却工质在所述流道内吸收热量并由液态变为气液混合的两相状态流出所述流道，两相状态的冷却工质进入冷凝器，冷却工质释放热量，由气液两相混合状态变为液态。

本发明的有益效果在于，该液冷机箱自带液冷源，解决了常规液冷机箱对液冷源的依赖问题。冷却工质在机箱壳体中吸热，由液态变为气液两相状态，利用冷却工质相变潜热将机箱内电子设备的热量带走，换热效率高。在机箱壳体的流道中，冷却工质处于气液两相混合状态，属于等温传热过程，液冷冷板的均温性好。本发明中的液冷源未使用压缩机，避免了液冷机箱在机载平台上应用时由于平台姿态变化而导致的压缩机性能下降等问题，同时减小了液冷源的体积和重量。

附图说明

图1为本发明一种基于两相传热的一体化液冷机箱的外形结构图；

图2为本发明一种基于两相传热的一体化液冷机箱的内部机构图；

图3为本发明一种基于两相传热的一体化液冷机箱的流道示意图；

图4为本发明一种基于两相传热的一体化液冷机箱的插件导冷板的三维结构图；

图5为本发明一种基于两相传热的一体化液冷机箱的插件导冷板内侧的三维结构图；

图6为本发明一种基于两相传热的一体化液冷机箱的热量传递路径；

图7为本发明一种基于两相传热的一体化液冷机箱的两相液冷源的系统组成原理图。

1、机箱壳体，2、两相液冷源，3、电子插件，4、插件导冷板，5、安装导轨，6、顶板，7、底板，8、侧板，9、流道，91、顶板流道，92、底板流道，93、侧板回液流道，94、侧板进液流道，10、加注阀，11、冷却工质回路，12.凸台，13、楔形锁紧条，14、两相泵，15、风机，16、冷凝器，17、储液器，18、压力传感器，19、温度传感器，20、液位传感器。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1-图7所示，一种基于两相传热的一体化液冷机箱，包括机箱壳体1、两相液冷源2和插件导冷板4，所述机箱壳体1的顶壁和底壁内均具有互相连通的流道9，所述插件导冷板4的上下端分别与所述机箱壳体1的顶壁和底壁固定连接，并用于固定电子插件3，所述两相液冷源2与所述机箱壳体1固定连接，所述流道9具有通过管道与所述两相液冷源2连通的流道入口和流道出口。

如图2所示为液冷机箱的内部结构，图2中的液冷机箱仅安装有一个插件导冷板4，所述插件导冷板4也可以为多个，多个插件导冷板4相互平行设置。

作为本实施例的进一步方案，所述两相液冷源2包括液冷源壳体、两相泵14、储液器17、冷凝器16和冷却工质，所述两相泵14、所述储液器17和所述冷凝器16均固定设置于所述液冷源壳体内，所述冷凝器16、所述储液器17、所述两相泵14和所述流道9依次通过管道连通形成冷却工质回路11，所述冷却工质在所述冷却工质回路11内流动，所述液冷源壳体与所述机箱壳体1固定连接。

作为本实施例的进一步方案，还包括抽风机15，所述液冷源壳体具有风机孔，所述抽风机15固定设置在所述风机孔内，所述抽风机15与所述冷凝器16对应设置。

具体的，所述抽风机15与所述冷凝器16相邻安装，抽风机15使空气流动并将冷凝器16的热量吹至液冷源壳体的外部。

作为本实施例的进一步方案，所述冷却工质为氟化物或二氧化碳。

作为本实施例的进一步方案，如图5和图6所示，所述插件导冷板4为一侧敞口的盒体，所述插件导冷板4的另一侧内壁上具有凸台12，所述电子插件3固定于所述盒体内，所述凸台12与电子插件3上的发热器件抵接。所述插件导冷板4的材质可以选用导热性能好的材料，如可以选用铝合金或紫铜。

具体的，所述固定部为螺纹孔，电子插件通过螺钉与插件导冷板4固定连接，或所述固定部为卡接槽，电子插件的边缘卡接在卡接槽内。

具体的，由于电子插件上电子器件的焊接高度不同，为保证所有需要散热的电子器件散热面均能与插件导冷板4连接，在插件导冷板4内侧的对应电子器件位置加工了不同高度的凸台12。所述发热器件指需要散热的电子器件。

具体的，电子插件及插件导冷板4的设计符合Vita48标准。电子插件上发热量大的电子器件的散热面与插件导冷板4内侧的凸台12相连，将电子器件的热量传递至插件导冷板4，在电子器件散热面与插件导冷板4的凸台12之间填充热界面材料。

作为本实施例的进一步方案，所述机箱壳体1为由顶板6、底板7和四个侧板8固定连接而成的长方体形壳体结构。

作为本实施例的进一步方案，所述顶板6内具有顶板流道91，所述底板7内具有底板流道92，其中一个所述侧板8内具有侧板进液流道94和侧板回液流道93，所述顶板流道91的两端和所述底板流道92的两端均分别与所述侧板进液流道94和所述侧板回液流道93连通。

具体的，具有所述侧板进液流道94的侧板8分别与所述顶板6和所述底板7焊接，其余三个所述侧板8与所述顶板6和所述底板7通过螺钉连接。

作为本实施例的进一步方案，所述两相液冷源2固定于所述机箱壳体1的下端，所述底板流道92具有所述流道入口和所述流道出口。

具体的，所述顶板6和所述底板7可以直接采用现有的液冷冷板，或采用具有一定厚度的矩形板，在矩形板内加工通孔形成顶板流道91或底板流道92。如图3所示，所述顶板流道91的两端表示所述顶板流道91的入口和出口，所述底板流道92的两端表示所述顶板流道91的入口和出口，所述顶板流道91的入口和出口均位于顶板6的一侧，所述底板流道92的入口和出口均位于所述底板7的一侧且与所述顶板流道91的入口和出口相对应朝向同一个侧板。顶板流道91、底板流道92、侧板进液流道94和侧板回液流道93连通形成所述流道9。如图3所示，所述底板流道92的入口和出口下端分别对应设有所述流道入口和所述流道出口，所述流道入口和所述流道出口的端部位于底板7的底壁。

作为上述进一步方案的替代方案，所述流道入口与所述底板流道92的一端连通，侧板进液流道94的两端分别与所述底板流道92的另一端和所述顶板流道91的一端连通，侧板回液流道93的两端分别与顶板流道91的另一端和流道出口连通。冷却工质先进入底板流道92，随后沿侧板进液流道94进入顶板流道91，从顶板流道91的另一端流至侧板回液流道93，再从流道出口流出。

作为本实施例的进一步方案，所述顶板流道91和所述底板流道92均由多个相互平行且首尾依次连通的直线形管道构成，所述侧板进液流道94和所述侧板回液流道93均为竖直设置的管道。

优选地，所述侧板进液流道94为侧板8内的竖直通孔或嵌设在侧板8内的管状结构，所述侧板回液流道93为侧板8内的竖直通孔或嵌设在侧板8内的管状结构。所述侧板进液流道94和所述侧板回液流道93用于连通顶板流道91和底板流道92。如图3和图4所示，所述侧板8夹设在顶板6和底板7之间，顶板流道91的出口和入口位于顶板6的底面，底板流道92的出口和入口位于底板7的顶面，底板7的底壁开设有所述流道入口和所述流道出口，所述流道入口与底板流道92的入口对应设置并连通，所述流道出口与底板流道92的出口对应设置并连通。所述两相液冷源2泵出的冷却工质通过流道入口进入底板7，一部分冷却工质由底板流道92的入口进入底板流道92，吸收插件导冷板4传递至底板7的热量，随后从底板流道92的出口流出，经流道出口回到两相液冷源2，另一部分冷却工质沿侧板进液流道94从顶板流道91的入口进入顶板流道91，吸收插件导冷板4传递至顶板6的热量，随后从顶板流道91的出口流出并沿侧板回液流道93经过流道出口流回两相液冷源2。

作为本实施例的进一步方案，还包括两个楔形锁紧条13，两个所述楔形锁紧条13分别与所述插件导冷板4的上端和下端固定连接，所述顶板6和所述底板7的内侧壁均具有安装导轨5，所述楔形锁紧条13卡接在对应的所述安装导轨5内。

具体的，所述楔形锁紧条13为现有技术，安装导轨5为加工在所述顶板6和所述底板7的内侧壁上的截面为矩形的槽体。

具体的，所述安装导轨5用于电子插件的安装、引导和传热。基于传热需求，安装导轨5与所述顶板6和所述底板7为一体结构。如图2、图3和图6所示方向，左侧板用于安装液冷机箱的电连接器。右侧板与所述顶板6和所述底板7焊接在一起。

两相泵14为冷却工质循环提供驱动力，可以泵送气、液两相的冷却工质。抽风机15和冷凝器16配合使用，作为二次散热，将液冷机箱的热量最终排散到外界环境。储液器17用于容纳回路中多余的冷却工质。

如图7所示，还包括加注阀10，所述加注阀10串联在所述流道9与所述冷凝器16之间的管路中。冷却工质回路11内缺少冷却工质时可以通过加注阀10加注冷却工质。

如图7所示，还包括设置于液冷源壳体内的控制器、压力传感器18、温度传感器19和液位传感器20，压力传感器18、温度传感器19和液位传感器20均与控制器电连接。所述压力传感器18为3个，分别设置于所述流道9与所述加注阀10之间的管路上、所述流道9与所述两相泵14之间的管路上和储液器17与两相泵14之间的管路上，压力传感器18用于监测冷却工质回路11内的压力。所述温度传感器19为3个，分别设置于所述流道9与所述两相泵14之间的管路上、冷凝器16的入口处管路上和冷凝器16出口处管路上，所述温度传感器19用于监测环境温度和回路内冷却工质的温度。液位传感器20设置于储液器17上并用于监测储液器17内的液位高度。控制器用于采集压力、温度和液位等信号，并根据信号进行相关控制。如果液位过低，系统提示加注冷却工质。如果冷却工质回路11内压力和温度不在正常范围内，则提示加注冷却工质，或者增加或减少两相泵14的泵出流量。

两相液冷源2与机箱壳体1之间有一个供液口、一个回液口、一个供电接口、一个信号接口。供液口和回液口设置于液冷源壳体的侧壁或顶壁上，流道入口与两相液冷源2连接的管道穿过所述供液口，流道出口与两相液冷源2连接的管道穿过所述回液口。机箱壳体1内的电源通过供电接口为两相液冷源2供电。两相液冷源2通过信号接口向机箱壳体1内的主板提供工作是否正常的信号反馈。

工作时，电子插件上电子器件的热量经由插件导冷板4传递至机箱顶板6和底板7内侧的安装导轨5。两相液冷源2内的两相泵14驱动冷却工质流动，液态的冷却工质进入机箱壳体1，在流道9内吸收热量，发生相变，由液态变为气液混合两相状态流出机箱壳体1。两相混合状态的冷却工质进入冷凝器16，风机15驱动环境空气流经冷凝器16表面吸收热量，冷却工质释放热量，由气液两相混合状态变为液态，完成散热循环。

本发明将液冷源与机箱进行一体化设计，拓展了液冷机箱在无人机平台等没有液冷源场合下的应用。本发明选用氟利昂作为冷却工质，泄漏后及时挥发，不会导致电子设备短路。该液冷机箱，冷却工质在液冷冷板中通过相变吸热带走机箱热量，换热效率高，并且避免使用压缩机，减小了液冷源的体积和重量，并且应用范围更广。在液冷冷板中，冷却工质处于气液两相混合状态，属于等温传热过程，液冷冷板(顶板和底板)的均温性好。

本发明还提供一种一体化液冷机箱的两相传热方法，两相泵14将液态的冷却工质由冷凝器16泵入具有压力的流道9，冷却工质在所述流道9内吸收热量并由液态变为气液混合的两相状态流出所述流道9，两相状态的冷却工质进入冷凝器16，冷却工质释放热量，由气液两相混合状态变为液态。

由于冷却工质在不同压力下具有不同的饱和蒸汽压，流道9内的压力可以根据液冷机箱的不同工作需求进行选择。例如，在选择氟化物为冷却工质时，液冷机箱需要冷却工质在50℃达到饱和蒸汽压，则根据该氟化物的饱和蒸气压力温度表查询对应的压力值，查表得到的压力值即为流道9内的压力值。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于两相传热的一体化液冷机箱，其特征在于，包括机箱壳体(1)、两相液冷源(2)和插件导冷板(4)，所述机箱壳体(1)的顶壁和底壁内均具有互相连通的流道(9)，所述插件导冷板(4)的上下端分别与所述机箱壳体(1)的顶壁和底壁固定连接，并用于固定电子插件(3)，所述两相液冷源(2)与所述机箱壳体(1)固定连接，所述流道(9)具有通过管道与所述两相液冷源(2)连通的流道入口和流道出口。

2.根据权利要求1所述一种基于两相传热的一体化液冷机箱，其特征在于，所述两相液冷源(2)包括液冷源壳体、两相泵(14)、储液器(17)、冷凝器(16)和冷却工质，所述两相泵(14)、所述储液器(17)和所述冷凝器(16)均固定设置于所述液冷源壳体内，所述冷凝器(16)、所述储液器(17)、所述两相泵(14)和所述流道(9)依次通过管道连通形成冷却工质回路(11)，所述冷却工质在所述冷却工质回路(11)内流动，所述液冷源壳体与所述机箱壳体(1)固定连接。

3.根据权利要求2所述一种基于两相传热的一体化液冷机箱，其特征在于，还包括抽风机(15)，所述液冷源壳体具有风机孔，所述抽风机(15)固定设置在所述风机孔内，所述抽风机(15)与所述冷凝器(16)对应设置。

4.根据权利要求2所述一种基于两相传热的一体化液冷机箱，其特征在于，所述冷却工质为氟化物或二氧化碳。

5.根据权利要求1所述一种基于两相传热的一体化液冷机箱，其特征在于，所述插件导冷板(4)为一侧敞口的盒体，所述插件导冷板(4)的另一侧内壁上具有凸台(12)，电子插件(3)固定于所述盒体内，所述凸台(12)与所述电子插件(3)上的发热器件抵接。

6.根据权利要求1所述一种基于两相传热的一体化液冷机箱，其特征在于，所述机箱壳体(1)为由顶板(6)、底板(7)和四个侧板(8)固定连接而成的长方体形壳体结构，所述顶板(6)内具有顶板流道(91)，所述底板(7)内具有底板流道(92)，其中一个所述侧板(8)内具有侧板进液流道(94)和侧板回液流道(93)，所述顶板流道(91)的两端和所述底板流道(92)的两端均分别与所述侧板进液流道(94)和所述侧板回液流道(93)连通。

7.根据权利要求6所述一种基于两相传热的一体化液冷机箱，其特征在于，所述两相液冷源(2)固定于所述机箱壳体(1)的下端，所述底板流道(92)具有所述流道入口和所述流道出口。

8.根据权利要求6所述一种基于两相传热的一体化液冷机箱，其特征在于，所述顶板流道(91)和所述底板流道(92)均由多个相互平行且首尾依次连通的直线形管道构成，所述侧板进液流道(94)和所述侧板回液流道(93)均为竖直设置的管道。

9.根据权利要求6所述一种基于两相传热的一体化液冷机箱，其特征在于，还包括两个楔形锁紧条(13)，两个所述楔形锁紧条(13)分别与所述插件导冷板(4)的上端和下端固定连接，所述顶板(6)和所述底板(7)的内侧壁均具有安装导轨(5)，所述楔形锁紧条(13)卡接在对应的所述安装导轨(5)内。

10.一种一体化液冷机箱的两相传热方法，其特征在于，两相泵(14)将液态的冷却工质由冷凝器(16)泵入具有压力的流道(9)，冷却工质在所述流道(9)内吸收热量并由液态变为气液混合的两相状态流出所述流道(9)，两相状态的冷却工质进入冷凝器(16)，冷却工质释放热量，由气液两相混合状态变为液态。