CN111503950A - 一种基于标准化的通用型高精度二级液冷源 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于标准化的通用型高精度二级液冷源，包括循环工质、控温模块、输送模块、回流模块、换热装置和液冷设备；所述循环工质的流通管路上连通设置有控温模块和输送模块，所述输送模块将控温后的循环工质输送至供液口接口，所述循环工质通过供液口接口进入外部设备，经由外部设备后通过回液口接口流出，所述循环工质通过回液口接口回流至回流模块，所述回流模块与换热装置连通，所述换热装置与控温模块连通，所述液冷设备通过换热装置降温冷却循环工质。本发明可快速实现二级液冷源对外部设备供液温度精度控制的目的。

Description

一种基于标准化的通用型高精度二级液冷源

技术领域

本发明属于航天航空液冷源领域，具体涉及一种基于标准化的通用型高精度二级液冷源。

背景技术

液冷源是一种常用的为采用液冷方式的设备提供一定温度、压力、流量冷却工质的装置，因其冷却效率较高，技术相对简单，得到了广泛的应用，在航天航空配套设备冷却中占有较大的比重，尤其是各试验单元、模块和系统中的热控设备，如机柜、高功率电子器件等设备，均需要冷却工质进行设备冷却。目前，市场上的液冷源主要有三类：(1)激光焊接、材料成型、机械切削加工等用液冷源；(2)DIY市场上冷却PC机CPU和显卡、内存、硬盘用液冷源；(3)电信机架的上架用液冷源。以上产品虽然工作原理类似，但其使用条件、冷却容量、电气控制、机械结构有很大差别，只适用于特定场合，无法通用。

由于航天航空配套设备的特殊性：(1)种类繁多，环境条件、机械结构等因素都会随着设备不同的应用需求而不同，在为这些设备配置液冷源时，机械接口、电气接口、管路接口均需进行重新设计、定制化生产，设计制造周期长、成本高；(2)对接入设备的工质要求苛刻，任何接入航天航空配套设备的工质使用过程中不得改变工质成分，所有与工质接触的原材料都满足相容性要求、洁净度要求。而市场上的液冷源相关指标均难以达到相关要求，因此需要对与接入航天航空配套设备的产品进行严格的管控。为实现液冷源在航天航空配套设备中的大范围推广应用，对通用型液冷源系统进行研制十分迫切。

现有技术中常采用单个液冷源设备进行调节温度，而单个液冷源设备采用单级压缩机启停方式来控制温度精度，这种启停方式一定会影响单级压缩机的寿命，而且单级压缩机制冷的过程中，当温度达到设定值时，单级压缩机频繁启动和停止进行切换，热惯性大，造成冷却工质的温度波动较大，对外部设备产生不良影响。

发明内容

发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于标准化的通用型高精度二级液冷源。

实现本发明的技术方案是：

本发明所述一种基于标准化的通用型高精度二级液冷源，包括循环工质、控温模块、输送模块、回流模块、换热装置和液冷设备；所述循环工质的流通管路上连通设置有控温模块和输送模块，所述输送模块将控温后的循环工质输送至供液口接口，所述循环工质通过供液口接口进入外部设备，经由外部设备后通过回液口接口流出，所述循环工质通过回液口接口回流至回流模块，所述回流模块与换热装置连通，所述换热装置与控温模块连通，所述液冷设备通过换热装置降温冷却循环工质。

优选地，所述换热装置包括两层的换热水箱，液冷设备的冷却工质输送至换热水箱的下层，所述循环工质输送至换热水箱的上层，位于换热水箱下层的冷却工质通过热交换将位于换热水箱上层的循环工质降温冷却，液冷设备通过换热水箱将循环工质降温冷却，通过液冷设备可以设冷却工质的冷却温度，能够更好地调节循环工质的温度，换热水箱的上下两层可以使循环工质和冷却工质相互分离，仅换热水箱上层的循环工质与外部设备，从而实现相容性；液冷设备的冷却工质通过换热水箱带有流经外部设备的循环工质，使得液冷设备达到设定温度，又可实现循环工质不过冷致使循环工质的供液温度无法达到外部设备所需温度。

优选地，所述控温模块包括控温水箱、加热装置和温控器；所述控温水箱安装于循环工质的流通管路上，所述控温水箱上安装有加热装置，所述温控器通过控制加热装置的开闭来调节控温水箱的温度。

优选地，所述温控器与加热装置的连接电路上设有继电器，设置安全开关继电器能够更好地保证加热装置的安全使用。

优选地，所述输送模块包括隔膜泵、第一压力传感器和温度传感器，所述输送模块的流通管路上依次安装有隔膜泵、第一压力传感器和温度传感器，所述隔膜泵与第一压力传感器之间连通设有缓冲罐，所述温度传感器与供液口接口之间设有滤清器，所述温度传感器将测量循环工质的供液温度反馈给温控器，所述温控器根据供液温度控制加热装置的开闭，来调节控温水箱的温度，将缓冲罐设于隔膜泵循环工质流动方向的后方，即将缓冲罐置于隔膜泵出口处，该缓冲罐能够维持循环工质的压力、流量的稳定，消除流通管道的振动，保护隔膜泵下游仪表和设备的；滤清器能够进一步对循环工质进行过滤，以满足外部设备对洁净度的要求。

优选地，所述回流模块包括第二压力传感器和流量计，所述第二压力传感器安装于回流模块的回流管路上，所述第二压力传感器于换热装置之间安装有流量计，流量计用于监视回流模块中循环工质的流量，具有使用简单、读数方便的优点。

优选地，还包括上位机和报警模块，所述上位机与温控器、隔膜泵调速器、第一压力传感器和第二压力传感器之间通过通讯模块通讯，所述上位机根据外部设备所需温度，对温控器设置对应的温度，根据温控器反馈的循环工质的供液温度来监测循环工质的温度，所述上位机通过隔膜泵调速器调控循环工质的流量，所述上位机通过第一压力传感器和第二压力传感器输送的数据信号实时监测循环工质的压力和压差，当循环工质的温度、压力和压差高于上位机设定的预警值时，所述上位机通过报警模块进行报警，并显示相应的故障信息。

优选地，所述报警模块包括扬声器报警和/或指示灯报警，扬声器报警和/或指示灯报警能够从听觉和视觉上引起监管人员的注意，从而快速检查故障信息。

优选地，所述循环工质为乙二醇水溶液。

优选地，所述液冷设备为单个液冷源设备，所述换热装置、控温模块、输送模块和回流模块之间的通过软管流通连接，循环工质的流通通过软管与外部设备连通，软管与循环工质具有很好地相容性。

本发明可针对不同外部设备不同负载要求进行调节外部设备目标温度，当温控器设定温度为外部设备所需温度时，为了使温控器的控温精度达到理想要求，可以通过调整液冷设备的设定温度来实现，即若温控器控温精度超过外部设备的理想值，可以通过重新设定液冷设备的设定温度加以补偿所超出的部分，从而达到外部设备的理想控温精度要求，通过整个设备中温控器和液冷设备的配合使用，实现适应不同外部设备负载的要求。

利用了上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：

(1)本发明中液冷设备通过换热装置与循环工质进行热交换，将循环工质降温冷却，再通过控温模块将循环工质加热至外部设备的所需温度，其控温精度可达±0.2℃，采用串联液冷设备和换热装置可实现控制供液温度精度的目的，从而缩短研制周期、减少生产成本，易于实现标准化、通用化、组合化的生产要求。

(2)本发明中的换热装置采用上下层的换热水箱，循环工质位于换热水箱的上层与外部设备相接触，冷却工质位于换热水箱的下层，循环工质和冷却工质完全相互分离，仅有循环工质与外部设备接触，与循环工质接触的原材料都满足相容性要求，可有效避免传统的铜管连接的液冷设备与铝质材质制成的外部设备之间，由于铜铝混用发生电化学腐蚀对外部设备引入污染物，能够满足外部设备的洁净度和相容性要求。

(3)本发明中的上位机与温控器、隔膜泵调速器、第一压力传感器和第二压力传感器之间通过通讯模块通讯，还设有报警模块，上位机根据外部设备所需温度，对温控器设置对应的温度，根据温控器反馈的循环工质的供液温度来监测循环工质的温度，上位机通过隔膜泵调速器调控循环工质的流量，上位机通过第一压力传感器和第二压力传感器输送的数据信号实时监测循环工质的压力和压差，当循环工质的温度、压力和压差高于上位机设定的预警值时，上位机通过报警模块进行报警，并显示相应的故障信息，本发明的上位机通过通讯模块获取温控器、隔膜泵调速器、第一压力传感器和第二压力传感器的数据信号，通过对获取的数据信号的分析和监控，来智能实时监测循环工质的温度、压力和压差，当发生故障信息时，再通过报警模块进行报警，能够及时排除故障，实时保证设备的运行安全，具有很高的安全可靠性。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1为本发明所述二级液冷源的结构框图；

图2为本发明所述上位机的框图。

图中，1-液冷设备，2-外部设备，3-换热水箱，4-控温水箱，41-加热片，42-继电器，43-温控器，5-隔膜泵，6-缓冲罐，7-第一压力传感器，8-温度传感器，9-滤清器，10-第二压力传感器，11-流量计，12-上位机。

具体实施方式

下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：一种基于标准化的通用型高精度二级液冷源，包括循环工质、控温模块、输送模块、回流模块、换热装置和液冷设备1；循环工质的流通管路上连通设置有控温模块和输送模块，输送模块将控温后的循环工质输送至供液口接口，循环工质通过供液口接口进入外部设备2，经由外部设备2后通过回液口接口流出，循环工质通过回液口接口回流至回流模块，回流模块与换热装置连通，换热装置与控温模块连通，液冷设备1通过换热装置降温冷却循环工质。

本实施例中，循环工质优选采用乙二醇水溶液，如附图1所示，控温模块包括控温水箱4、加热装置和温控器43，输送模块包括隔膜泵5、缓冲罐6、第一压力传感器7、温度传感器8和滤清器9，回流模块包括第二压力传感器10和流量计11，换热装置包括两层的换热水箱；其中温控水箱4、隔膜泵5、缓冲罐6、第一压力传感器7、温度传感器8和滤清器9依次通过软管连通，所述滤清器的尾端设有供液口接口，循环工质通过供液口接口与外部设备2流通，经由外部设备2回流至回液口接口，回液口接口与换热水箱之间依次通过软管连通设有第二压力传感器10和流量计11，换热水箱3通过软管与温控水箱4流通，换热水箱3设置了两层，循环工质经由换热水箱3的上层依次循环流动经过温控水箱4、隔膜泵5、缓冲罐6、第一压力传感器7、温度传感器8、滤清器9、外部设备2、第二压力传感器10、流量计11，最后回流至换热水箱3的上层，再继续循环流通；温控水箱上安装有加热装置，加热装置优选采用加热片41，温控器43与加热片41电连接，温控器43通过控制加热片41的开闭来调节控温水箱4的温度，为了安全防护加热片41，在温控器43和加热片之间的连接电路上设置继电器42，温度传感器8能够实时测量循环工质的供液温度，通过温度传感器8将测量循环工质的供液温度反馈给温控器43，温控器43根据供液温度控制加热片41的开闭，进而来调节控温水箱4的温度；输送模块中将缓冲罐6设于隔膜泵5循环工质流动方向的后方，即将缓冲罐6置于隔膜泵5出口处，用于缓冲隔膜泵脉动，该缓冲罐6维持循环工质的压力、流量的稳定，消除流通管道的振动，保护隔膜泵5下游仪表和设备的，隔膜泵5为外部设备输送循环工质，隔膜泵5优先选用KNF公司NF300 KTDC 24V隔膜泵，其最大输出流量3L/min，吸程3m，扬程10m，该隔膜泵的实际输出流量可通过设置PWM占空比来驱动隔膜泵调速器的方式进行调节，来对循环工质本身的流阻特性进行线性调节，以与循环工质不同工况的热耗相匹配；隔膜泵5可输送腐蚀性液体，与循环工质具有很好的相容性，其流量可调节并维持在所要求的范围内；为了使输送的循环工质能满足洁净度要求，滤清器11优先采用过滤精度为5um过滤器；位于回流模块上的流量计11采用耐腐蚀玻璃浮子流量计，用于监视循环工质的流量，具有性能可靠、使用简单、读数方便的优点。

换热水箱3的材质为2A12铝合金，采用钎焊水冷板式换热结构，分为上下两层，换热水箱的上层用于循环工质循环，循环工质用于输送至外部设备，液冷设备1采用单个液冷源设备，液冷设备的冷却工质为乙二醇水溶液，液冷设备1的冷却工质输送至换热水箱3的下层，循环工质输送至换热水箱3的上层，位于换热水箱3下层的冷却工质通过热交换将位于换热水箱3上层的循环工质降温冷却，液冷设备1通过换热水箱3将循环工质降温冷却，通过将循环工质和冷却工质相互分离，仅换热水箱3的上层循环工质与外部设备相接触，从而实现相容性要求，通过液冷设备1可以设冷却工质的冷却温度，能够更好地调节循环工质的温度，液冷设备的冷却工质通过换热水箱带走流经外部设备的循环工质热度，使得液冷设备达到设定温度，又可实现循环工质不过冷致使循环工质的供液温度无法达到外部设备所需温度；换热水箱3的上下两层可以使循环工质和冷却工质相互分离，仅换热水箱3上层的循环工质与外部设备2相接触，从而实现相容性，由于常规的单个液冷源设备的采用单级压缩机制冷，其中冷却工质的流通管道采用铜管连通，循环工质的连通管道采用软管连接，而外部设备主要材料组成为铝质材料，由于换热水箱将循环工质和冷却工质的热交换完全相互分离，可以有效避免铜铝混用发生电化学腐蚀对外部设备引入污染物。

如附图2所示，本实施例中还包括上位机12和报警模块，上位机12与温控器43、隔膜泵调速器、第一压力传感器7和第二压力传感器10之间通过通讯模块通讯，通讯模块可优先采用RS485通讯模块，上位机的工作过程为：实施例中的设备供电后，首先，打开上位机12，确保温控器2、隔膜泵调速器、第一压力传感器7、第二压力传感器10与上位机之间的RS485通讯正常，其次根据外部设备所需温度给温控器43设置对应的温度，根据循环工质所需流量给隔膜泵调速器设定一定的占空比，此时，隔膜泵5开启，整个装置开始工作，同时由温度传感器8检测循环工质的供液温度，若供液温度小于温控器的设定温度，则加热片41置于制热模式，循环工质的温度上升；当循环工质温度上升到设定温度时，温控器43关闭加热片41，停止对循环工质的加热；上位机12通过第一压力传感器7和第二压力传感器10输送的数据信号实时监测循环工质的压力和压差，当循环工质的温度、压力和压差高于上位机12设定的预警值时，上位机12通过报警模块进行报警，并显示相应的故障信息，报警模块包括扬声器报警和指示灯报警，扬声器报警和指示灯报警能够从听觉和视觉上引起监管人员的注意，从而快速检查故障信息；通过上位机12来实时监测循环工质的温度、压力和压差，实时保障设备的运行安全，上位机12通过温控器43、温度传感器8和加热片41进行控制二级液冷源模块中的冷却循环工质的温度，上位机12也可实时监测循环工质的进出口压力、出口处循环工质的温度，通过上位机12给隔膜泵调速器设置不同的占空比对本设备中循环工质的内部流量进行调节，来对本设备本身的流阻特性进行线性调节，以与本设备不同工况的热耗相匹配。通过上位机设置换热水箱和控温水箱热过载保护、泵水锤现象保护等周密的保护功能，提高整个设备的安全可靠性。

本实施例中运用二级液冷源调控外部设备的目标温度的工作过程为：

步骤一，将本设备中的循环工质与外部设备连通，通过换热水箱将液冷设备的冷却工质与循环工质进行热交换，根据外部设备所需温度T₀，将温控器的温度设定为T₀，液冷设备的设定温度小于二级液冷源模块设定温度，设为T₁，初始设定△T＝T₀-T₁＝3；液冷设备和温控器的初始温度设定好后，液冷设备、温控器和外部设备开始工作，待到液冷设备和温控器的温度达到稳定时，此时，测得液冷设备的温度为T₁，温控器的温度为T₂，由此，可以明确得出温控器温度T₂与外部设备的目标温度T₀的温度误差为T₀-T₂，根据外部设备的目标温度的控温精度要求判断温度误差T₀-T₂是否精度符合要求，进而判断温控器的温度是否达到相应要求；

步骤二，根据步骤一中对比结果，如果温控器的温度没有达到相应要求，则将液冷设备的温度值T₁重新设定为T₃，此时温控器稳定后的温度值为T₄，重复步骤一中的对比方法得出结果，直至第n次，温度误差T₀-T_2n符合外部设备目标温度的控温精度要求，其中第n次调节后，T_2n为温控器稳定后的温度值，T_2n-1为液冷设备调整后的最适温度值；

步骤三，根据步骤二中的调控结果得出液冷设备和温控器合适的温度差值为T₀-T_2n-1，此时，通过液冷设备和温控器的组合调控，实现对外部设备目标温度的调控。

本实施例可针对不同外部设备不同负载要求进行调节外部设备目标温度，当温控器设定温度为外部设备所需温度时，为了使温控器的控温精度达到理想要求，可以通过调整液冷设备的设定温度来实现，即若温控器控温精度超过理想值，可以通过重新设定液冷设备的设定温度加以补偿所超出的部分，从而达到外部设备的理想控温精度要求，通过整个设备中温控器和液冷设备的配合使用，实现适应不同外部设备负载的要求。

本实施例中的二级液冷源可以满足航天航空配套设备要求，通过与液冷设备组合，可快速实现航天航空配套设备对于液冷源洁净度、相容性、精度高的要求，从而缩短研制周期、减少生产成本，易于实现标准化、通用化、组合化。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (10)

1.一种基于标准化的通用型高精度二级液冷源，其特征在于，包括循环工质、控温模块、输送模块、回流模块、换热装置和液冷设备；所述循环工质的流通管路上连通设置有控温模块和输送模块，所述输送模块将控温后的循环工质输送至供液口接口，所述循环工质通过供液口接口进入外部设备，经由外部设备后通过回液口接口流出，所述循环工质通过回液口接口回流至回流模块，所述回流模块与换热装置连通，所述换热装置与控温模块连通，所述液冷设备通过换热装置降温冷却循环工质。

2.根据权利要求1所述的一种基于标准化的通用型高精度二级液冷源，其特征在于，所述换热装置包括两层的换热水箱，液冷设备的冷却工质输送至换热水箱的下层，所述循环工质输送至换热水箱的上层，位于换热水箱下层的冷却工质通过热交换将位于换热水箱上层的循环工质降温冷却。

3.根据权利要求1所述的一种基于标准化的通用型高精度二级液冷源，其特征在于，所述控温模块包括控温水箱、加热装置和温控器；所述控温水箱安装于循环工质的流通管路上，所述控温水箱上安装有加热装置，所述温控器通过控制加热装置的开闭来调节控温水箱的温度。

4.根据权利要求3所述的一种基于标准化的通用型高精度二级液冷源，其特征在于，所述温控器与加热装置的连接电路上设有继电器。

5.根据权利要求3所述的一种基于标准化的通用型高精度二级液冷源，其特征在于，所述输送模块包括隔膜泵、第一压力传感器和温度传感器，所述输送模块的流通管路上依次安装有隔膜泵、第一压力传感器和温度传感器，所述隔膜泵与第一压力传感器之间连通设有缓冲罐，所述温度传感器与供液口接口之间设有滤清器，所述温度传感器将测量循环工质的供液温度反馈给温控器，所述温控器根据供液温度控制加热装置的开闭，来调节控温水箱的温度。

6.根据权利要求5所述的一种基于标准化的通用型高精度二级液冷源，其特征在于，所述回流模块包括第二压力传感器和流量计，所述第二压力传感器安装于回流模块的回流管路上，所述第二压力传感器于换热装置之间安装有流量计。

7.根据权利要求6所述的一种基于标准化的通用型高精度二级液冷源，其特征在于，还包括上位机和报警模块，所述上位机与温控器、隔膜泵调速器、第一压力传感器和第二压力传感器之间通过通讯模块通讯，所述上位机根据外部设备所需温度，对温控器设置对应的温度，根据温控器反馈的循环工质的供液温度来监测循环工质的温度，所述上位机通过隔膜泵调速器调控循环工质的流量，所述上位机通过第一压力传感器和第二压力传感器输送的数据信号实时监测循环工质的压力和压差，当循环工质的温度、压力和压差高于上位机设定的预警值时，所述上位机通过报警模块进行报警，并显示相应的故障信息。

8.根据权利要求7所述的一种基于标准化的通用型高精度二级液冷源，其特征在于，所述报警模块包括扬声器报警和/或指示灯报警。

9.根据权利要求1所述的一种基于标准化的通用型高精度二级液冷源，其特征在于，所述循环工质为乙二醇水溶液。

10.根据权利要求1所述的一种基于标准化的通用型高精度二级液冷源，其特征在于，所述液冷设备为单个液冷源设备，所述换热装置、控温模块、输送模块和回流模块之间的通过软管流通连接。

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