CN215735541U - 机载液冷传热装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种机载液冷传热装置，机载液冷传热装置用于对机载任务系统热负载提供循环冷却液，以对机载任务系统热负载进行降温冷却，机载液冷传热装置包括：水箱，水箱上集成设置有泵体、过滤器、电子控制箱及温压一体传感器，水箱用于汇集存储冷却液；泵体进液口与水箱连通，出液口与过滤器连通；电子控制箱用于控制机载液冷传热装置的运行；温压一体传感器用于对冷却液的压力和温度进行检测。本实用新型采用多功能一体化集成设计理念，提出了一种适应机载电子设备散热需求的小型化轻质高效液冷传热装置，满足重量轻、体积小、功率低等要求。该机载液冷传热装置在相同散热需求和供液温度条件下，综合性能更优。

Description

机载液冷传热装置

技术领域

本实用新型涉及热交换器件技术领域，尤其涉及一种机载液冷传热装置。

背景技术

随着机载任务电子系统的功率密度不断提高，电子设备热负载不断增加，大量的热量需要通过机载冷却循环系统带出机外，保证电子设备正常工作温度要求。目前，机载液冷循环系统作为支撑保障机载任务电子系统的主流发展趋势，通过不断连续的提供一定温度、流量、压力的冷却液从电子设备中带出热量，保证电子设备温度工作在正常允许范围内。带出热量的冷却液经气液换热器与外界冷空气进行热交换，降低冷却液的温度后再流回冷却系统中不断循环使用。

由于现有液冷循环系统通过对主要组成部件采用简单叠加集成设计与分散安装方式计，涉及到的部件多，不同部件之间通过复杂的不同长度的管路连通，流阻损失较大，泄露风险点较多，可靠性低。同时，现有液冷循环系统集成度低，重量与体积较大，无法适应机载平台承载重量轻、安装位置空间尺寸小、及供电需求小等条件要求，更无法与机箱或综合机架进行集成一体设计。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是如何实现机载液冷传热装置的轻量化、集成化设计，本实用新型提出一种机载液冷传热装置。

根据本实用新型实施例的机载液冷传热装置，所述机载液冷传热装置用于对机载任务系统热负载提供循环冷却液，以对机载任务系统热负载进行降温冷却，所述机载液冷传热装置包括：水箱，所述水箱上集成设置有、泵体、过滤器、电子控制箱及温压一体传感器，

所述水箱用于汇集存储冷却液；

所述泵体进液口与所述水箱连通，出液口与所述过滤器连通；

所述电子控制箱用于控制所述机载液冷传热装置的运行；

所述温压一体传感器用于对冷却液的压力和温度进行检测。

根据本实用新型的一些实施例，所述水箱采用活塞式结构，所述水箱内通过活塞隔离出液体腔和气体腔。

在本实用新型的一些实施例中，所述水箱内的冷却液的压力通过所述活塞维持在预设范围内。

根据本实用新型的一些实施例，所述水箱设有外循环供液管路和外循环回液管路，经所述泵体流出的所述冷却液分支为两路，其中一路经所述外循环供液管路流至热交换器，进行热量交换后，经所述外循环回液管路与另一路所述冷却液汇集。

在本实用新型的一些实施例中，所述水箱的端部设有加热器，用于对所述冷却液进行加热。

根据本实用新型的一些实施例，所述加热器为硅胶薄膜式加热器。

在本实用新型的一些实施例中，所述水箱设有加排液自封阀，用于向所述水箱加注所述冷却液，或进行所述水箱内的冷却液的排放。

根据本实用新型的一些实施例，所述水箱设有液位传感器，用于指示所述水箱内所述冷却液的液位。

在本实用新型的一些实施例中，所述水箱的壳体为铝合金材质件。

根据本实用新型实施例的封闭式循环散热系统，包括：

机载任务系统热负载；

机载液冷传热装置，所述机载液冷传热装置为上述所述的机载液冷传热装置，所述机载液冷传热装置与所述机载任务系统热负载连通，用于向所述机载任务系统热负载提供冷却液，以对所述机载任务系统热负载进行降温冷却；

热交换器，与所述机载液冷传热装置连通，用于与所述机载任务系统热负载热交换后的所述冷却液进行降温冷却。

本实用新型提出的机载液冷传热装置及封闭式循环散热系统具有如下优点：

本实用新型采用多功能一体化集成设计理念，提出了一种适应机载电子设备散热需求的小型化轻质高效液冷传热装置，满足重量轻、体积小、功率低等装机要求。

通过对储液、定压膨胀、加排液、排气、低温加热、液位检测、温压信号监测等功能对应的部件进行一体化布局与集成设计于储液/膨胀水箱结构上，并预留快拆接口设计。通过缩短连接管路长度与部件直接连接方式等可靠密封设计，减少流阻损失、重量和空间体积，提高可靠性。同时，采用电动泵一体化小型化设计、薄膜式加热器、温压一体传感器、基于电动球阀的紧凑式旁通管路设计、控制系统综合集成等设计措施，尽可能地减少重量和占用空间，结构更加紧凑。该机载液冷传热装置在相同散热需求和供液温度条件下，综合性能更优。

附图说明

图1为根据本实用新型实施例的机载液冷传热装置的结构示意图；

图2为根据本实用新型实施例的机载液冷传热装置工作原理示意图；

图3为根据本实用新型实施例的机载液冷传热装置的控制系统原理及接口示意图。

附图标记：

液冷传热装置100，

水箱10，加排液自封阀110，加热器120，液位传感器130，排气自封阀140，泵体20，过滤器30，压力传感器310，电子控制箱40，控制显示面板410，温压一体传感器50，外循环供液管路60，外循环供液口610，外循环回液口620，热负载供液管路70，热负载供液口710，热负载回液口720，电动球阀80，旁通管路90。

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型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，对本实用新型进行详细说明如后。

相关技术中，机载液冷循环系统主要组成部件采用简单叠加集成设计与分散安装方式，涉及到的部件多，集成度较低，结构不紧凑，不同部件之间通过复杂的不同长度的管路连通，流阻损失较大，可靠性低，同时，重量、体积与安装占用空间较大。单位换热量和同等供液温差条件下，综合性能较低。无法满足机载重量轻、空间体积小、功率低等要求。

本实用新型提出了一种机载液冷传热单元采用多功能集成一体化设计理念，研制一种集成了储液、定压膨胀、低温加热、加排液、排气、液位检测等功能于一体的储液/膨胀水箱10，留有多功能部件的快拆接口。储液/膨胀水箱10加排液口与排气口采用快速接头连接，便于维护。通过缩短不必要长度的液体连接管路与部件直接可靠密封连接设计，减少阻力、重量和空间体积，提高可靠性。将泵体20、快拆式过滤器30、温压一体传感器50、旁通管路90、电气控制模块等主要部件以多功能储液/膨胀水箱10为基体进行一体化集成布局，结构紧凑，极大地节约空间和减轻重量。同时，对整个系统所有控制模块进行综合集成设计，以独立机箱结构型式集成在储液/膨胀水箱10结构上。

以单片机作为控制器对所有电气、机电等器件单元实时监测与控制、显示。储液/膨胀水箱10一端底部集成设计硅胶薄膜式电加热片，具有重量轻、占用空间小等特点。在供回流量分配管路之间设计一个结构紧凑集成的电动球阀80旁通管路90，在热负载供液口710和热负载回液口720处设置温压一体传感器50，可根据任务系统温度控制要求及系统内部液体温度、压力等信号实时调整旁通管路90的流量比例。

具体地，如图1所示，相较于现有技术，本实用新型至少从如下方面进行了改进设计：

1、多功能一体化结构布局与集成设计方法。

针对现有机载液冷循环系统组成设备多，采用简单叠加组合与分散安装设计方式，连接管路复杂，集成度较低，重量较大，占用空间多，无法满足机载使用环境下对重量轻、体积小的设计要求的问题。

本实用新型提出的液冷传热装置100采用多功能集成一体化设计的思路，一方面，所有功能设备以储液/膨胀水箱10为基体进行多部件的结构与功能一体化布局设计。将储液、稳压、体积膨胀补偿、过滤、液位检测预警、温度压力监测、低温加热、加排液、排气等组件进行多功能一体集成设计，结构紧凑，缩短与省去复杂的连接管路，极大地减轻重量与空间尺寸，并采用快速易装卸接口形式，便于维护，提高可靠性。

由此，通过将多个功能设备集成于一个设备，采用平面法兰接口连接型式，减少部件数量、连接管路与联轴器，减少占用空间和重量。

2、关键部件小型化选型及集成设计。

本实用新型的液冷传热装置100中关键部件采用小型化与一体化集成设计思路，如泵体20采用小型一体化电动液冷泵、可同时检测温度与压力信号的温压一体传感器50、薄膜式轻型化电加热器120、液位传感器130与过滤器30集成式设计等部件选型设计，最后采用一体化布局，使得结构紧凑、集成度较高。相同散热需求下，本实用新型的液冷传热装置100供液压力高，体积与重量轻，能效比高，可靠性较高。

3、液冷传热装置100功能部件所有控制模块进行综合集成设计。

本实用新型通过对所有机电控制器、电气与电子控制器等模块进行综合集成设计，以电子控制箱40结构型式存在，固定在膨胀水箱10上，后期可进行与其它承载结构进行模块化集成设计。控制系统中基于单片机设计的控制器可实现对各传感器信号采集与处理、电源输入输出、电机液冷泵驱动、电加热工作、电动球阀80开闭、与上位机通讯、数据储存处理等进行统一的实时监测与控制。

4、基于温压信号实时流量比例控制的旁通管路90设计。

本实用新型在外循环供液管路60与热负载供热管路70之间有限空间尺寸内集成设计一个结构紧凑的电动球阀80旁通管路90，在热负载供液口710设计温压一体传感器50。该旁通管路90可根据任务系统温度控制要求及系统内部液体温度、压力等信号，可实现实时调整流量比例。

根据本实用新型实施例的机载液冷传热装置100，可用于对机载任务系统热负载提供循环冷却液，以对机载任务系统热负载进行降温冷却，如图1所示，机载液冷传热装置100包括：水箱10，泵体20，过滤器30，电子控制箱40及温压一体传感器50。

其中，水箱10可以为储液/膨胀水箱10，用于汇集存储冷却液。泵体20、过滤器30、电子控制箱40及温压一体传感器50均集成设置设于水箱10上，泵体20进液口与水箱10连通，以将水箱10内的冷却液泵出，泵体20的出液口与过滤器30连通，以对泵出的冷却液进行过滤。

电子控制箱40用于控制机载液冷传热装置100的运行，温压一体传感器50用于对冷却液的压力和温度进行检测。

根据本实用新型的一些实施例，水箱10采用活塞式结构，水箱10内通过活塞隔离出液体腔和气体腔。其中，水箱10内的冷却液的压力通过活塞维持在预设范围内。机载液冷传热装置100正常工作时，储液/膨胀水箱10内液体压力可始终保持系统内部恒定。高温状态，冷却液开始膨胀，压缩活塞组件进行体积补偿。低温状态，冷却液开始收缩，活塞组件在自身弹性作用下开始膨胀，压缩系统液体容量，同时活塞可能在增压压力作用下进一步压缩冷却液，防止系统出现空腔。

根据本实用新型的一些实施例，如图1和图2所示，水箱10设有外循环供液管路60和外循环回液管路，经泵体20流出的冷却液分支为两路，其中一路经外循环供液口610流至热交换器，进行热量交换后，经外循环回液口620与另一路冷却液汇集。由此，可以通过热交换器对冷却液进行降温冷却。

在本实用新型的一些实施例中，如图1所示，水箱10的端部设有加热器120，用于对冷却液进行加热。其中，加热器120为硅胶薄膜式加热器120。加热器120可以用于低温状态下通过传热加热方式给冷却液加热，以满足系统低温液体启动温度要求。

在本实用新型的一些实施例中，如图1所示，水箱10设有加排液自封阀110，用于向水箱10加注冷却液，或进行水箱10内的冷却液的排放。也就是说，可以通过加排液自封阀110想水箱10加注冷却液，也可以通过加排液自封阀110将水箱10内的冷却液排放。

根据本实用新型的一些实施例，如图1所示，水箱10设有液位传感器130，用于指示水箱10内冷却液的液位。由此，可在机载液冷传热装置100工作状态下实时监控水箱10内冷却液变化。液位传感器130可以为拉绳位移传感器工作原理，储液/膨胀水箱10内液位变化会发生活塞行程变化，对应位移传感器也会随之变化，从而实现实时监控储液/膨胀水箱10内液位状态和低位预警提示。

在本实用新型的一些实施例中，水箱10的壳体为铝合金材质件。需要说明的是，水箱10的壳体采用铝合金材质件，既可以保证水箱10的结构强度，而且，可以降低机载液冷传热装置100的整体重量。

如图2所示，根据本实用新型实施例的封闭式循环散热系统，包括：机载任务系统热负载、机载液冷传热装置100和热交换器。

其中，机载液冷传热装置100为上述所述的机载液冷传热装置100，机载液冷传热装置100与机载任务系统热负载连通，用于向机载任务系统热负载提供冷却液，以对机载任务系统热负载进行降温冷却。

热交换器与机载液冷传热装置100连通，用于与机载任务系统热负载热交换后的冷却液进行降温冷却。

下面参照附图详细描述根据本实用新型的机载液冷传热装置100及封闭式循环散热系统。值得理解的是，下述描述仅是示例性描述，而不应理解为对本实用新型的具体限制。

本实用新型中提出的机载液冷传热装置100采用多功能一体化集成设计思路，所有功能部件以储液/膨胀水箱10为基体进行结构与功能一体化布局设计，总体结构设计如图1所示。

机载液冷传热装置100主要由电动离心泵(泵体20)、储液/膨胀水箱10、过滤器30、电子控制箱40、液位传感器130、温压一体传感器50、压力传感器310、薄膜式电加热器120、加排液自封阀110、排气自封阀140、外循环供液管路60、热负载供液管路、电动球阀80、旁通管路90等部件组成，各部件通过端面联通，可靠密封。

结合图2所示，机载液冷传热装置100与外循环系统热交换器、电子设备热负载端连通，形成冷却液循环回路，为机载设备散热提供连续不断的冷却液。

本实用新型中，储液/膨胀水箱10采用活塞式结构特点，依靠活塞隔离液体腔和气体腔，通过气体的压缩与膨胀和弹簧弹力实现体积补偿与自增压。

机载液冷传热装置100主要围绕上述储液/膨胀水箱10结构进行一体化集成设计。所有部件均集成在储液/膨胀水箱10上，减小产品重量与体积，使产品结构更加紧凑。

储液/膨胀水箱10结构壳体采用轻型铝合金材料，集成了液冷传热单元其余功能部件，包括电动离心泵、温压一体传感器50、液位传感器130、加热组件、加排液自封阀110、过滤器30等，并预留设计快速接头连接安装接口。通过缩短液体连接管路，采用直接可靠密封连接设计，减少连接部件，减少压力损失，极大地节约空间和减轻重量。

储液/膨胀水箱10一端集成设计了液位传感器130，可实现工作状态下实时监控水箱10内冷却液变化。

根据水箱10内液位状态，通过加排液自封阀110实现对储液/膨胀水箱10冷却液的加注、排液作用。同时，通过排气自封阀140实现单元内气体排放。

储液/膨胀水箱10另一端底部设置硅胶薄膜式电加热器120，用于低温状态下通过传热加热方式给冷却液加热，实现系统低温液体启动温度要求。相比于电加热电阻、电加热棒等方式，该方式具有重量轻，占用空间小，与储液/膨胀水箱10底部集成一体设计，满足相应功率、使用温度范围宽、耐高温、耐电压、绝缘性与阻燃特性要求。

泵体20选用电动离心泵作为系统供液动力部件，采用一体化屏蔽式结构，选用直流无刷电动驱动的高速屏蔽式离心泵，给整个系统提供不小于2.6bar的供液压力、不小于22L/min流量，输入DC28V 350W供电功率。同时，该电机与泵一体化设计，重量轻、体积小。相应配置的控制器独立集成设计在电子控制箱40中，电子控制箱40设有控制显示面板410。该液冷泵采用不锈钢304以上材质制造，适用于乙二醇、防冻液等冷却剂腐蚀性要求。定制接口设计，泵入口与储液/膨胀水箱10采用端面法兰密封设计，出口与外循环供液管路60之间采用螺纹与端面O型圈密封设计。

过滤器30选用过滤精度为40μm，对回到储液/膨胀水箱10内的冷却液进行杂质过滤，防止大颗粒与污染物，同时，便于拆卸清洗与更换。过滤器30上方安装有压力传感器310，可与泵出口位置的温压一体传感器50之间形成压力差值可实时获取过滤器30是否堵塞情况。

机载任务系统热负载供液管路上供液口安装温压一体传感器50及储液/膨胀水箱10泵出口位置设置温压一体传感器50，可实时监测系统中冷却液的压力和温度状态变化。

如图2所示，外循环供液管路60将一路泵出口输出的冷却液流量分支为两路，一路输入外循环热交换器及制冷系统，一路通过启动电动球阀80对冷却液的旁通管路90流量分配，从而实现系统温度控制要求对供液流量与压力的实时调配。同时，可方便不带外循环系统、热负载时的自身或地面调试。

热负载供液管路将两路冷却液汇集成一路后输出至热负载端。一路为正常工作状态下对外循环回路的冷却液流量，一路是低温状态及系统工作温度控制需求的旁通管路90冷却液流量。

所有连接液体接口处采用端面法兰密封、带活套螺母的管螺纹与O型密封圈端面可靠密封设计。

该传热单元所有的电气、电源、控制、驱动、信号采集、计算、通讯、数据存储等功能器件皆集成设计在独立安装的电子控制机箱内。

机载液冷传热装置100与任务系统热负载、外循环系统换热器联通整体组成为一个闭式循环散热系统，工作原理如图2所示。储液/膨胀水箱10的冷却液经液冷循环电动离心泵驱动输送给外循环制冷系统或气液换热器中进行热交换，被冷却后的冷却液依次经过外循环回液管路、温压一体传感器50、热负载供液管路进入任务系统热负载内进行热交换带出电子设备热量，以满足电子设备正常工作温度要求。最终，带出热量的冷却液经热负载回液管路、过滤器30再次流回储液/膨胀水箱10内循环使用。

当冷却液温度低于系统热管理控温要求时，通过采集的温度信号控制电加热器120加热，使得系统内冷却液温度提高达到目标值。同时，开启电动球阀80旁通管路90，起到调节流量或使得冷却液不再经过制冷系统或气液换热器。

为了满足热负载散热需求及通过系统阻力核算，液冷传热装置100应提供的动力泵流量为22L/min，扬程28m，功率0.3kw。泵出口管路组件与供液管路组件内径为14mm。

机载液冷传热装置100的所有硬件综合集成设计在一个电子控制箱40中。系统中主要以控制器为核心，配置相应的电气器件、开关按钮及控制面板，完成对功能部件的正常运行控制、状态监控、故障保护与告警等。控制系统可周期性采集供液口温度、供液口压力、回液口压力、过滤器30出口压力、液位传感器130、泵电流、电动阀开度反馈等模拟量信号，并实时监控与显示当前的工作状态、温度、流量和压力等参数。同时，实现基于仪器、仪表的故障诊断、报警、保护执行功能。

液冷传热装置100控制系统通过RS485将数据上传给上位机或接收上位机下达指令信号控制系统工作，控制电机离心泵启停、工作模式、流量、温度、压力等参数设定与工作模式选择。

控制显示面板410上设计了电源开关和三种信号指示灯，分别为运行显示灯、预警显示灯、地面调试指示灯，如流量不足、超压、低压、超温、低温、低位液位等故障信号。

控制系统中电气器件包括电源转换模块、固态继电器与接线端子等，完成系统供电、可靠接地，确保设备运行的稳定和安全。

机载液冷传热装置100的控制系统设置了四类电气控制接口，分别为供电接口、数据采集接口、驱动接口、通信接口。供电接口为控制器的电源输入，通信接口为控制器对外信号通讯接口，数据采集接口为控制器对内部元器件信号采集接口，驱动接口为控制器对内部元器件电源驱动接口，具体如图3所示。

综上所述，本实用新型采用多功能一体化集成设计理念，研制一种适应机载电子设备散热需求的小型化轻质高效液冷传热装置100，满足重量轻、体积小、功率低等装机要求。

通过对储液、定压膨胀、加排液、排气、低温加热、液位检测、温压信号监测等功能对应的部件进行一体化布局与集成设计于储液/膨胀水箱10结构上，并预留快拆接口设计。通过缩短连接管路长度与部件直接连接方式等可靠密封设计，减少流阻损失、重量和空间体积，提高可靠性。同时，采用电动泵一体化小型化设计、薄膜式加热器120、温压一体传感器50、基于电动球阀80的紧凑式旁通管路90设计、控制系统综合集成等设计措施，尽可能地减少重量和占用空间，结构更加紧凑。该机载液冷传热装置100在相同散热需求和供液温度条件下，综合性能更优。

通过具体实施方式的说明，应当可对本实用新型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，并非用来对本实用新型加以限制。

Claims (9)

1.一种机载液冷传热装置，其特征在于，所述机载液冷传热装置用于对机载任务系统热负载提供循环冷却液，以对机载任务系统热负载进行降温冷却，所述机载液冷传热装置包括：水箱，所述水箱上集成设置有、泵体、过滤器、电子控制箱及温压一体传感器，

所述水箱用于汇集存储冷却液；

所述泵体进液口与所述水箱连通，出液口与所述过滤器连通；

所述电子控制箱用于控制所述机载液冷传热装置的运行；

所述温压一体传感器用于对冷却液的压力和温度进行检测。

2.根据权利要求1所述的机载液冷传热装置，其特征在于，所述水箱采用活塞式结构，所述水箱内通过活塞隔离出液体腔和气体腔。

3.根据权利要求2所述的机载液冷传热装置，其特征在于，所述水箱内的冷却液的压力通过所述活塞维持在预设范围内。

4.根据权利要求1所述的机载液冷传热装置，其特征在于，所述水箱设有外循环供液管路和外循环回液管路，经所述泵体流出的所述冷却液分支为两路，其中一路经所述外循环供液管路流至热交换器，进行热量交换后，经所述外循环回液管路与另一路所述冷却液汇集。

5.根据权利要求1所述的机载液冷传热装置，其特征在于，所述水箱的端部设有加热器，用于对所述冷却液进行加热。

6.根据权利要求5所述的机载液冷传热装置，其特征在于，所述加热器为硅胶薄膜式加热器。

7.根据权利要求1所述的机载液冷传热装置，其特征在于，所述水箱设有加排液自封阀，用于向所述水箱加注所述冷却液，或进行所述水箱内的冷却液的排放。

8.根据权利要求1所述的机载液冷传热装置，其特征在于，所述水箱设有液位传感器，用于指示所述水箱内所述冷却液的液位。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的机载液冷传热装置，其特征在于，所述水箱的壳体为铝合金材质件。

Images