一種兩相流冷卻系統用干度控制裝置及控制方法

一種兩相流冷卻系統用干度控制裝置及控制方法
【專利摘要】本發明公開一種兩相流冷卻系統用干度控制裝置及控制方法，涉及電子設備冷卻技術領域。為解決現有技術兩相流冷卻系統中因工質的干度不可控而不能達到最優的冷卻效果的問題而發明。本發明的兩相流冷卻系統用干度控制裝置包括連接于冷卻回路中、且位于工質泵與蒸發器之間的加熱裝置，加熱裝置連接有功率檢測單元，加熱裝置包括進液管和出液管，進液管內設有第一壓力檢測單元和溫度檢測單元，出液管內設有第二壓力檢測單元，冷卻回路中設有質量流量檢測單元，還包括控制單元。本發明兩相流冷卻系統用干度控制裝置及控制方法可用于增大兩相流冷卻系統的冷卻效果。
【專利說明】
一種兩相流冷卻系統用干度控制裝置及控制方法
技術領域
[0001] 本發明涉及電子設備冷卻技術領域，尤其涉及一種兩相流冷卻系統用干度控制裝 置及控制方法。
【背景技術】
[0002] 隨著電子技術的快速發展，電子設備的功率越來越高的同時，體積越來越小，由此 不可避免的增大了設備的發熱量，而隨著溫度的增加，電子設備的失效率呈指數增長。現階 段的一種解決方法為采用兩相流冷卻系統冷卻電子設備的溫度。
[0003] 兩相流冷卻系統包括由工質栗、蒸發器以及冷凝器組成的工質循環回路，蒸發器 與電子發熱元件貼近設置，蒸發器內的工質受熱產生相變，以帶走大量的熱量，由此降低電 子發熱元件表面的溫度。
[0004] 現有實驗已驗證，在冷卻回路中工質的質量流量一定的前提下，工質的換熱系數k 隨著自身干度X的變化關系如圖1所示，由圖1可知，在一定范圍內，隨著工質的干度X的增 大，換熱系數k也增大，單位時間內能夠吸收的熱量也增大，但是當干度X達到0.9時，開始急 劇衰減，當干度X處于〇. 5~0.8范圍內時，換熱系數k較高，蒸發換熱時能夠吸收的熱量較 大。
[0005] 然而，現有技術中一般直接采用液相的工質與電子發熱元件接觸換熱，液相工質 的干度較小，換熱系數較低，不能有效冷卻電子發熱元件。另外，也有采用加熱裝置對工質 進行預熱以提高工質的干度，進而提高換熱系數，但是由于無法確定預熱后工質的干度，因 此也難以使換熱系數達到最優，因此仍不能有效地冷卻電子發熱元件。

【發明內容】

[0006] 本發明提供一種兩相流冷卻系統用干度控制裝置及控制方法，能夠使進入蒸發器 內的工質的干度達到最優，從而使換熱系數達到最優，以有效冷卻電子發熱元件。
[0007] 為達到上述目的，本發明提供了一種兩相流冷卻系統用干度控制裝置，包括連接 于冷卻回路中、且位于工質栗與蒸發器之間的加熱裝置，所述加熱裝置連接有功率檢測單 元，所述加熱裝置包括進液管和出液管，所述進液管內設有第一壓力檢測單元和溫度檢測 單元，所述出液管內設有第二壓力檢測單元，所述冷卻回路中設有質量流量檢測單元，還包 括控制單元，所述控制單元可根據功率檢測單元、第一壓力檢測單元、溫度檢測單元、第二 壓力檢測單元和質量流量檢測單元的檢測結果，調節加熱裝置的輸入功率和/或調節冷卻 回路中工質栗的驅動轉速，以控制所述出液管內工質的干度。
[0008] 本發明實施例還提供了一種干度控制方法，包括以下步驟：
[0009] 第一壓力檢測單元檢測進液管內工質的壓力P0,溫度檢測單元檢測進液管內工質 的溫度T0，控制單元根據P0、T0以及關系式ho = f (P〇，To)，確定進液管內工質的焓值ho;
[0010] 功率檢測單元檢測加熱裝置的輸入功率W，質量流量檢測單元檢測冷卻回路中的 質量流量m，控制單元根據ho、W、m以及以下關系式計算出液管內工質的焓值hi; w
[0011] \ = h0+~~ m
[0012] 第二壓力檢測單元檢測出液管內工質的壓力PI，控制單元根據hl、Pl以及關系式x = ?·(1η，Pi)，確定出液管內工質的干度X;
[0013]控制單元判斷所述出液管內工質的干度X是否位于預設閾值范圍X內；
[0014] 當所述出液管內工質的干度X未落入所述預設閾值范圍X內時，控制單元調節加熱 裝置的輸入功率和/或調節冷卻回路中工質栗的驅動轉速，使所述出液管內工質的干度X位 于所述預設閾值范圍X內。
[0015] 本發明提供的一種兩相流冷卻系統用干度控制裝置及控制方法，加熱裝置預熱進 入蒸發器內的工質以增大工質的干度，控制單元首先根據第一壓力檢測單元檢測得到的進 液管內工質的壓力P0,溫度檢測單元檢測得到的進液管內工質的溫度T0,功率檢測單元檢 測得到的加熱裝置的輸入功率W，質量流量檢測單元檢測得到的冷卻回路中的質量流量m， 第二壓力檢測單元檢測得到的出液管內工質的壓力P1，計算出出液管內工質的干度X，然后 判斷此干度X是否落入預設閾值范圍X內，若干度X落入此預設閾值范圍X內時，則干度X為最 優，若干度X未落入預設閾值范圍X內時，可通過調節加熱裝置的輸入功率和/或調節冷卻回 路中工質栗的驅動轉速，以調節出液管內工質的干度X，使此干度X落入預設閾值范圍X內， 以使干度X達到最優，從而使工質在蒸發器內的換熱系數達到最優，以有效冷卻電子發熱元 件。
【附圖說明】
[0016] 為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以 根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0017]圖1為工質的換熱系數k隨著自身干度X的變化關系曲線；
[0018] 圖2為本發明實施例兩相流冷卻系統用干度控制裝置在兩相流冷卻系統中的連接 結構示意圖；
[0019] 圖3為本發明實施例兩相流冷卻系統用干度控制裝置中加熱裝置拆除部分蓋板之 后的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0020] 下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于 本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0021] 在本發明的描述中，需要理解的是，術語"中心"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、 "右"、"豎直"、"水平"、"頂"、"底"、"內"、"外"等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的 方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或 元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。在 本發明的描述中，除非另有說明，"多個"的含義是兩個或兩個以上。
[0022] 兩相流冷卻系統包括由工質栗、蒸發器和冷凝器組成的工質循環回路，其中，工質 栗為工質循環回路中的核心元件，用于為工質在回路中的循環提供動力，蒸發器與電子發 熱元件貼近設置，以利于吸收電子發熱元件的熱量。兩相流冷卻系統還包括風機，冷凝器設 置于此風機的入風口或出風口，此風機可帶走冷凝器的熱量。工質在此冷卻回路中的傳輸 過程為:冷凝器與風機組成冷凝系統將工質在冷凝器內部進行冷凝放熱，冷凝后的液相工 質被吸入工質栗內，并由工質栗的排液口排出至蒸發器，蒸發器與電子發熱元件通過導熱 和對流的方式進行換熱，以降低電子發熱元件表面的溫度，之后進入冷凝器完成一次循環 傳送。
[0023] 參照圖2,圖2為本發明實施例兩相流冷卻系統用干度控制裝置的一個具體實施 例，本實施例的兩相流冷卻系統用干度控制裝置包括連接于冷卻回路中、且位于工質栗6與 蒸發器（圖中未示出）之間的加熱裝置1，所述加熱裝置1連接有功率檢測單元（圖中未示 出），所述加熱裝置1包括進液管9和出液管10,所述進液管9內設有第一壓力檢測單元2和溫 度檢測單元3,所述出液管10內設有第二壓力檢測單元4,所述冷卻回路中設有質量流量檢 測單元5,還包括控制單元（圖中未示出），所述控制單元可根據功率檢測單元、第一壓力檢 測單元2、溫度檢測單元3、第二壓力檢測單元4和質量流量檢測單元5的檢測結果，調節加熱 裝置1的輸入功率和/或調節冷卻回路中工質栗6的驅動轉速，以控制所述出液管10內工質 的干度。
[0024] 本發明提供的一種兩相流冷卻系統用干度控制裝置，加熱裝置1預熱進入蒸發器 內的工質以增大工質的干度，控制單元首先根據第一壓力檢測單元2檢測得到的進液管9內 工質的壓力P0,溫度檢測單元3檢測得到的進液管9內工質的溫度T0,功率檢測單元檢測得 到的加熱裝置1的輸入功率W，質量流量檢測單元5檢測得到的冷卻回路中的質量流量m，第 二壓力檢測單元4檢測得到的出液管10內工質的壓力P1，計算出出液管10內工質的干度X， 然后判斷此干度X是否落入預設閾值范圍X內，若干度X落入此預設閾值范圍X內時，則干度 為最優，若干度X未落入預設閾值范圍X內時，可通過調節加熱裝置1的輸入功率和/或調節 冷卻回路中工質栗6的驅動轉速，以調節出液管10內工質的干度X，使此干度X落入預設閾值 范圍X內，以使干度X達到最優，從而使工質在蒸發器內的換熱系數達到最優，以有效冷卻電 子發熱兀件。
[0025]在上述實施例中，加熱裝置1包括工質流道11和加熱元件12,加熱元件12可以套設 于工質流道11外，也可以直接設置于工質流道11內。當加熱元件12套設于工質流道11外時， 例如，加熱元件12為纏繞式電加熱帶，電加熱帶纏繞于連接管道的外壁以加熱連接管道內 流動的工質，由于工質流道11的殼體熱阻通常較高，且加熱元件12暴露于空氣中，因此在加 熱過程中，一部分熱量直接散失到空氣中，因此不能將加熱裝置1的輸入功率全部應用于增 大工質流道11內工質的干度，從而不能準確計算出液管10內工質的干度，進而不能有效控 制進入蒸發器內工質的干度。為了避免此問題，如圖3所示，優選將加熱元件12設置于工質 流道11內，工質流道11的一端與進液管9連通，另一端與出液管10連通，使工質流道11內的 工質與加熱元件12直接接觸，可增大加熱效率，使出液管10內工質的干度控制更準確。其 中，如圖3所示，基板上設有進/出口接頭17,進液管9或出液管10通過進/出口接頭17與工質 流道11連通。
[0026] 其中，冷卻回路除了包括工質栗6、蒸發器、冷凝器、風機之外，還包括儲液罐7和干 燥過濾器8，儲液罐7連接于冷凝器與工質栗6之間，用于儲存通過冷凝系統冷凝后形成的液 相工質，以供工質栗;吸入，干燥過濾器8用于過濾出冷卻回路中的水等雜質，以保證冷卻回 路中工質的純度。
[0027] 另外，加熱元件12可以為電熱絲、電熱棒、電熱線等等，在此不做具體限定。而且， 加熱元件12的排布形狀可以是曲線型，也可以是直線型，在此不做具體限定。但是，為了減 小加熱裝置1的占用空間，優選加熱元件12的排布形狀為曲線型，長度一定，曲線型排布占 用空間較小，有利于縮小加熱裝置1的占用空間。示例的，如圖3所示，加熱元件12為"U"型電 熱管。
[0028] 為了增大工質流道11內工質與加熱元件12之間的換熱均勻性，優選的，如圖3所 示，加熱元件12的延伸方向與工質流道11的延伸方向相同，且加熱元件12的中心軸線與工 質流道11的中心軸線重合，使工質可由加熱元件12側壁一周與工質流道11的內壁之間的間 隙流過。由于加熱元件12的延伸方向與工質流道11的延伸方向相同，且加熱元件12的中心 軸線與工質流道11的中心軸線重合，因此加熱元件12的側壁一周與工質流道11內壁之間的 間隙大小均勻，使通過此間隙的工質能夠與加熱元件12進行均勻換熱。
[0029] 需要說明的是，加熱元件12的延伸方向與工質流道11的延伸方向相同，由于工質 流道11通常長度方向的尺寸較大，寬度方向的尺寸較窄，因此加熱元件12通常為線狀、管 狀、棒狀結構，比如可以為加熱線、加熱管、加熱棒等等。
[0030] 其中，工質流道11的截面形狀可以為方形、圓形、三角形等等，在此不做具體限定。
[0031] 為了形成工質流道11，加熱裝置1可以制作為如圖3所示結構，即，加熱裝置1還包 括基板13與蓋板14,工質流道11開設于基板13的上表面，蓋板14蓋設于基板13上，由此通過 基板13與蓋板14之間的可拆卸連接，以方便加熱元件12在工質流道11內的拆卸或安裝，且 此工質流道11的制作過程簡單，容易實現。
[0032] 為了實現基板13與蓋板14之間的可拆卸連接，優選的，如圖3所示，基板13上開設 有第一通孔131，蓋板14上開設有第二通孔（圖中未示出），第一通孔131與第二通孔通過螺 栓螺母固定連接，以實現基板13與蓋板14之間的可拆卸連接，連接的結構強度較高，能夠有 效抵抗工質流道11內工質的壓力。
[0033] 加熱元件12的接線端電連接有連接線，為了防止連接線外露而影響加熱裝置1的 外觀整潔一致性，優選的，如圖3所示，基板13上開設有接線槽15,工質流道11與接線槽15之 間開設有通孔(圖中未示出），加熱元件12的接線端配合穿過此通孔132伸入接線槽15內，接 線端電連接的連接線布置于此接線槽15內，且在蓋板14上設有接線端子16,以將連接線引 出，由此防止連接線外露而影響加熱裝置1的外觀整潔一致性。
[0034] 其中，為了方便通孔132的開設，如圖3所示，接線槽15的側壁、與通孔132相對的位 置開設有工藝孔133,工藝孔133的直徑大于或等于通孔132的直徑，且工藝孔133的中心軸 線與通孔132的中心軸線共線，開設通孔132時，可首先開設工藝孔133,然后穿過工藝孔133 開設通孔132，開設過程簡單，容易實現。
[0035] 為了密封工藝孔133以防止接線槽15內的工質由此工藝孔133泄露，同時為了固定 加熱元件12,如圖3所示，加熱元件12位于工質流道11內且靠近通孔132的位置設有限位臺 121，加熱元件12接線端設有凸臺122,凸臺122的側壁設有外螺紋，還包括工藝密封塞18,工 藝密封塞18包括頭部181和桿部182,頭部181直徑大于工藝孔133的直徑，桿部182直徑小于 或等于工藝孔133直徑，桿部182為筒狀結構，筒狀結構的內壁設有可與凸臺122上的外螺紋 配合的內螺紋，頭部181與基板13的外壁抵靠，且頭部181與基板13之間設有密封圈19,桿部 182由基板13的外部穿過工藝孔133旋擰于凸臺122上并拉緊加熱元件12,使限位臺121壓緊 于工質流道11的內壁，同時使頭部181將密封圈19壓緊于基板13的外表面，由此實現加熱元 件12的固定，同時實現工藝孔133的密封，有效防止了接線槽15內工質的泄露。
[0036] 為了防止工質流道11內的工質由基板13與蓋板14之間的間隙泄露，同時為了防止 工質流道11內的熱量由基板13與蓋板14之間的間隙散發至外界空氣中，優選基板13與蓋板 14之間夾設有密封隔熱材料(圖中未示出），此密封隔熱材料即能夠密封基板13與蓋板14之 間的間隙，又能夠阻止工質流道11內的熱量由此間隙散發至空氣中，還能夠防止工質流道 11內的熱量進入蓋板14,并由蓋板14散發至空氣中，由此進一步地防止工質流道11內的熱 量流失，使加熱裝置1的輸入功率能夠較大程度地被工質吸收。
[0037] 其中，優選密封隔熱材料為丁氰，丁氰為常用密封隔熱材料，容易實現。
[0038] 本發明實施例還提供了一種干度控制方法，包括以下步驟：
[0039]第一壓力檢測單元2檢測進液管9內工質的壓力P0,溫度檢測單元3檢測進液管9內 工質的溫度T0，控制單元根據P0、T0以及關系式ho = f (Po，To )，確定進液管9內工質的焓值 h0；
[0040] 功率檢測單元檢測加熱裝置1的輸入功率W，質量流量檢測單元5檢測冷卻回路中 的質量流量m，控制單元根據h0、W、m以及以下關系式計算出液管10內工質的洽值h 1;
[0041]
,」、
[0042] 第二壓力檢測單元4檢測出液管10內工質的壓力P1，控制單元根據hl、Pl以及關系 式χι?ΧΙη,ΡΟ,確定出液管10內工質的干度X;
[0043] 控制單元判斷所述出液管10內工質的干度X是否位于預設閾值范圍X內；
[0044] 當所述出液管10內工質的干度X未落入所述預設閾值范圍X內時，控制單元調節加 熱裝置1的輸入功率和/或調節冷卻回路中工質栗6的驅動轉速，使所述出液管10內工質的 干度X位于所述預設閾值范圍X內。
[0045] 本發明提供的一種干度控制方法，第一壓力檢測單元2檢測可得到進液管9內工質 的壓力P0,溫度檢測單元3檢測可得到進液管9內工質的溫度T0,功率檢測單元檢測可得到 加熱裝置1的輸入功率W，質量流量檢測單元5檢測可得到冷卻回路中的質量流量m，第二壓 力檢測單元4檢測可得到出液管10內工質的壓力？1，控制單元根據?0、1'0、胃、1]1、？1，計算出出 液管10內工質的干度X，然后判斷此干度X是否落入預設閾值范圍X內，若干度X落入此預設 閾值范圍X內時，則干度為最優，若干度X未落入預設閾值范圍X內時，可通過調節加熱裝置1 的輸入功率和/或調節冷卻回路中工質栗6的驅動轉速，以調節出液管10內工質的干度X，使 此干度X落入預設閾值范圍X內，以使干度X達到最優，從而使工質在蒸發器內的換熱系數達 到最優，以有效冷卻電子發熱元件。
[0046] 需要說明的是，調節工質栗6的驅動轉速，即調節工質栗6單位時間內的排出流量， 也即是調節冷卻回路中工質的質量流量m。
[0047] 在上述實施例中，當出液管10內工質的干度X未落入預設閾值范圍X內時，控制單 元調節加熱裝置1的輸入功率和/或調節冷卻回路中工質栗6的驅動轉速，使出液管10內工 質的干度X位于預設閾值范圍X內，包括以下步驟:當出液管10內工質的干度X小于預設閾值 范圍X內的最小值時，增大加熱裝置1的輸入功率和/或減小工質栗6的驅動轉速，由關系式 (1)知，可增大出液管10內工質的焓值hi，從而增大出液管10內工質的干度X，以使干度X落 入預設閾值范圍X內；當出液管1 〇內工質的干度X大于預設閾值范圍X內的最大值時，減小加 熱裝置1的輸入功率和/或增大工質栗6的驅動轉速，由關系式（1)知，可減小出液管10內工 質的焓值hi，從而減小出液管10內工質的干度X，以使干度X落入預設閾值范圍X內。
[0048] 為了提高干度X的調節速度，優選同時調節加熱裝置1的輸入功率和工質栗6的驅 動轉速，由關系式（1)知可大幅度增大出液管10內工質的焓值hi，由此提高了干度X的調節 速度。
[0049] 其中，預設閾值范圍為0.5~0.8，由圖1所示，當出液管10內工質的干度在此預設 閾值范圍內時，換熱系數較大，工質進入蒸發器內后能夠吸收的熱量更多，冷卻效果更有。
[0050] 以上所述，僅為本發明的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何 熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵 蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應以所述權利要求的保護范圍為準。
【主權項】
1. 一種兩相流冷卻系統用干度控制裝置，其特征在于，包括連接于冷卻回路中、且位于 工質栗與蒸發器之間的加熱裝置，所述加熱裝置連接有功率檢測單元，所述加熱裝置包括 進液管和出液管，所述進液管內設有第一壓力檢測單元和溫度檢測單元，所述出液管內設 有第二壓力檢測單元，所述冷卻回路中設有質量流量檢測單元，還包括控制單元，所述控制 單元可根據功率檢測單元、第一壓力檢測單元、溫度檢測單元、第二壓力檢測單元和質量流 量檢測單元的檢測結果，調節加熱裝置的輸入功率和/或調節冷卻回路中工質栗的驅動轉 速，以控制所述出液管內工質的干度。2. 根據權利要求1所述的兩相流冷卻系統用干度控制裝置，其特征在于，所述加熱裝置 包括工質流道和加熱元件，所述工質流道的一端與所述進液管連通，另一端與所述出液管 連通，所述加熱元件設置于所述工質流道內。3. 根據權利要求2所述的兩相流冷卻系統用干度控制裝置，其特征在于，所述加熱元件 的延伸方向與所述工質流道的延伸方向相同，且所述加熱元件的中心軸線與所述工質流道 的中心軸線重合，所述工質可由所述加熱元件側壁一周與所述工質流道內壁之間的間隙流 過。4. 根據權利要求2所述的兩相流冷卻系統用干度控制裝置，其特征在于，所述加熱裝置 還包括基板與蓋板，所述工質流道開設于所述基板的上表面，所述蓋板蓋設于所述基板上。5. 根據權利要求4所述的兩相流冷卻系統用干度控制裝置，其特征在于，所述基板與所 述蓋板之間夾設有密封隔熱材料。6. 根據權利要求5所述的兩相流冷卻系統用干度控制裝置，其特征在于，所述密封隔熱 材料為丁氰。7. -種干度控制方法，其特征在于，包括： 51、 第一壓力檢測單元檢測進液管內工質的壓力P〇,溫度檢測單元檢測進液管內工質的 溫度To,控制單元根據Ρο、Το以及以下關系式，確定進液管內工質的焓值ho; ho = f(Po,To) 52、 功率檢測單元檢測加熱裝置的輸入功率W，質量流量檢測單元檢測冷卻回路中的質 量流量m，控制單元根據ho、W、m以及以下關系式計算出液管內工質的洽值hi;53、 第二壓力檢測單元檢測出液管內工質的壓力？:，控制單元根據Iuj1以及以下關系 式，確定出液管內工質的干度X ; x = f (hi,Pi) 54、 控制單元判斷所述出液管內工質的干度x是否位于預設閾值范圍X內； 55、 當所述出液管內工質的干度X未落入所述預設閾值范圍X內時，控制單元調節加熱 裝置的輸入功率和/或調節冷卻回路中工質栗的驅動轉速，使所述出液管內工質的干度X位 于所述預設閾值范圍X內。8. 根據權利要求7所述的干度控制方法，其特征在于，步驟S5包括： 當所述出液管內工質的干度X小于所述預設閾值范圍X內的最小值時，增大加熱裝置的 輸入功率和/或減小工質栗的驅動轉速； 當所述出液管內工質的干度X大于所述預設閾值范圍X內的最大值時，減小加熱裝置的
【文檔編號】F25B39/02GK105890235SQ201610222142
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月11日
【發明人】劉騰, 陳勝華
【申請人】海信（山東）空調有限公司