CN105890235A - 一种两相流冷却系统用干度控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种两相流冷却系统用干度控制装置及控制方法，涉及电子设备冷却技术领域。为解决现有技术两相流冷却系统中因工质的干度不可控而不能达到最优的冷却效果的问题而发明。本发明的两相流冷却系统用干度控制装置包括连接于冷却回路中、且位于工质泵与蒸发器之间的加热装置，加热装置连接有功率检测单元，加热装置包括进液管和出液管，进液管内设有第一压力检测单元和温度检测单元，出液管内设有第二压力检测单元，冷却回路中设有质量流量检测单元，还包括控制单元。本发明两相流冷却系统用干度控制装置及控制方法可用于增大两相流冷却系统的冷却效果。

Description

一种两相流冷却系统用干度控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及电子设备冷却技术领域，尤其涉及一种两相流冷却系统用干度控制装置及控制方法。

背景技术

随着电子技术的快速发展，电子设备的功率越来越高的同时，体积越来越小，由此不可避免的增大了设备的发热量，而随着温度的增加，电子设备的失效率呈指数增长。现阶段的一种解决方法为采用两相流冷却系统冷却电子设备的温度。

两相流冷却系统包括由工质泵、蒸发器以及冷凝器组成的工质循环回路，蒸发器与电子发热元件贴近设置，蒸发器内的工质受热产生相变，以带走大量的热量，由此降低电子发热元件表面的温度。

现有实验已验证，在冷却回路中工质的质量流量一定的前提下，工质的换热系数k随着自身干度x的变化关系如图1所示，由图1可知，在一定范围内，随着工质的干度x的增大，换热系数k也增大，单位时间内能够吸收的热量也增大，但是当干度x达到0.9时，开始急剧衰减，当干度x处于0.5～0.8范围内时，换热系数k较高，蒸发换热时能够吸收的热量较大。

然而，现有技术中一般直接采用液相的工质与电子发热元件接触换热，液相工质的干度较小，换热系数较低，不能有效冷却电子发热元件。另外，也有采用加热装置对工质进行预热以提高工质的干度，进而提高换热系数，但是由于无法确定预热后工质的干度，因此也难以使换热系数达到最优，因此仍不能有效地冷却电子发热元件。

发明内容

本发明提供一种两相流冷却系统用干度控制装置及控制方法，能够使进入蒸发器内的工质的干度达到最优，从而使换热系数达到最优，以有效冷却电子发热元件。

为达到上述目的，本发明提供了一种两相流冷却系统用干度控制装置，包括连接于冷却回路中、且位于工质泵与蒸发器之间的加热装置，所述加热装置连接有功率检测单元，所述加热装置包括进液管和出液管，所述进液管内设有第一压力检测单元和温度检测单元，所述出液管内设有第二压力检测单元，所述冷却回路中设有质量流量检测单元，还包括控制单元，所述控制单元可根据功率检测单元、第一压力检测单元、温度检测单元、第二压力检测单元和质量流量检测单元的检测结果，调节加热装置的输入功率和/或调节冷却回路中工质泵的驱动转速，以控制所述出液管内工质的干度。

本发明实施例还提供了一种干度控制方法，包括以下步骤：

第一压力检测单元检测进液管内工质的压力P0，温度检测单元检测进液管内工质的温度T0，控制单元根据P0、T0以及关系式h₀＝f(P₀,T₀)，确定进液管内工质的焓值h0；

功率检测单元检测加热装置的输入功率W，质量流量检测单元检测冷却回路中的质量流量m，控制单元根据h0、W、m以及以下关系式计算出液管内工质的焓值h1；

$h_1=h_0+\frac{W}{m}$

第二压力检测单元检测出液管内工质的压力P1，控制单元根据h1、P1以及关系式x＝f(h₁,P₁)，确定出液管内工质的干度x；

控制单元判断所述出液管内工质的干度x是否位于预设阈值范围X内；

当所述出液管内工质的干度x未落入所述预设阈值范围X内时，控制单元调节加热装置的输入功率和/或调节冷却回路中工质泵的驱动转速，使所述出液管内工质的干度x位于所述预设阈值范围X内。

本发明提供的一种两相流冷却系统用干度控制装置及控制方法，加热装置预热进入蒸发器内的工质以增大工质的干度，控制单元首先根据第一压力检测单元检测得到的进液管内工质的压力P0，温度检测单元检测得到的进液管内工质的温度T0，功率检测单元检测得到的加热装置的输入功率W，质量流量检测单元检测得到的冷却回路中的质量流量m，第二压力检测单元检测得到的出液管内工质的压力P1，计算出出液管内工质的干度x，然后判断此干度x是否落入预设阈值范围X内，若干度x落入此预设阈值范围X内时，则干度x为最优，若干度x未落入预设阈值范围X内时，可通过调节加热装置的输入功率和/或调节冷却回路中工质泵的驱动转速，以调节出液管内工质的干度x，使此干度x落入预设阈值范围X内，以使干度x达到最优，从而使工质在蒸发器内的换热系数达到最优，以有效冷却电子发热元件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为工质的换热系数k随着自身干度x的变化关系曲线；

图2为本发明实施例两相流冷却系统用干度控制装置在两相流冷却系统中的连接结构示意图；

图3为本发明实施例两相流冷却系统用干度控制装置中加热装置拆除部分盖板之后的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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。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。

两相流冷却系统包括由工质泵、蒸发器和冷凝器组成的工质循环回路，其中，工质泵为工质循环回路中的核心元件，用于为工质在回路中的循环提供动力，蒸发器与电子发热元件贴近设置，以利于吸收电子发热元件的热量。两相流冷却系统还包括风机，冷凝器设置于此风机的入风口或出风口，此风机可带走冷凝器的热量。工质在此冷却回路中的传输过程为：冷凝器与风机组成冷凝系统将工质在冷凝器内部进行冷凝放热，冷凝后的液相工质被吸入工质泵内，并由工质泵的排液口排出至蒸发器，蒸发器与电子发热元件通过导热和对流的方式进行换热，以降低电子发热元件表面的温度，之后进入冷凝器完成一次循环传送。

参照图2，图2为本发明实施例两相流冷却系统用干度控制装置的一个具体实施例，本实施例的两相流冷却系统用干度控制装置包括连接于冷却回路中、且位于工质泵6与蒸发器(图中未示出)之间的加热装置1，所述加热装置1连接有功率检测单元(图中未示出)，所述加热装置1包括进液管9和出液管10，所述进液管9内设有第一压力检测单元2和温度检测单元3，所述出液管10内设有第二压力检测单元4，所述冷却回路中设有质量流量检测单元5，还包括控制单元(图中未示出)，所述控制单元可根据功率检测单元、第一压力检测单元2、温度检测单元3、第二压力检测单元4和质量流量检测单元5的检测结果，调节加热装置1的输入功率和/或调节冷却回路中工质泵6的驱动转速，以控制所述出液管10内工质的干度。

本发明提供的一种两相流冷却系统用干度控制装置，加热装置1预热进入蒸发器内的工质以增大工质的干度，控制单元首先根据第一压力检测单元2检测得到的进液管9内工质的压力P0，温度检测单元3检测得到的进液管9内工质的温度T0，功率检测单元检测得到的加热装置1的输入功率W，质量流量检测单元5检测得到的冷却回路中的质量流量m，第二压力检测单元4检测得到的出液管10内工质的压力P1，计算出出液管10内工质的干度x，然后判断此干度x是否落入预设阈值范围X内，若干度x落入此预设阈值范围X内时，则干度为最优，若干度x未落入预设阈值范围X内时，可通过调节加热装置1的输入功率和/或调节冷却回路中工质泵6的驱动转速，以调节出液管10内工质的干度x，使此干度x落入预设阈值范围X内，以使干度x达到最优，从而使工质在蒸发器内的换热系数达到最优，以有效冷却电子发热元件。

在上述实施例中，加热装置1包括工质流道11和加热元件12，加热元件12可以套设于工质流道11外，也可以直接设置于工质流道11内。当加热元件12套设于工质流道11外时，例如，加热元件12为缠绕式电加热带，电加热带缠绕于连接管道的外壁以加热连接管道内流动的工质，由于工质流道11的壳体热阻通常较高，且加热元件12暴露于空气中，因此在加热过程中，一部分热量直接散失到空气中，因此不能将加热装置1的输入功率全部应用于增大工质流道11内工质的干度，从而不能准确计算出液管10内工质的干度，进而不能有效控制进入蒸发器内工质的干度。为了避免此问题，如图3所示，优选将加热元件12设置于工质流道11内，工质流道11的一端与进液管9连通，另一端与出液管10连通，使工质流道11内的工质与加热元件12直接接触，可增大加热效率，使出液管10内工质的干度控制更准确。其中，如图3所示，基板上设有进/出口接头17，进液管9或出液管10通过进/出口接头17与工质流道11连通。

其中，冷却回路除了包括工质泵6、蒸发器、冷凝器、风机之外，还包括储液罐7和干燥过滤器8，储液罐7连接于冷凝器与工质泵6之间，用于储存通过冷凝系统冷凝后形成的液相工质，以供工质泵；吸入，干燥过滤器8用于过滤出冷却回路中的水等杂质，以保证冷却回路中工质的纯度。

另外，加热元件12可以为电热丝、电热棒、电热线等等，在此不做具体限定。而且，加热元件12的排布形状可以是曲线型，也可以是直线型，在此不做具体限定。但是，为了减小加热装置1的占用空间，优选加热元件12的排布形状为曲线型，长度一定，曲线型排布占用空间较小，有利于缩小加热装置1的占用空间。示例的，如图3所示，加热元件12为“U”型电热管。

为了增大工质流道11内工质与加热元件12之间的换热均匀性，优选的，如图3所示，加热元件12的延伸方向与工质流道11的延伸方向相同，且加热元件12的中心轴线与工质流道11的中心轴线重合，使工质可由加热元件12侧壁一周与工质流道11的内壁之间的间隙流过。由于加热元件12的延伸方向与工质流道11的延伸方向相同，且加热元件12的中心轴线与工质流道11的中心轴线重合，因此加热元件12的侧壁一周与工质流道11内壁之间的间隙大小均匀，使通过此间隙的工质能够与加热元件12进行均匀换热。

需要说明的是，加热元件12的延伸方向与工质流道11的延伸方向相同，由于工质流道11通常长度方向的尺寸较大，宽度方向的尺寸较窄，因此加热元件12通常为线状、管状、棒状结构，比如可以为加热线、加热管、加热棒等等。

其中，工质流道11的截面形状可以为方形、圆形、三角形等等，在此不做具体限定。

为了形成工质流道11，加热装置1可以制作为如图3所示结构，即，加热装置1还包括基板13与盖板14，工质流道11开设于基板13的上表面，盖板14盖设于基板13上，由此通过基板13与盖板14之间的可拆卸连接，以方便加热元件12在工质流道11内的拆卸或安装，且此工质流道11的制作过程简单，容易实现。

为了实现基板13与盖板14之间的可拆卸连接，优选的，如图3所示，基板13上开设有第一通孔131，盖板14上开设有第二通孔(图中未示出)，第一通孔131与第二通孔通过螺栓螺母固定连接，以实现基板13与盖板14之间的可拆卸连接，连接的结构强度较高，能够有效抵抗工质流道11内工质的压力。

加热元件12的接线端电连接有连接线，为了防止连接线外露而影响加热装置1的外观整洁一致性，优选的，如图3所示，基板13上开设有接线槽15，工质流道11与接线槽15之间开设有通孔(图中未示出)，加热元件12的接线端配合穿过此通孔132伸入接线槽15内，接线端电连接的连接线布置于此接线槽15内，且在盖板14上设有接线端子16，以将连接线引出，由此防止连接线外露而影响加热装置1的外观整洁一致性。

其中，为了方便通孔132的开设，如图3所示，接线槽15的侧壁、与通孔132相对的位置开设有工艺孔133，工艺孔133的直径大于或等于通孔132的直径，且工艺孔133的中心轴线与通孔132的中心轴线共线，开设通孔132时，可首先开设工艺孔133，然后穿过工艺孔133开设通孔132，开设过程简单，容易实现。

为了密封工艺孔133以防止接线槽15内的工质由此工艺孔133泄露，同时为了固定加热元件12，如图3所示，加热元件12位于工质流道11内且靠近通孔132的位置设有限位台121，加热元件12接线端设有凸台122，凸台122的侧壁设有外螺纹，还包括工艺密封塞18，工艺密封塞18包括头部181和杆部182，头部181直径大于工艺孔133的直径，杆部182直径小于或等于工艺孔133直径，杆部182为筒状结构，筒状结构的内壁设有可与凸台122上的外螺纹配合的内螺纹，头部181与基板13的外壁抵靠，且头部181与基板13之间设有密封圈19，杆部182由基板13的外部穿过工艺孔133旋拧于凸台122上并拉紧加热元件12，使限位台121压紧于工质流道11的内壁，同时使头部181将密封圈19压紧于基板13的外表面，由此实现加热元件12的固定，同时实现工艺孔133的密封，有效防止了接线槽15内工质的泄露。

为了防止工质流道11内的工质由基板13与盖板14之间的间隙泄露，同时为了防止工质流道11内的热量由基板13与盖板14之间的间隙散发至外界空气中，优选基板13与盖板14之间夹设有密封隔热材料(图中未示出)，此密封隔热材料即能够密封基板13与盖板14之间的间隙，又能够阻止工质流道11内的热量由此间隙散发至空气中，还能够防止工质流道11内的热量进入盖板14，并由盖板14散发至空气中，由此进一步地防止工质流道11内的热量流失，使加热装置1的输入功率能够较大程度地被工质吸收。

其中，优选密封隔热材料为丁氰，丁氰为常用密封隔热材料，容易实现。

本发明实施例还提供了一种干度控制方法，包括以下步骤：

第一压力检测单元2检测进液管9内工质的压力P0，温度检测单元3检测进液管9内工质的温度T0，控制单元根据P0、T0以及关系式h₀＝f(P₀,T₀)，确定进液管9内工质的焓值h0；

功率检测单元检测加热装置1的输入功率W，质量流量检测单元5检测冷却回路中的质量流量m，控制单元根据h0、W、m以及以下关系式计算出液管10内工质的焓值h1；

$h_1=h_0+\frac{W}{m}---\left(1\right)$

第二压力检测单元4检测出液管10内工质的压力P1，控制单元根据h1、P1以及关系式x＝f(h₁,P₁)，确定出液管10内工质的干度x；

控制单元判断所述出液管10内工质的干度x是否位于预设阈值范围X内；

当所述出液管10内工质的干度x未落入所述预设阈值范围X内时，控制单元调节加热装置1的输入功率和/或调节冷却回路中工质泵6的驱动转速，使所述出液管10内工质的干度x位于所述预设阈值范围X内。

本发明提供的一种干度控制方法，第一压力检测单元2检测可得到进液管9内工质的压力P0，温度检测单元3检测可得到进液管9内工质的温度T0，功率检测单元检测可得到加热装置1的输入功率W，质量流量检测单元5检测可得到冷却回路中的质量流量m，第二压力检测单元4检测可得到出液管10内工质的压力P1，控制单元根据P0、T0、W、m、P1，计算出出液管10内工质的干度x，然后判断此干度x是否落入预设阈值范围X内，若干度x落入此预设阈值范围X内时，则干度为最优，若干度x未落入预设阈值范围X内时，可通过调节加热装置1的输入功率和/或调节冷却回路中工质泵6的驱动转速，以调节出液管10内工质的干度x，使此干度x落入预设阈值范围X内，以使干度x达到最优，从而使工质在蒸发器内的换热系数达到最优，以有效冷却电子发热元件。

需要说明的是，调节工质泵6的驱动转速，即调节工质泵6单位时间内的排出流量，也即是调节冷却回路中工质的质量流量m。

在上述实施例中，当出液管10内工质的干度x未落入预设阈值范围X内时，控制单元调节加热装置1的输入功率和/或调节冷却回路中工质泵6的驱动转速，使出液管10内工质的干度x位于预设阈值范围X内，包括以下步骤：当出液管10内工质的干度x小于预设阈值范围X内的最小值时，增大加热装置1的输入功率和/或减小工质泵6的驱动转速，由关系式(1)知，可增大出液管10内工质的焓值h1，从而增大出液管10内工质的干度x，以使干度x落入预设阈值范围X内；当出液管10内工质的干度x大于预设阈值范围X内的最大值时，减小加热装置1的输入功率和/或增大工质泵6的驱动转速，由关系式(1)知，可减小出液管10内工质的焓值h1，从而减小出液管10内工质的干度x，以使干度x落入预设阈值范围X内。

为了提高干度x的调节速度，优选同时调节加热装置1的输入功率和工质泵6的驱动转速，由关系式(1)知可大幅度增大出液管10内工质的焓值h1，由此提高了干度x的调节速度。

其中，预设阈值范围为0.5～0.8，由图1所示，当出液管10内工质的干度在此预设阈值范围内时，换热系数较大，工质进入蒸发器内后能够吸收的热量更多，冷却效果更有。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种两相流冷却系统用干度控制装置，其特征在于，包括连接于冷却回路中、且位于工质泵与蒸发器之间的加热装置，所述加热装置连接有功率检测单元，所述加热装置包括进液管和出液管，所述进液管内设有第一压力检测单元和温度检测单元，所述出液管内设有第二压力检测单元，所述冷却回路中设有质量流量检测单元，还包括控制单元，所述控制单元可根据功率检测单元、第一压力检测单元、温度检测单元、第二压力检测单元和质量流量检测单元的检测结果，调节加热装置的输入功率和/或调节冷却回路中工质泵的驱动转速，以控制所述出液管内工质的干度。

2.根据权利要求1所述的两相流冷却系统用干度控制装置，其特征在于，所述加热装置包括工质流道和加热元件，所述工质流道的一端与所述进液管连通，另一端与所述出液管连通，所述加热元件设置于所述工质流道内。

3.根据权利要求2所述的两相流冷却系统用干度控制装置，其特征在于，所述加热元件的延伸方向与所述工质流道的延伸方向相同，且所述加热元件的中心轴线与所述工质流道的中心轴线重合，所述工质可由所述加热元件侧壁一周与所述工质流道内壁之间的间隙流过。

4.根据权利要求2所述的两相流冷却系统用干度控制装置，其特征在于，所述加热装置还包括基板与盖板，所述工质流道开设于所述基板的上表面，所述盖板盖设于所述基板上。

5.根据权利要求4所述的两相流冷却系统用干度控制装置，其特征在于，所述基板与所述盖板之间夹设有密封隔热材料。

6.根据权利要求5所述的两相流冷却系统用干度控制装置，其特征在于，所述密封隔热材料为丁氰。

7.一种干度控制方法，其特征在于，包括：

S1、第一压力检测单元检测进液管内工质的压力P₀，温度检测单元检测进液管内工质的温度T₀，控制单元根据P₀、T₀以及以下关系式，确定进液管内工质的焓值h₀；

h₀＝f(P₀,T₀)

S2、功率检测单元检测加热装置的输入功率W，质量流量检测单元检测冷却回路中的质量流量m，控制单元根据h₀、W、m以及以下关系式计算出液管内工质的焓值h₁；

$h_1=h_0+\frac{W}{m}$

S3、第二压力检测单元检测出液管内工质的压力P₁，控制单元根据h₁、P₁以及以下关系式，确定出液管内工质的干度x；

x＝f(h₁,P₁)

S4、控制单元判断所述出液管内工质的干度x是否位于预设阈值范围X内；

S5、当所述出液管内工质的干度x未落入所述预设阈值范围X内时，控制单元调节加热装置的输入功率和/或调节冷却回路中工质泵的驱动转速，使所述出液管内工质的干度x位于所述预设阈值范围X内。

8.根据权利要求7所述的干度控制方法，其特征在于，步骤S5包括：

当所述出液管内工质的干度x小于所述预设阈值范围X内的最小值时，增大加热装置的输入功率和/或减小工质泵的驱动转速；

当所述出液管内工质的干度x大于所述预设阈值范围X内的最大值时，减小加热装置的输入功率和/或增大工质泵的驱动转速。

9.根据权利要求7所述的干度控制方法，其特征在于，所述预设阈值范围X为0.5～0.8。