CN106352573A - 一种冷媒直接制冷系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷媒直接制冷系统及控制方法，该系统包括控制板、冷却板、两个分制冷系统，冷却板具有冷媒入口和冷媒出口，每个分制冷系统均包括压缩机、冷凝器，压缩机输出的冷媒传输至冷凝器，经冷凝器冷却后输送至所述冷却板的冷媒入口，经所述冷媒出口输送至压缩机；在冷却板上设置有温度传感器，温度传感器采集温度信号，并将采集到的信号发送至控制板，所述控制板控制两个分制冷系统的运行。本发明的冷媒直接制冷系统及控制方法，减小了系统体积；冷媒直接对冷却板进行冷却，降温速度快、安全性高；由于采用两个分制冷系统，可以互为备份；冷却区间大，向下扩展了制冷系统的最小能力输出；采用PID频率控制，控制精度高。

Description

一种冷媒直接制冷系统及控制方法

技术领域

本发明属于空调技术领域，具体地说，是涉及一种制冷系统及控制方法。

背景技术

设备在运行时产生大量热量，需要制冷系统对设备进行降温，以保证设备的正常运行。

目前市场上的制冷系统体积都比较大，例如水冷机（先冷却水再冷却设备），而雷达机箱、激光设备等设备需要体积小的制冷系统，因此，目前市场上的大体积制冷系统无法满足需求。

发明内容

本发明提供了一种冷媒直接制冷系统，解决了现有制冷系统体积大的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案予以实现：

一种冷媒直接制冷系统，包括控制板、冷却板、两个分制冷系统，所述冷却板具有冷媒入口和冷媒出口，每个分制冷系统均包括压缩机、冷凝器，所述压缩机输出的冷媒传输至冷凝器，经冷凝器冷却后输送至所述冷却板的冷媒入口，然后经所述冷媒出口输送至压缩机；在所述冷却板上设置有温度传感器，所述温度传感器采集温度信号，并将采集到的信号发送至控制板，所述控制板控制两个分制冷系统的运行。

进一步的，在所述冷却板上设置有电加热器，所述控制板控制电加热器的运行。

基于上述冷媒直接制冷系统，本发明还提出了一种控制方法，所述方法包括：

根据冷却板实际温度和设定目标温度的温差确定启动频率；

控制板根据启动频率控制两个分制冷系统运行；

基于所述温差进行PID控制，获得目标频率；

控制板根据目标频率控制两个分制冷系统运行。

进一步的，所述控制板根据启动频率控制两个分制冷系统运行具体包括：

判断所述启动频率是否大于单个分制冷系统的最大频率；

若是，则控制两个分制冷系统分别以启动频率/2运行；

若否，则控制单个分制冷系统以启动频率运行。

又进一步的，所述控制板根据目标频率控制两个分制冷系统运行具体包括：

判断所述目标频率是否大于单个分制冷系统的最大频率；

若是，则控制两个分制冷系统分别以目标频率/2运行；

若否，则控制单个分制冷系统以目标频率运行。

更进一步的，所述根据冷却板实际温度和设定目标温度的温差确定启动频率，具体包括：

获取冷却板的实际温度；

计算冷却板的实际温度和设定目标温度的温差；

将所述温差转换为AD值，查询预设的温差AD值-启动频率对照表，获得启动频率。

再进一步的，在所述制冷系统的冷却板上设置有电加热器；在所述根据冷却板实际温度和设定目标温度的温差确定启动频率之前，所述方法还包括：

在被冷却设备启动之前，判断冷却板实际温度是否小于最小设定温度；

若是，则控制板启动电加热器，对冷却板进行预热，直至被冷却设备正常运行。

优选的，所述控制板启动电加热器具体包括：

控制板采用PWM控制电加热器的输出功率，占空比为100%。

进一步的，在所述制冷系统的冷却板上设置有电加热器；在所述控制板根据启动频率控制两个分制冷系统运行之前，所述方法还包括：

判断所述制冷负载是否小于单个分制冷系统以最低频率运行时的制冷量；

若是，则控制板启动电加热器，进行热量补偿。

更进一步的，所述控制板启动电加热器具体包括：控制板采用PWM控制电加热器的输出功率，0占空比启动，根据冷却板实际温度和设定目标温度的温差调整占空比。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的冷媒直接制冷系统及控制方法，减少了第三方介质，节省了相关的管路空间，减小了系统体积；而且，采用两个独立的压缩机，进一步减小了整个系统的体积；冷媒直接对冷却板进行冷却，降温速度快；安全性高，不使用冷却水，进而避免了冷却水泄漏导致电气设备损毁；由于采用两个分制冷系统，可以互为备份，当其中一个分制冷系统出现故障时，另一个可以维持应急使用；冷却区间大，向下扩展了制冷系统的最小能力输出；采用PID频率控制，控制精度高。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明所提出的冷媒直接制冷系统的一个实施例的框架图；

图2是本发明所提出的冷媒直接制冷系统的一个实施例的结构示意图；

图3是本发明所提出的冷媒直接制冷系统的控制方法的一个实施例的流程图；

图4是图3中部分步骤的流程图。

附图标记：

1、第一压缩机；2、第一冷凝器；3、第一冷凝风扇；4、第一过滤器；5、第一电子膨胀阀；

6、第二压缩机；7、第二冷凝器；8、第二冷凝风扇；9、第二过滤器；10、第二电子膨胀阀；

11、冷却板；12、电加热器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

本发明的冷媒直接制冷系统及控制方法，直接用冷媒对被冷却设备进行降温，减少了第三方介质，节省了相关的管路空间，减小了体积，使用范围更广。下面，对冷媒直接制冷系统以及对该系统的控制方法进行详细说明。

本实施例的冷媒直接制冷系统，主要包括控制板、冷却板11、两个分制冷系统：第一分制冷系统和第二分制冷系统，冷却板11具有冷媒入口和冷媒出口，被冷却设备放置在冷却板11上；第一分制冷系统主要包括第一压缩机1、第一冷凝器2、第一冷凝风扇3、第一过滤器4、第一电子膨胀阀5，第一压缩机1输出的冷媒传输至第一冷凝器2进行冷却，冷却后的冷媒经第一过滤器4过滤、第一电子膨胀阀5输送至冷却板11的冷媒入口，通过冷却板11与被冷却设备进行热交换，然后经冷媒出口输送回第一压缩机1；第二分制冷系统主要包括第二压缩机6、第二冷凝器7、第二冷凝风扇8、第二过滤器9、第二电子膨胀阀10，第二压缩机6输出的冷媒传输至第二冷凝器7进行冷却，冷却后的冷媒经第二过滤器9过滤、第二电子膨胀阀10输送至冷却板11的冷媒入口，通过冷却板11与被冷却设备进行热交换，然后经冷媒出口输送回第二压缩机6；在冷却板11上设置有温度传感器，温度传感器采集冷却板11的温度信号，并将采集到的信号发送至控制板，控制板控制两路制冷系统的运行。

在冷却板11上设置有电加热器12，控制板控制电加热器12的运行。电加热器具有两种作用：一是被冷却设备启动时进行预热，二是在制冷过程中进行对冷却板11进行热量补偿。冷却板既是被冷却设备的安装平台，又是设备的散热器，同时，也是冷媒的受体，冷媒从冷媒入口进入冷却板，从冷媒出口流出，带走被冷却设备发热产生的热量，达到降温冷却的效果。

在本实施例中，温度传感器满足0.1度精度要求，此精度为相对精度。例如，可选择型号为PT-100的温度传感器。控制板上的AD转换器，要采用16位以上的AD，以实现高的温度分辨率。AD采样位数越高，每0.1度的AD值越大，后续进行PID计算越准确。

为了便于用户操作，还设置有用户操作面板，通过RS485总线与控制板连接。用户通过操作面板人工设定温度，并显示运行过程中的各种参数，如温度等。

本实施例的冷媒直接制冷系统，直接用冷媒通过冷却板对被冷却设备进行降温，减少了第三方介质（冷却水），节省了相关的管路空间，减小了体积，比水冷、油冷设备体积小，节省了占用的空间，使用范围更广；由于冷媒直接冷却冷却板，降温速度快；安全性高，不使用冷却水，进而避免了冷却水泄漏导致电气设备损毁；而且，由于采用两个分制冷系统，可以互为备份，当其中一个分制冷系统出现故障时，另一个可以维持应急使用，可靠性高；冷却区间大，向下扩展了制冷系统的最小能力输出，当热量负载小时，也可以实现精确控制。

该系统的具体控制方法具体包括下述步骤，参见图3所示。

步骤S1：在被冷却设备启动之前，判断冷却板实际温度是否小于最小设定温度。

若是，则执行步骤S2。

若否，则直接执步骤S3。

步骤S2：被冷却设备启动，控制板启动电加热器，对冷却板进行预热，直至被冷却设备正常启动运行。

在极寒地区，被冷却设备由于环境温度过低导致启动慢甚至无法启动，因此需要对冷却板进行预热，进而对安装在冷却板上的被冷却设备进行预热，使其快速启动，被冷却设备正常启动运行后，执行步骤S3。

在本实施例中，控制板采用PWM控制电加热器的输出功率，占空比为100%，实现冷却板的快速预热，进而使被冷却设备快速启动运行。

S3：根据冷却板的实际温度和设定目标温度的温差确定启动频率。

控制板根据实际温度与设定目标温度的温差，对制冷负载进行制冷量预估，确定整个系统启动的启动频率。

确定启动频率的具体步骤如下，参见图4所示。

S31：通过设置在冷却板上的温度传感器采集冷却板的实际温度，并传输给控制板。

S32：控制板计算冷却板实际温度与设定目标温度的温差。

S33：将所述温差转换为AD值，查询预设的温差AD值-启动频率对照表，获得启动频率。

该对照表是以系统热量负荷为基础，根据实际调试来确定出的频率表。不同的温差，体现了系统对制冷量的不同需求，制冷量的需求最终反映到频率值上。

该对照表为一维数组，温差与频率一一对应。

例如，数组FreqTable[100]= {21,22,23,24,25,26,27,28,31,31,32,33,…90}，数组大小为100，查表公式为启动频率F0=FreqTable[u8_i]，u8_i为冷却板实际温度与设定目标温度的温差的AD值，决定了查表频率。

温差采用AD值表示，可以使得查表更精确。

例如，以4AD值表示一度来查表，假设冷却板实际温度与设定目标温度的温差为2°，采用AD值表示为8，查表得出启动频率F0=FreqTable[8]=31，如下表所示。

序号	温差（℃）	AD值（u8_i）	F0(HZ)
				1	0	0	21
2	1	4	25
				3	2	8	31

控制板的AD转换器可以将模拟信号转换为数字信号，即将温差模拟值转换为AD值。例如选用8位AD转换器，将温差转换为数字信号。

步骤S4：判断制冷负载是否小于单个分制冷系统以最低频率运行时的制冷量。

若是，则执行步骤S5。

若否，则执行步骤S6。

步骤S5：控制板启动电加热器，对冷却板进行热量补偿。

当制冷负载小于单个分系统运行的最低频率的制冷量时，开启电加热器，作为假负载，对冷却板进行热量补偿，并执行步骤S6。

当制冷负载（被冷却设备）热量产生小，而单个分制冷系统以最低频率运行输出冷量仍较大时，冷却板的温度就会不断下降，可能会产生冷凝水，并结冰。为了防止这类现象发生，可以启动电加热器，作为假负载中和掉多余冷量，以保持温度平衡。

在本实施例中，控制板采用PWM控制电加热器的输出功率。例如，以0占空比启动，设定时间（如10秒）后占空比为100%，然后根据冷却板实际温度和设定目标温度的温差调整占空比，以中和制冷系统输出的多余冷量。在本实施例中，电加热器可以对热量输出进行0～300W的微调。

单个（每个）分制冷系统的制冷量为500W，整个系统的制冷量为1000W。

步骤S6：控制板根据启动频率控制两个分制冷系统运行。

首先，判断启动频率是否大于单个分制冷系统的最大频率。

若是，即启动频率大于单个分制冷系统的最大频率，则控制两个分制冷系统分别以启动频率/2运行。也就是说，第一分制冷系统以F0/2启动，第二分制冷系统以F0/2启动。

若否，即启动频率小于单个分制冷系统的最大频率，则控制单个分制冷系统以启动频率运行。默认启动运行时间小的分制冷系统(如第一分制冷系统)，当该分制冷系统故障时，选择另一个分制冷系统，如第二分制冷系统。

两个分制冷系统各自累计自己的运行时间。

被冷却设备运行在不同工况时，产生的热量负荷不同，当热量负荷很小时，能力大的制冷系统一启动就将温度降到很低，远低于要求。为了解决这个问题，在本实施例中，将整个制冷系统拆分为两个分制冷系统，整个系统的制冷能力也一分为二，制冷负载大时运行两个分制冷系统，制冷负载小时运行单个分制冷系统，实现更细分的制冷能力输出，大大向下延伸了最小制冷量，满足被冷却设备多种工况下制冷需求。

S7：基于冷却板实际温度与设定目标温度的温差进行PID控制，获得目标频率。

冷媒直接制冷系统以启动频率启动后，进入PID计算过程，计算目标频率F，即两个压缩机的运行频率和，目标频率F是个不断波动的值，根据温差的增减来增减。

S8：控制板根据目标频率控制两路制冷系统运行。

首先，判断目标频率是否大于单个制冷系统的最大频率。

若是，即目标频率F大于单个制冷系统的最大频率，则控制两个制冷系统分别以启动频率/2运行。也就是说，第一分制冷系统以F/2启动，第二分制冷系统以F/2启动。

若否，即目标频率小于单个制冷系统的最大频率，则控制单个制冷系统以启动频率运行。默认启动运行时间小的制冷系统(如第一分制冷系统)，当该制冷系统故障时，选择另一个制冷系统，如第二分制冷系统。

本实施例的冷媒直接制冷系统及控制方法，减少了第三方介质，节省了相关的管路空间，减小了体积；而且，采用两个独立的压缩机，进一步减小了整个系统的体积；冷媒直接对冷却板进行冷却，降温速度快；安全性高，不使用冷却水，进而避免了冷却水泄漏导致电气设备损毁；由于采用两个分制冷系统，可以互为备份，当其中一个分制冷系统出现故障时，另一个可以维持应急使用；冷却区间大，向下扩展了制冷系统的最小能力输出，当热量负载小时，也可以实现精确控制；采用PID频率控制，控制精度高，实现十分钟以内0.1度精确控制。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种冷媒直接制冷系统，其特征在于：包括控制板、冷却板、两个分制冷系统，所述冷却板具有冷媒入口和冷媒出口，每个分制冷系统均包括压缩机、冷凝器，所述压缩机输出的冷媒传输至冷凝器，经冷凝器冷却后输送至所述冷却板的冷媒入口，然后经所述冷媒出口输送至压缩机；

在所述冷却板上设置有温度传感器，所述温度传感器采集温度信号，并将采集到的信号发送至控制板，所述控制板控制两个分制冷系统的运行。

2.根据权利要求1所述的制冷系统，其特征在于：在所述冷却板上设置有电加热器，所述控制板控制电加热器的运行。

3.一种基于权利要求1所述的冷媒直接制冷系统的控制方法，其特征在于：所述方法包括：

根据冷却板实际温度和设定目标温度的温差确定启动频率；

控制板根据启动频率控制两个分制冷系统运行；

基于所述温差进行PID控制，获得目标频率；

控制板根据目标频率控制两个分制冷系统运行。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：所述控制板根据启动频率控制两个分制冷系统运行具体包括：

判断所述启动频率是否大于单个分制冷系统的最大频率；

若是，则控制两个分制冷系统分别以启动频率/2运行；

若否，则控制单个分制冷系统以启动频率运行。

5.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：所述控制板根据目标频率控制两个分制冷系统运行具体包括：

判断所述目标频率是否大于单个分制冷系统的最大频率；

若是，则控制两个分制冷系统分别以目标频率/2运行；

若否，则控制单个分制冷系统以目标频率运行。

6.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：所述根据冷却板实际温度和设定目标温度的温差确定启动频率，具体包括：

获取冷却板的实际温度；

计算冷却板的实际温度和设定目标温度的温差；

将所述温差转换为AD值，查询预设的温差AD值-启动频率对照表，获得启动频率。

7.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：在所述制冷系统的冷却板上设置有电加热器；

在所述根据冷却板实际温度和设定目标温度的温差确定启动频率之前，所述方法还包括：

在被冷却设备启动之前，判断冷却板实际温度是否小于最小设定温度；

若是，则控制板启动电加热器，对冷却板进行预热，直至被冷却设备正常运行。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：所述控制板启动电加热器具体包括：

控制板采用PWM控制电加热器的输出功率，占空比为100%。

9.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：在所述制冷系统的冷却板上设置有电加热器；

在所述控制板根据启动频率控制两个分制冷系统运行之前，所述方法还包括：

判断所述制冷负载是否小于单个分制冷系统以最低频率运行时的制冷量；

若是，则控制板启动电加热器，进行热量补偿。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于：所述控制板启动电加热器具体包括：

控制板采用PWM控制电加热器的输出功率，0占空比启动，根据冷却板实际温度和设定目标温度的温差调整占空比。