CN106569524B - 一种冷板蒸发器冷媒冷却系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷板蒸发器冷媒冷却系统，包括控制单元和冷却回路，所述冷却回路包括依次连接的压缩组件、冷凝组件、第一开关组件和冷板蒸发器，所述冷板蒸发器上的功率模块上设置有功率检测件，所述控制单元与所述功率检测件和压缩组件相连，用于根据功率检测件检测的功率模块的输入功率控制所述压缩组件的制冷量。本发明还公开了一种基于如上所述的冷板蒸发器冷媒冷却系统的控制方法，步骤为：S01、开始，实时检测所述冷板蒸发器上功率模块的输入功率；S02、根据所述输入功率对压缩组件的制冷量进行调节。本发明的冷却系统及控制方法均具有响应速度快以及控制精准等优点。

Description

一种冷板蒸发器冷媒冷却系统及其控制方法

技术领域

本发明主要涉及散热技术领域，特指一种冷板蒸发器冷媒冷却系统及其控制方法。

背景技术

电力电子器件等功率器件的散热装置中，利用冷媒对冷板进行冷却是一种非常有效的形式。冷媒冷却系统一般包括压缩机、蒸发器、冷凝器和节流机构，冷媒通过在系统中的循环流动和状态变化来实现制冷的功能。使用时，压缩机将低温低压的冷媒压缩成高温高压的冷媒，经由冷凝器散热后，气态冷媒变为液态冷媒，由节流机构降压后闪蒸为两相态，进入蒸发器后吸热而使被冷却物体降温，再被压缩机吸入后进入另一下循环。通过制冷循环的连续制冷效果，得以用来做各种低温冷却的要求。对于应用冷媒系统进行散热的功率器件，如变频器IGBT模块，模块安装在冷板散热器上（系统中存在多块冷板），传统的控制方法是系统以蒸发器出口过热度来控制系统中电子膨胀阀的开度，以冷板温度来控制压缩机的转速，以排气压力来控制冷凝风机的转速。在此系统中，由于过热度将导致出口冷板处温度极易发生波动，可能导致器件超温；同样当模块输入功率增加导致产热量增加时，反映在冷板温度变化上存在一个滞后的现象，此时系统以冷板温度作为压缩机转速控制的因素，则同样会导致压缩机控制滞后，从而使冷板温度难以控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、响应速度快的冷板蒸发器冷媒冷却系统，并相应提供一种响应速度快的控制方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种冷板蒸发器冷媒冷却系统，包括控制单元和冷却回路，所述冷却回路包括依次连接的压缩组件、冷凝组件、第一开关组件和冷板蒸发器，所述冷板蒸发器上的功率模块上设置有功率检测件，所述控制单元与所述功率检测件和压缩组件相连，用于根据功率检测件检测的功率模块的输入功率控制所述压缩组件的制冷量。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述压缩组件的输入端设置有用于检测压缩组件吸气压力的吸气压力传感器，所述控制单元与吸气压力传感器相连，用于根据吸气压力值调整所述压缩组件的转速。

所述冷板蒸发器的出口设置有用于检测出口冷媒温度的第一温度检测件，所述控制单元与第一温度检测件和第一开关组件相连，用于根据第一温度检测件检测的温度控制所述第一开关组件的开度。

所述冷板蒸发器并联有用于调节冷板蒸发器所处环境温度的温度调节组件。

所述温度调节组件包括环境蒸发器、第二开关组件和第二温度检测件，所述环境蒸发器和第二开关组件串联后与所述冷板蒸发器和第一开关组件并联；所述第二温度检测件安装于所述冷板蒸发器和环境蒸发器的总出口处，用于检测总出口处的冷媒温度，所述控制单元分别与第二温度检测件和第二开关组件相连、用于根据第二温度检测件的冷媒温度和吸气压力值控制所述第二开关组件的开度。

所述冷凝组件包括冷凝器和冷凝风机，所述冷凝器的出口处设置有用于检测冷媒压力的压力检测件，所述控制单元分别与压力检测件和冷凝风机相连、用于根据所述压力检测件检测的压力值调整所述冷凝风机的转速。

所述冷板蒸发器与所述压缩组件之间设置有气液分离器。

本发明还公开了一种基于如上所述的冷板蒸发器冷媒冷却系统的控制方法，步骤为：

S01、开始，实时检测所述冷板蒸发器上功率模块的输入功率；

S02、根据所述输入功率对压缩组件的制冷量进行调节。

作为上述技术方案的进一步改进：

检测所述压缩组件的吸气压力，根据吸气压力和输入功率同时对压缩组件的制冷量进行调节。

每隔预定时间对压缩组件的吸气压力进行检测。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的冷板蒸发器冷媒冷却系统，通过对冷板蒸发器上功率模块的输入功率来调节压缩组件的制冷量，极大的加快了压缩组件的控制速度，提高了冷板温度的控制精度，克服现有由于输入功率的变化而导致冷板温度变化，再由冷板温度控制压缩机制冷量过程中的滞后问题。同时，配合压缩组件的吸气压力检测，能够对压缩组件的制冷量进行精准调节。本发明的控制方法同样具有如上冷却系统所述的优点。

附图说明

图1为本发明冷却系统的方框结构图。

图2为本发明的控制方法流程图。

图中标号表示：1、压缩机；2、冷凝器；3、冷凝风机；4、高压传感器；5、环境支路电子膨胀阀；6、冷板支路电子膨胀阀；7、蒸发器风机；8、环境蒸发器；9、电压传感器；10、电流传感器；11、冷板蒸发器；12、热电偶；13、感温包；14、吸气感温包；15、气液分离器；16、吸气压力传感器；17、控制器。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，本实施例的冷板蒸发器冷媒冷却系统，包括控制单元（如控制器17）和冷却回路，冷却回路包括依次连接的压缩组件（如压缩机1）、冷凝组件、第一开关组件和冷板蒸发器11，冷板蒸发器11上的功率模块上设置有功率检测件，控制器17与功率检测件和压缩机1相连，用于根据功率检测件检测的功率模块的输入功率控制压缩机1的制冷量。本发明的冷板蒸发器冷媒冷却系统，通过对冷板蒸发器11上功率模块的输入功率来调节压缩机1的制冷量，极大的加快了压缩机1的控制速度，提高了冷板温度的控制精度，克服现有由于输入功率的变化而导致冷板温度变化，再由冷板温度控制压缩机1制冷量过程中的滞后问题。

本实施例中，压缩机1的输入端设置有用于检测压缩机1吸气压力的吸气压力传感器16，控制器17与吸气压力传感器16相连，用于根据吸气压力值调整压缩机1的转速，保证制冷量的精准控制。

本实施例中，冷板蒸发器11的出口设置有用于检测出口冷媒温度的第一温度检测件（图1中的感温包13），控制器17与感温包13和第一开关组件（图1中的冷板支路电子膨胀阀6）相连，用于根据感温包13检测的温度控制冷板支路电子膨胀阀6的开度，以保证冷板表面温度满足温度适宜且均匀的工作条件。

本实施例中，冷板蒸发器11并联有用于调节冷板蒸发器11所处环境温度的温度调节组件。温度调节组件包括环境蒸发器8、蒸发器风机7、第二开关组件（环境支路电子膨胀阀5）和第二温度检测件（吸气感温包14），环境蒸发器8和环境支路电子膨胀阀5串联后与冷板蒸发器11和冷板支路电子膨胀阀6并联；吸气感温包14安装于冷板蒸发器11和环境蒸发器8的总出口处，用于检测总出口处的冷媒温度，控制器17分别与吸气感温包14和环境支路电子膨胀阀5相连、用于根据吸气感温包14的冷媒温度和吸气压力值控制环境支路电子膨胀阀5的开度，以使冷板蒸发器11工作于一定的温度和湿度条件下。另外在冷板的表面设置有热电偶12，对其温度进行实时监控，保证其可靠稳定工作。

本实施例中，冷凝组件包括冷凝器2和冷凝风机3，冷凝器2的出口处设置有用于检测冷媒压力的压力检测件（图1中的高压传感器4），控制器17分别与高压传感器4和冷凝风机3相连、用于根据高压传感器4检测的压力值调整冷凝风机3的转速，保证系统的工作工况稳定。

本实施例中，冷板蒸发器11与压缩机1之间设置有气液分离器15，保证压缩机1的吸气口不含液体。

工作过程：压缩机1将低温低压的吸气压缩成高温高压的气体后排入冷凝器2，通过冷凝风机3带动外界空气对气体降温，使气体冷凝为液态，冷凝器2出口管布置有高压传感器4，用以监测高压端的状态变化；节流装置分布在每一个蒸发器的入口前，通过三通与冷凝器2出口相连；并联的蒸发器包括一个环境蒸发器8和一个特殊的冷板蒸发器11，且环境支路电子膨胀阀5控制环境蒸发器8中制冷剂的流量，冷板支路电子膨胀阀6用来控制冷板蒸发器11中制冷剂的流量，并用电压传感器9和电流传感器10反馈冷板上模块的输入电压和电流，且冷板蒸发器11表面上分布着热电偶12，以监测冷板表面的温度，同时冷板内冷媒管道上布置感温包13来测量冷板蒸发器11出口冷媒的温度；系统吸气管道上布置感温包13测量蒸发器总管路上的冷媒出口温度；通过气液分离器15将多路冷媒汇流后吸入压缩机1，吸气进口布置吸气压力传感器16来监测流体状态；系统中各传感器及感温包均接入控制器17，通过相应的算法控制系统中各电子膨胀阀、压缩机1和冷凝风机3的运行状态。

如图2所示，本发明还公开了一种基于如上所述冷板蒸发器冷媒冷却系统的控制方法，步骤为：

S01、开始，实时检测冷板蒸发器11上功率模块的输入功率；

S02、根据输入功率对压缩机1的制冷量进行调节。

下面对控制方法做进一步的描述：

为了控制压缩机1的转速，使系统的负荷与压缩机1的制冷量相匹配，需要的参数有：压缩机1的吸气压力和模块（如IGBT模块）的输入功率，其中模块的输入功率由模块输入电压传感器9和模块输入电流传感器10所测数据经公式计算得到，计算公式内嵌入控制器17。电压传感器9和电流传感器10采集到模块的输入电压和电流后，将值传递给控制器17，控制器17计算出模块的输入功率后对压缩机1的制冷量（具体为转速）进行粗调，如果模块的输入功率增加则增大压缩机1的转速，反之则减小，模块的输入功率前馈控制将极大的加快压缩机1的控制速度，克服由于输入功率的变化而导致冷板温度变化，再由冷板温度控制压缩机1转速过程中的滞后问题。同时，吸气压力传感器16每隔设定的时间（如5s）采集压缩机1吸气压力，将其与控制器17中设定的目标压力进行比较，对压缩机1转速进行细调，如果测量压力大于目标压力，则压缩机1转速升高，反之降低。模块的输入功率前馈控制与吸气压力反馈控制相结合的方式保证了系统控制的反应速度以及确保了系统负荷与压缩机1制冷量的匹配。

另外，为了控制系统中并联部分的两个支路的电子膨胀阀的开度，首先对于冷板支路电子膨胀阀6，为了使冷板表面温度满足温度适宜且均匀的工作条件，最好能保证冷板的出口冷媒为饱和状态，将冷板出口的目标温度设为压缩机1吸气压力所对应的饱和温度的数值，若冷板的出口冷媒的真实测量值大于目标饱和温度，即存在过热度，则增大冷板支路电子膨胀阀6的开度，反之则减小其开度，同时安置热电偶12来监视冷板表面温度。对于环境支路电子膨胀阀5，环境蒸发器8用于对冷板所处环境进行调控，使冷板能在一定的温度和湿度条件下运行，且为了满足压缩机1吸气口不含液，除设置有气液分离器15外，还需要对蒸发器组出口的冷媒状态进行控制。采用感温包13测量总出口冷媒的温度，同时根据吸气压力传感器16的数值，将两个检测数值传递给控制器17，在控制器17中计算出总的出口过热度，将实际过热度与目标过热度进行比较，若实际过热度大于目标过热度，则增加环境支路电子膨胀阀5的开度，否则减小环境支路电子膨胀阀5的开度，从而防止了由于冷板蒸发器11支路中冷媒流量过多时，造成总出口含液的问题。

进一步地，为了确保系统的工作工况稳定，利用冷凝风机3调控系统的高压压力，采用高压传感器4检测高压压力值，若实测值较目标值大则增大冷凝风机3的转速，否则减小冷凝风机3的转速。

本发明的控制方法，采用模块输入功率前馈控制，提高了系统控制的响应速度；通过对各个状态点的控制，使得系统中冷板蒸发器11的出口温度及并联蒸发器组的总出口过热度适宜，既保证了冷板的温度，又确保了压缩机1入口不带液，提高了系统运行的稳定性及准确性。本发明的冷却系统及控制方法不仅适用于两个蒸发器的系统，同时也适用于多个蒸发器的系统。

本发明的控制方法对压缩机1采用功率前馈控制和吸气压力反馈控制相结合的方式，使系统的反应能够根据功率变化快速反应，同时又能针对整个蒸发器组进行负荷调试，增加了系统控制的快速性和准确性；采用电子膨胀阀对各个蒸发器支路的流量分别进行控制，其中冷板蒸发器11采用冷媒出口温度单独控制，确保了冷板温度合适，同时用蒸发器组总出口冷媒过热度来控制环境支路电子膨胀阀5的开度，确保压缩机11吸气不带液。环境蒸发器支路不仅能调节冷板的环境温度，而且能确保压缩机11吸气不带液。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种冷板蒸发器冷媒冷却系统，其特征在于，包括控制单元和冷却回路，所述冷却回路包括依次连接的压缩组件、冷凝组件、第一开关组件和冷板蒸发器（11），所述冷板蒸发器（11）上的功率模块上设置有功率检测件，所述控制单元与所述功率检测件和压缩组件相连，用于根据功率检测件检测的功率模块的输入功率控制所述压缩组件的制冷量；所述冷凝组件包括冷凝器（2）和冷凝风机（3），所述冷凝器（2）的出口处设置有用于检测冷媒压力的压力检测件，所述控制单元分别与压力检测件和冷凝风机（3）相连、用于根据所述压力检测件检测的压力值调整所述冷凝风机（3）的转速。

2.根据权利要求1所述的冷板蒸发器冷媒冷却系统，其特征在于，所述压缩组件的输入端设置有用于检测压缩组件吸气压力的吸气压力传感器（16），所述控制单元与吸气压力传感器（16）相连，用于根据吸气压力值调整所述压缩组件的转速。

3.根据权利要求2所述的冷板蒸发器冷媒冷却系统，其特征在于，所述冷板蒸发器（11）的出口设置有用于检测出口冷媒温度的第一温度检测件，所述控制单元与第一温度检测件和第一开关组件相连，用于根据第一温度检测件检测的温度控制所述第一开关组件的开度。

4.根据权利要求2或3所述的冷板蒸发器冷媒冷却系统，其特征在于，所述冷板蒸发器（11）并联有用于调节冷板蒸发器（11）所处环境温度的温度调节组件。

5.根据权利要求4所述的冷板蒸发器冷媒冷却系统，其特征在于，所述温度调节组件包括环境蒸发器（8）、第二开关组件和第二温度检测件，所述环境蒸发器（8）和第二开关组件串联后与所述冷板蒸发器（11）和第一开关组件并联；所述第二温度检测件安装于所述冷板蒸发器（11）和环境蒸发器（8）的总出口处，用于检测总出口处的冷媒温度，所述控制单元分别与第二温度检测件和第二开关组件相连、用于根据第二温度检测件的冷媒温度和吸气压力值控制所述第二开关组件的开度。

6.根据权利要求1至3中任意一项所述的冷板蒸发器冷媒冷却系统，其特征在于，所述冷板蒸发器（11）与所述压缩组件之间设置有气液分离器（15）。

7.一种基于权利要求2至6中任意一项所述的冷板蒸发器冷媒冷却系统的控制方法，其特征在于，步骤为：

S01、开始，实时检测所述冷板蒸发器（11）上功率模块的输入功率；

S02、根据所述输入功率对压缩组件的制冷量进行调节。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，检测所述压缩组件的吸气压力，根据吸气压力和输入功率同时对压缩组件的制冷量进行调节。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，每隔预定时间对压缩组件的吸气压力进行检测。