CN109724280B - 一种多温段主控式的冷液机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多温段主控式的冷液机，包括有组合水箱、三通比例调节阀、主循环泵、热负载、辅助循环泵、旁通卸压阀、电动调节阀、混合管、制冷循环泵、换热器、压缩制冷机组、冷却液和若干温度传感器等组成，分别形成冷却液主循环、冷却液辅循环、冷却液制冷循环和压缩机制冷循环。经过热负载的高温冷却液通过四种循环组合和控制，实现三温段控制，即前段通过电动调节阀将高温冷却液和来自组合水箱A区的低温冷却液，在混合管内实现首段混合控制；中段通过组合水箱A区、B区、C区及旁通卸压阀来缓冲和调节；末段通过组合水箱A区和C区的冷却液再次比例混合输出，从而最终实现精确控温和快速响应。
Description
技术领域
本发明涉及冷液机领域，具体是一种具有蓄冷功能的多温段主控式的冷液机。
背景技术
具有蓄冷功能的冷液机是近年来越来越受到关注，特别在高能激光、电磁脉冲和高精度电子设备等热管理系统中，通常会遇到间歇性工作或热负载波动情况下，仍然需要高精度控温和供液。这类冷液机，以往会采用大容量蓄冷水箱或大容量变载压缩机组来实现，而现在因受到空间、能耗等限制，不得不向小型化、节能化方向发展。
目前，具有蓄冷功能的高精度冷液机通常依据使用条件会采用不同浓度的乙二醇水溶液等作为冷却液，其比热容相对去离子水更小，从而使蓄冷能力进一步恶化。在蓄冷水箱变小，冷却液的蓄冷能力又变小的情况下，势必造成供液温度波动加大，即无法满足控温精度要求，如某些激光类冷却设备需要控温精度满足±1.5 ℃，有时甚至高达±0.1 ℃~±0.2 ℃。目前，常用的一种方法是采用冷水箱、热水箱+三通比例调节方式来实现，但是对于这些高精密设备，由于热负载的突然加载或减载，用一组三通比例调节往往受到自身灵敏度影响，也无法实现。例如，一个热负载为100 kW，泵等产生附加热量为10 kW，供液温度为25 ℃，供液流量为22 m3/h(6.11 L/s),冷却液为66 %乙二醇水溶液，冷水箱（－5℃）容量800 kg（蓄冷约71304 kJ），热水箱（25 ℃）容量为200 kg。经热负载后，温升△t =(100+10)×3600/(3.3038×1088×22)=5.0 ℃。若此时热水箱温度升到30 ℃，需要从冷水箱获取冷量110 kJ/s，相当于－5 ℃的冷却液1.12 L/s，约占总供液流量的18.3 %，此时三通比例调节阀（线性）需要在1s内完成，而目前快开型三通比例调节阀也通常需要12s左右，响应几乎慢了2倍以上。很容易使供液温度超出±2.0℃。所以需要一种多温段、逐步缓冲和递进的方式，来实现供液温度的快速响应和控温精度要求。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术存在的问题，提供一种结构紧凑，具有高效、可控、快速响应的多温段主控式的冷液机，综合利用前段、中段和末段控制策略和设计容量，能实现高精度控温需求。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种多温段主控式的冷液机，其特征在于：包括组合水箱、热负载、三通比例调节阀、主循环泵、换热器、制冷循环泵、压缩制冷机组，所述组合水箱内被隔分为A、B、C三个区，且A、B、C三个区依次顺序连通，所述热负载的冷却液出口端通过管路与组合水箱中C区连通，组合水箱中A区、C区还分别通过管路与三通比例调节阀的两个阀口一一对应连通，三通比例调节阀的第三个阀口通过管路与主循环泵的进口端连通，主循环泵的出口端通过管路与热负载的冷却液进口端连通，由此构成冷却液主循环；
所述组合水箱的A区还通过管路与一个辅助循环泵的进口端连通，辅助循环泵的出口端分别通过管路与组合水箱的B区、C区连通，由此以及组合水箱内部的连通构成冷却液辅循环；
所述制冷循环泵的进口端通过管路与组合水箱的A区连通，制冷循环泵的出口端通过管路与换热器的冷却液进口端连通，换热器的冷却液出口端通过管路与组合水箱的A区连通，由此构成冷却液制冷循环；
所述压缩制冷机组的进口端通过管路与换热器的制冷剂出口端连通，压缩制冷机组的出口端通过管路与换热器的制冷剂进口端连通，由此构成压缩机制冷循环。
所述的一种多温段主控式的冷液机，其特征在于：冷却液主循环中热负载、冷却液辅循环中的辅助循环泵共用一个三通的混合管连通组合水箱的C区，即热负载的冷却液出口端通过管路与混合管的一个管口连通，辅助循环泵的出口端通过管路与混合管的另一个管口连通，混合管的第三个管口连通至组合水箱的C区。
所述的一种多温段主控式的冷液机，其特征在于：辅助循环泵向组合水箱的C区连通的管路上安装有电动调节阀。
所述的一种多温段主控式的冷液机，其特征在于：辅助循环泵向组合水箱的B区连通的管路上安装有旁通卸压阀。
所述的一种多温段主控式的冷液机，其特征在于：三通比例调节阀的初始状态为连通主循环泵和组合水箱的C区。
本发明的蓄冷准备阶段，进一步阐述如下：
先检测水箱各区温度，若水箱各区温度偏高，则开启冷却液制冷循环和压缩机制冷循环，使组合水箱A区的冷却液逐步达到设定的最低蓄冷温度。在组合水箱A区温度较低时，开启辅助循环泵，通过开启电动调节阀将C区的冷却液温度TC最低调至供液温度T1，通过旁通卸压阀将B区的冷却液温度TB最低调至低温冷却液TA，然后辅助循环泵停止工作，完成蓄冷阶段工作。此时，组合水箱A区和B区共同参与蓄冷，实现有限空间下的最大蓄冷。
本发明的放冷工作阶段，进一步阐述如下：
先确认三通比例调节阀初始位置，即将冷却液通道全部切换至组合水箱C区。然后开启主循环泵，待T1温度、T2温度、供液流量和压力稳定且符合要求后，再正式开启热负载。在调节过程中，在前段先调节电动调节阀，并在混合管内实现首段混合，在中段冷却液再经C区→B区→A区，在末段调节三通比例调节阀，最终使供液温度的波动控制在设计范围内。在具体控制策略上，可采用毫秒级（如10 ms~100 ms）的温度或速率检测，运用PID、模糊控制理论和具体算法等，使控温精度进一步提高。
本发明的有益效果：
1、本发明充分利用多温段控制技术和水箱的缓冲作用，实现高精确控温需求。
2、本发明充分利用现有的调节阀，结合毫秒级的检测与控制策略，实现快速响应。
3、本发明的结构可小型化、模块化，可有效满足高能量、热密度、间歇性的散热需求。
4、本发明在冷却液主循环不开启情况下，实现最大蓄冷。
5、本发明投入成本相对较低，易于实现。
附图说明
图1是本发明结构原理示意图。
实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，一种多温段主控式的冷液机，包括组合水箱1、热负载4、三通比例调节阀2、主循环泵3、换热器21、制冷循环泵20、压缩制冷机组22，组合水箱1内被隔分为A、B、C三个区1.1、1.2、1.3，且A、B、C三个区1.1、1.2、1.3依次顺序连通，热负载4的冷却液出口端通过管路与组合水箱1中C区1.3连通，组合水箱中A区1.1、C区1.3还分别通过管路与三通比例调节阀2的两个阀口一一对应连通，三通比例调节阀2的第三个阀口通过管路与主循环泵3的进口端连通，主循环泵3的出口端通过管路与热负载4的冷却液进口端连通，由此构成冷却液主循环，如图1中所示；
组合水箱1的A区1.1还通过管路与一个辅助循环泵10的进口端连通，辅助循环泵10的出口端分别通过管路与组合水箱1的B区1.2、C区1.3连通，由此以及组合水箱1内部的连通构成冷却液辅循环，如图1中所示；
制冷循环泵20的进口端通过管路与组合水箱1的A区1.1连通，制冷循环泵20的出口端通过管路与换热器21的冷却液进口端连通，换热器21的冷却液出口端通过管路与组合水箱1的A区1.1连通，由此构成冷却液制冷循环，如图1中所示；
压缩制冷机组22的进口端通过管路与换热器21的制冷剂出口端连通，压缩制冷机组22的出口端通过管路与换热器21的制冷剂进口端连通，由此构成压缩机制冷循环，如图1中所示。
冷却液主循环中热负载4、冷却液辅循环中的辅助循环泵10共用一个三通的混合管13连通组合水箱1的C区1.3，即热负载4的冷却液出口端通过管路与混合管13的一个管口连通，辅助循环泵10的出口端通过管路与混合管13的另一个管口连通，混合管13的第三个管口连通至组合水箱1的C区1.3。
辅助循环泵10向组合水箱1的C区1.3连通的管路上安装有电动调节阀12。
辅助循环泵10向组合水箱1的B区1.2连通的管路上安装有旁通卸压阀11。
三通比例调节阀2的初始状态为连通主循环泵和组合水箱的C区1.3。
本发明包括有组合水箱1、三通比例调节阀2、主循环泵3、热负载4、辅助循环泵10、旁通卸压阀11、电动调节阀12、混合管13、制冷循环泵20、换热器21、压缩制冷机组22、冷却液和若干温度传感器等组成，分别形成冷却液主循环、冷却液辅循环、冷却液制冷循环和压缩机制冷循环，经热负载4的高温冷却液T2和来自组合水箱A区1.1的低温冷却液TA，在混合管13内实现首段混合，并进入组合水箱C区1.3进一步混合形成TC冷却液，经组合水箱C区1.3下部通孔进入组合水箱B区1.2，并与旁通卸压阀11来的低温冷却液TA进行再混合形成TB冷却液，再经组合水箱B区1.2上部的通孔进入到组合水箱A区1.1，此时将组合水箱A区1.1冷却液TA和C区1.3冷却液TC经三通比例调节阀2再次混合形成所需的供液温度T1冷却液，即完成冷却液主循环控制。所述多温段，前段核心通过电动调节阀12控制，中段通过设计组合水箱各区容量及旁通卸压阀11来缓冲和调节，末段通过三通比例调节阀2控制。
冷却液辅循环是利用辅助循环泵10从组合水箱A区1.1吸入低温冷却液TA后，出口分2路，第1路接电动调节阀12入口端，电动调节阀12出口端接混合管13入口端，混合管13出口端接组合水箱C区；第2路接旁通卸压阀11入口端，旁通卸压阀11出口端接组合水箱B区1.2。在蓄冷准备阶段，通过电动调节阀12将C区1.3的冷却液温度TC最低调至T1，通过旁通卸压阀11将B区1.2的冷却液温度TB最低调至TA，完成蓄冷工作。
组合水箱1由A区1.1、B区1.2和C区1.3组成，分别形成TA、TB、TC三种温度，其中A区1.1温度最低，它是由冷却液制冷循环和压缩机制冷循环共同实现；C区1.3温度最高，热负载4工作时它是由高温冷却液T2和低温冷却液TA首段混合而成；组合水箱A区1.1和B区1.2在上部有通连，组合水箱B区1.2和C区1.3在下部有通连，A和C区在下部外部是有一个三通比例调节阀2连接，这个阀的初始位置只连通C区与主循环泵3。
压缩制冷机组22的出口接所述换热器21的1个入口，换热器21的1个出口接压缩制冷机组22的入口，组成压缩制冷循环；制冷循环泵20的出口接所述换热器21另1个入口，换热器21另1个出口接组合水箱A区1.1入口，组成冷却液制冷循环。
三通比例调节阀2初始位置连通主循环泵3和组合水箱C区1.3。
具体工作通常包括蓄冷准备阶段和放冷工作阶段：
在蓄冷准备阶段，先通过温度传感器检测水箱各区温度，若水箱各区温度偏高，则开启冷却液制冷循环和压缩机制冷循环，使组合水箱A区1.1的冷却液逐步达到设定的最低蓄冷温度TA。在组合水箱A区1.1温度较低时，开启辅助循环泵10，通过开启电动调节阀12将C区1.3的冷却液温度TC最低调至供液温度T1，通过旁通卸压阀11将B区1.2的冷却液温度TB最低调至低温冷却液TA，然后辅助循环泵停止工作，完成蓄冷阶段工作。此时，组合水箱A区1.1和B区1.2共同参与蓄冷，实现有限空间下的最大蓄冷。
在放冷工作阶段，先确认三通比例调节阀2初始位置，即将冷却液通道全部切换至组合水箱C区1.3。然后开启主循环泵3，待T1温度、T2温度、供液流量和压力稳定且符合要求后，再正式开启热负载4。在调节过程中，在前段先调节电动调节阀12，并在混合管13内实现首段混合，在中段冷却液再经C区1.3→B区1.2→A区1.1，在末段调节三通比例调节阀3，最终使供液温度的波动控制在设计范围内。在具体控制策略上，可采用毫秒级（如10 ms~100ms）的温度或速率检测，运用PID、模糊控制理论和具体算法等，使控温精度进一步提高。
组合水箱A区1.1、B区1.2和C区1.3，在具体实施时可采用整体结构中间加隔板形式完成，也可以采用3个相对独立的水箱并通过中间管路连接完成。
辅助循环泵10在具体实施中若采用变频泵，则可以省去电动调节阀12来调节。
以上实施方式仅为本发明的优选实施方式，但本发明不限于上述实施方式，对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都属于本发明的构思和所附权利要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种多温段主控式的冷液机，其特征在于：包括组合水箱、热负载、三通比例调节阀、主循环泵、换热器、制冷循环泵、压缩制冷机组，所述组合水箱内被隔分为A、B、C三个区，且A、B、C三个区依次顺序连通，所述热负载的冷却液出口端通过管路与组合水箱中C区连通，组合水箱中A区、C区还分别通过管路与三通比例调节阀的两个阀口一一对应连通，三通比例调节阀的第三个阀口通过管路与主循环泵的进口端连通，主循环泵的出口端通过管路与热负载的冷却液进口端连通，由此构成冷却液主循环；
所述组合水箱的A区还通过管路与一个辅助循环泵的进口端连通，辅助循环泵的出口端分别通过管路与组合水箱的B区、C区连通，由此以及组合水箱内部的连通构成冷却液辅循环；
所述制冷循环泵的进口端通过管路与组合水箱的A区连通，制冷循环泵的出口端通过管路与换热器的冷却液进口端连通，换热器的冷却液出口端通过管路与组合水箱的A区连通，由此构成冷却液制冷循环；
所述压缩制冷机组的进口端通过管路与换热器的制冷剂出口端连通，压缩制冷机组的出口端通过管路与换热器的制冷剂进口端连通，由此构成压缩机制冷循环；
冷却液主循环中热负载、冷却液辅循环中的辅助循环泵共用一个三通的混合管连通组合水箱的C区，即热负载的冷却液出口端通过管路与混合管的一个管口连通，辅助循环泵的出口端通过管路与混合管的另一个管口连通，混合管的第三个管口连通至组合水箱的C区。
2.根据权利要求1所述的一种多温段主控式的冷液机，其特征在于：辅助循环泵向组合水箱的C区连通的管路上安装有电动调节阀。
3.根据权利要求1所述的一种多温段主控式的冷液机，其特征在于：辅助循环泵向组合水箱的B区连通的管路上安装有旁通卸压阀。
4.根据权利要求1所述的一种多温段主控式的冷液机，其特征在于：三通比例调节阀的初始状态为连通主循环泵和组合水箱的C区。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Denomination of invention: A multi temperature stage master controlled refrigeration machine Granted publication date: 20240220 Pledgee: Hefei Binhu fountainhead financing Company limited by guarantee Pledgor: Hefei Swan Refrigerator Technology Co., Ltd. Registration number: Y2024980030321 |