CN111263570B - 一种微流道散热的自控系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微流道散热的自控系统与方法，包括微流道散热回路及自抗扰热控系统，本散热系统在关键换热位置布置两个分形微流道换热器强化换热，并通过两条副回流管路进行单相液冷介质的二次回流换热，同时利用仿生传热骨架增强系统对外散热效率。在控制策略上，将自抗扰控制原理运用于散热控制系统，形成了独特的三阶抗扰子系统协同散热的策略，由状态观测器ESO对系统散热状态进行实时监测并计算状态量预估，再由主控回路及时切换控制模式并协同调配三阶抗扰子系统，自动适应和补偿因扰动引起的散热对象状态波动，在增强散热系统抗扰能力的同时降低了系统的整体能耗，整个微流道散热系统调节灵活，调峰量大，实用性强、能量利用率高，具有广阔的运用前景。

Description

一种微流道散热的自控系统与方法

技术领域

本发明涉及一种微流道散热的自控系统与方法，具体涉及的是一种为适应外界瞬态高热流而设计的具有三阶抗扰子系统协同散热特征的微流道散热自控系统与方法。

背景技术

随着电子技术在军事、医疗、通信及生产生活方面的广泛运用与发展，电子设备的性能及功耗大幅上升，同时，电子器件的体积也在向越来越小的方向发展，而对于例如半导体激光设备、电磁脉冲设备、激光炮等伴随着瞬态高热流散热的运用场景，其短时间的散热密度甚至超过150W/cm²，且设备的散热负荷也与设备的运行工况强相关。在这种情况下，传统的单一散热系统难以在系统能量利用率较高的情况下应对动态输入的瞬态高热流。

而微流道散热器由于具有体积小、结构紧凑、传热性能高等特点，已在航空航天领域中得到应用与发展。研究显示，分形微流道由于其独特的结构特性，往往能够在改善流体流动特性及强化传热方面起到意想不到的效果。另外，由于瞬态高热流对于散热系统来说属于外部大扰动，普通的单一散热系统调节范围窄，无法及时消除脉冲高热流对于设备的过温影响；另外，普通散热控制系统在面对系统内部或外部的未知扰动的干扰时，往往无法快速准确地跟踪扰动的动态变化，经常存在调节滞后或频繁往复调节的情况，所以系统稳定性较差，且调控过程耗能巨大。鉴于此，本发明在利用微流道强化散热的基础上同时引入了自抗扰控制的理论，利用自抗扰控制自动抵抗和削弱外部扰动的特性对未知大扰动进行提前补偿，并采用三阶抗扰子系统协同散热的控制策略，大大提高了散热系统的调峰量，加快了微流道散热系统的响应速率及稳定性，改善了散热系统的能量利用效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对目前瞬态高热流散热设备存在的上述不足而提供的一种具有三阶抗扰子系统协同散热特征的微流道散热自控系统与方法。在结构上，本发明利用了分形微流道提高单相液冷介质在循环管路中换热强度的特征，并通过副回流管路进行液冷介质的二次回流换热，进一步提高换热系数，同时利用仿生传热骨架增强系统对外散热效率。在控制策略上，本发明在结合系统自身散热特性的基础上，运用自抗扰控制自动抵抗和削弱外部扰动，对未知大扰动进行提前补偿，形成了独特的三阶抗扰子系统协同散热的策略，增强了散热系统的抗扰能力，并同时降低了散热系统的整体能耗。整个微流道散热系统调节灵活，调峰量大，能量利用率高，具有广阔的运用前景。

为实现本发明目的，所采用的技术方案是：

一种微流道散热的自控系统与方法，包括微流道散热回路及自抗扰热控系统，所述的微流道散热回路包括液冷管路、分形微流道换热器、热吸收器及冷补偿器，所述的液冷管路内充满单相液冷介质，所述的单相液冷介质以所述的分形微流道换热器为主要换热场所，并在所述的液冷管路中循环流动，将散热对象产生的热负荷源源不断地转移至所述的热吸收器和所述的冷补偿器中，所述的微流道散热回路在所述的自抗扰热控系统的监测及管理下对所述的散热对象进行主动抗扰散热，其特征在于：所述的液冷管路包括单向主循环管路、副回流管路及冷补偿器旁通管路，所述的副回流管路将经过所述的分形微流道换热器完成换热后的部分所述的单相液冷介质引回所述的分形微流道换热器上游进行二次换热，增加了所述分形微流道换热器中的换热流量；所述的分形微流道换热器数量为二，其中一个与所述的散热对象紧密相连，另一个与所述的热吸收器紧密相连，以强化关键换热位置的散热效率，所述的分形微流道换热器外壳为扁平的方形腔体，内部按照分形级数的规律形成格栅分形槽道，以加强所述的单相液冷介质在所述的方形腔体中的换热强度；所述的热吸收器外部为一方形壳体，内部放置具有准蜂窝状特征的仿生传热骨架，并在所述的仿生传热骨架周围填充固液相变介质，以吸收从所述的分形微流道换热器传递过来的热量；所述的自抗扰热控系统包括自抗扰主控单元及三阶抗扰子系统，所述的自抗扰主控单元实时监测所述的微流道散热回路的散热状态，并根据抗扰效果自动主动协同调配所述的三阶抗扰子系统，以实现散热效果及节能效果的综合最优。

在所述的分形微流道换热器中，所述的方形腔体四周完全封闭，另外两侧与所述的液冷管路相连以构成封闭的流体循环通路。为了提高关键换热位置的散热效率，所述的方形腔体顶部与所述的热吸收器的底部或与所述的散热对象紧密相连。本发明共包含两个所述分形微流道换热器，其中一个所述的分形微流道换热器从所述的散热对象吸热，另一个所述的分形微流道换热器通过面-面接触的方式并将热量传导至所述的热吸收器。所述分形微流道换热器内部空间由凸出的阵列方块分割形成所述的格栅分形槽道，所述的格栅分形槽道沿着所述方形腔体的长、宽方向进行二维分形，每一维度方向的槽道数量按照公式n＝2^N-1(N为格栅分形级数)随分形级数的增加而增加，同时，每条槽道的宽度按照(t＝Rk^1-N)的关系(R为第1级槽道宽度，k为变化因子)随分形级数的增加而逐渐减小。当所述的单相液冷介质流经所述的格栅分形槽道时，所述的单相液冷介质在纵横交错的槽道结构之间发生激烈的碰撞，内部流体质点之间、流体质点与四周固体壁面之间的相互换热强度均得到大幅增益；另一方面，所述的阵列方块与所述的方形腔体的顶部内表面连成一体，相当于在所述的方形腔体的内表面构筑了多个散热肋片，扩大了所述的单相液冷介质与所述的分形微流道换热器间的换热面积，从而减小了从所述的单相液冷介质到所述的散热对象或到所述的热吸收器间的换热热阻，提高了散热效率。

所述的热吸收器中所述的方形壳体的底部与所述分形微流道换热器中所述的方形腔体的顶部紧密相连，两表面之间无空气间隙，所述的方形壳体中放置所述的仿生传热骨架，所述的仿生传热骨架包含m条(m≥0，取整数)相互平行的均温骨架及m+1组准蜂窝网格骨架，并类比蝴蝶翅膀组织的微观结构进行排布。所述的仿生传热骨架周围填充所述的固液相变介质，在所述的微流道散热回路启动散热前，所述的固液相变介质的温度低于其固液相变点温度，表现为固态；当所述的微流道散热回路启动散热后，所述的热吸收器从所述的微流道换热器中吸收热量，并通过所述的仿生传热骨架迅速地将热量传递至填充于所述仿生腔体中所述的固液相变介质，将大量的热量以相变潜热的方式存储起来，所述的固液相变介质在吸热累积到一定程度后从最初的固态转化为液态。

所述的自抗扰主控单元包括状态观测器ESO及主控回路，所述的状态观测器ESO一方面实时观测散热回路中的温度、热流强度、管路中流体流速、阀门开度等物理信息，并将观测到的物理量进行数字转化；另一方面通过状态空间模型转化及函数求解得到系统状态量预估，再将处理的信息进一步传递给所述的主控回路。所述的主控回路在收到所述的状态观测器ESO传递的信息后，主动评估系统状态对于未知扰动的适应能力，及时调整控制策略，并协调所述的三阶抗扰子系统，自动适应和补偿未知扰动引起的系统状态量波动。

所述的三阶抗扰子系统包含主回路热控、强化回流热控及补充输能热控，所述的主回路热控作用于所述的单向主循环管路，所述的强化回流热控作用于所述的副回流管路，所述的补充输能热控作用于所述的冷补偿器及所述的冷补偿器旁通管路。所述的主回路热控、所述的强化回流热控、所述的补充输能热控从单阶到三阶的多阶叠加，从低到高构成微流道散热系统的多阶散热控制模式。具体表现为：当外部热流强度较小时，所述液冷介质在所述的单向主循环管路及所述的冷补偿器旁通管路中进行单向循环散热，以满足散热要求，所述的强化回流热控及所述的补充输能热控均处于“休眠”状态，无需额外消耗能量；而当外部热流强度继续增加至超过所述的主回路热控的调控能力后，在保证所述的单向主循环管路中的流量最大的情况下，另开启所述的副回流管路以将经过所述分形微流道换热器进行一次换热后的部分单相液冷介质引入上游，并重新进入所述的分形微流道换热器进行二次换热，进一步提高所述的分形微流道换热器的换热能力，此时，所述的主回路热控全开，并叠加所述的强化回流热控实现二阶散热调节，而所述的补充输能热控仍然处于“休眠”状态；当外部热流强度进一步增加，所述的热负荷的扰动量超过所述的主回路热控及所述的强化回流热控的调控能力之和时，所述的自抗扰主控单元发出指令进一步开启所述的补充输能热控，通过所述的冷补偿器移除过量的热量或主动输入冷量，并同步跟踪外部热流的动态变化，实现三阶散热调节。

有益效果

本发明涉及一种微流道散热的自控系统与方法，该系统配置两个分形微流道换热器以强化单相液冷介质在关键换热位置的换热能力，并通过副回流管路进行液冷介质的二次回流换热，相比现有的液冷散热技术，本发明具有结构紧凑、可靠性强、局部液冷流量大、散热效率高的特点。另外，本系统采用具有仿生骨架特征的热吸收器捕获散热通道中的热量，热吸收本身无额外能量消耗，并具有可反复利用、吸热量大、传热效率高的优点。同时，本发明将自抗扰控制原理运用于散热回路中的热控制，对于未知大扰动进行提前补偿，相比普通微流道散热调控系统，本发明能够有效抵抗和消除未知扰动的影响，更快跟踪热流的大幅度扰动，并能大大提高微流道散热系统的响应速率及稳定效果；同时，本发明利用三阶抗扰子系统进行协同散热，整个散热系统控制策略灵活，调峰量大，且具有更高的能量利用效率。

附图说明

图1为微流道散热调控系统示意图。

图2为热吸收器与分形微流道换热器位置关系图。

图3为热吸收器截面A-A二维图。

图4为电子显微镜下蝴蝶翅膀组织的微观结构图。

图5为分形微流道换热器截面B-B二维图；(a)一级格栅、(b)二级格栅、(c)三级格栅。

图6为分形微流道换热器内部立体构造图。

图7为自抗扰热控系统的原理示意图；(a)控制模式一、(b)控制模式二、(c)控制模式三。

图8为自抗扰热控系统调控效果图。

图9为三阶抗扰子系统联合调控仿真图；(a)三阶抗扰子系统调控量曲线、(b)三阶抗扰子系统散热量曲线。

图中，1.单向主循环管路；2/7/16.变速泵；3.热吸收器；4/13.分形微流道换热器；5/14.副回流管路；6/11/15.逆止阀；8.冷补偿器；9.“T”型控制阀；10.冷补偿器旁通管路；12.外部换热器；17.散热对象；18.三阶抗扰子系统；19.自抗扰主控单元；20.仿生传热骨架；21.固液相变介质；22.微流道入口；23.微流道出口；24.均温骨架；25.准蜂窝网格骨架；26.阵列方块；27.格栅分形槽道。

具体实施方式

下面结合附图对本说明作进一步的描述：

图1为微流道散热调控系统示意图，一种微流道散热的自控系统与方法，包括散热回路及自抗扰热控系统。其中，散热回路由液冷管路(包括单向主循环管路1、副回流管路5/14及冷补偿器旁通管路10、热吸收器3、分形微流道换热器4/13及冷补偿器8组成，液冷管路中充满了单相液冷介质，该单相液冷介质可为水、乙醇、丙醇、乙二醇、乙酸丁酯等常温常压下为液态的有机单质溶液或混合物，且在整个换热过程中始终保持液态。

自抗扰热控系统由三阶抗扰子系统18及自抗扰主控单元19组成，三阶抗扰子系统18接收自抗扰主控单元19的控制信号，并将控制作用反馈散热回路中的变速泵2/7/16及“T”型控制阀9，从而改变液冷管路中的流体流速及流动方向，逆止阀6/11/15的作用是防止单相液冷介质沿着与设计流向相反的方向流动。在变速泵2/7/16的推动下，单相液冷介质先通过外部换热器12及分形微流道换热器13从散热对象17吸热升温，然后沿着单向主循环管路1流向分形微流道换热器4，并通过热对流及热传导的方式将热量传递给热吸收器3，然后经冷补偿器8进一步放热或者直接由冷补偿器旁通管路10流回单向主循环管路1，最后重新流回分形微流道换热器13，开始新的散热循环。

一种微流道散热的自控系统与方法，当散热对象17的热负荷较小时，液冷介质在单向主循环管路1、分形微流道换热器4/13及冷补偿器旁通管路10中进行单向循环散热以满足散热要求；当散热对象17的热负荷超过主回路热控的调控能力时，自抗扰主控单元主动监测并自动启动二阶抗扰策略，即控制变速泵2为全速运行状态，并同时开启变速泵7/16，将分形微流道换热器4/13下游的部分单向液冷介质引回上游并重新在分形微流道换热器4/13中进行换热，相当于增加了分形微流道换热器4/13中的换热流量，从而进一步提高了散热系统中局部换热能力；当散热对象17的热负荷进一步增加，变速泵2/7/16全开，“T”型控制阀9在自抗扰主控单元19的命令下关闭冷补偿器旁通管路10的管路入口，并打开冷补偿器8的管路通路及受控状态，然后在三阶抗扰子系统18的作用下随热负荷的动态变化进行三阶散热控制，此时单相液冷介质经过冷补偿器8深度降温后才重新回到分形微流道换热器13中，因此在下个散热循环中能够从散热对象17带走更多的热量。

图2为热吸收器与分形微流道换热器位置关系图。热吸收器3中布置仿生传热骨架20并形成若干空腔，空腔中填充固液相变介质21，固液相变介质21可为石蜡、月桂酸、六水氯化钙、棕榈酸、苯骈等常温下为固态且熔点低于100℃的有机固液相变材料。热吸收器3的底部与分形微流道换热器4的顶部紧密接触，接触面无空气间隙(不局限于采用过盈配合、填充导热胶/脂、高温熔融、化学反应粘接等方式实现)，热吸收器3顶部可采取开口或封闭的形式，采用封闭的形式时，热吸收器3与分形微流道换热器4可以倒置，换热过程不受重力作用的影响。单相液冷介质从微流道入口22进入，从微流道出口23流出，热吸收器3的截面A-A及分形微流道换热器4的截面B-B分别如图3及图5所示。

图3为热吸收器截面A-A二维图。截面A-A展现出了仿生传热骨架20的剖面视图，仿生传热骨架20的结构类比电子显微镜下蝴蝶翅膀组织的微观结构(图4)进行排布，在本案例中，仿生传热骨架20包含2条相互平行的均温骨架24及3组准蜂窝网格骨架25，且均温骨架24的宽度要小于准蜂窝网格骨架25的宽度。均温骨架24模拟了蝴蝶翅膀组织中整齐分布的骨架，保证整体的散热均匀程度，准蜂窝网格骨架25模拟了蝴蝶翅膀组织非规则多孔构架，有效增加了换热面积，均温骨架24及准蜂窝网格骨架25的交替布置，既能够保证整体结构的稳定性，也能使得散热结构布置能够像蝴蝶翅膀一样“轻盈”、高效。

图5为分形微流道换热器截面B-B二维图。分形微流道换热器4/13的外壳为扁平的方形腔体，内部由凸起的阵列方块26划分形成横竖相间的格栅分形槽道27，分形微流道换热器4/13的沿截面B-B剖开显示为一矩形截面。由于格栅分形槽道27沿矩形截面的长、宽方向的数量为(n＝2^N-1)(N为格栅分形级数)，槽道的宽度按照(t＝Rk^1-N)的关系(R为第1级槽道宽度，k为变化因子)从矩形中心向两边减小，且槽道的中心即为矩形截面所在的中心。在本实例中，令剖切形成的矩形截面长宽之比为2:1，第1级格栅中两条槽道的宽度分别为矩形截面长、宽的0.1倍，槽道宽度的变化因子取k＝0.5。一级格栅时沿长、宽方向各一条槽道，此时的格栅分形槽道内部流体运动有限，因此传热效果也十分有限，如图5(a)所示。随着分形级数的增加，在长、宽方向两个维度上的槽道总数量均按照2^N-1的规律增加，因此当分形级数达到三时，每一维度上槽道总数量达到7个，此时，分形微流道换热器的内部构造就能起到很好的激发湍流的作用。二级格栅分形与三级格栅分形的效果分别如图5(b)及5(c)所示。

图6为三级分形微流道换热器内部立体构造图。对于槽道宽度的变化因子k＝0.5，分形级数每增加1，则槽道中液冷介质流通面积扩大一倍，流体的湍流强度大大增加，换热强度显著增强。另外，随着分形级数的增加，阵列方块26及由其构成的格栅分形槽道27在分形微流道换热器4/13中的分布更为均匀，因此产生更为剧烈的流体质点碰撞及热交换，从而使得分形微流道换热器4/13向热吸收器3及外部换热器12的传热更加趋于均匀合理，所以在加工成本不高的前提下可尽量增加分形微流道换热器的分形级数。分形微流道换热器的加工制造可采取但不限于车、铣、锻造、浇铸、压铸、焊接、粘接、3D打印、化学蚀刻成形等工艺手段。

在散热工程实践中，由于不仅有外部热流的动态输入，而且系统内部各单元之间也存在强耦合性及非线性，所以通常很难给出散热系统“内部机理的描述”，因而基于数学模型的现代控制理论给出的控制策略在实际控制工程中很难得到有效应用。为此，本发明采用自抗扰控制的原理对整个散热系统进行散热与能量管理，将作用于被控对象的所有不确定因素作用都归结为“未知扰动”，并设计状态观测器ESO，根据对象的输入-输出数据来观察模型未知部分和外部未知扰动综合对控制对象的影响，然后给出控制量补偿这些扰动。在状态观测器ESO的实时观测下，当外界热负荷扰动较小时，只启动部分散热管路来抵抗扰动，在满足散热要求的前提下减小散热系统的做功消耗；当状态观测器ESO观测外界热负荷超过单阶子系统的散热能力时，自抗扰主控单元主动切换工作模式，并协同调配三阶抗扰子系统，从而始终保证控制策略最优。

图7为自抗扰热控系统的原理示意图，根据热负荷的强度由低到高，分别启动控制模式一(图7(a))、控制模式二(图7(b))、控制模式三(图7(c))。图7中，T_s为设定温度，T_a为微流道散热对象的温度，u₁为变速泵2的转速比，u₂为变速泵7及变速泵16的联动转速比，u₃为冷补偿器8的制冷循环速率，ESO为状态观测器，x₁,x₂,x₃为状态观测器分析处理后得到的观测权向量。实时控制过程中，状态观测器ESO不断观测微流道散热对象17的状态(本实例中以温度T_a来表征)及执行器的状态(三种模式下分别为u₁、u₂、u₃)，并持续输出观测权向量(x₁,x₂,x₃)给对应的热控子系统。

为了得到观测权向量(x₁,x₂,x₃)，先假定未知系统的响应输出函数为y，对于其二阶导数，有：

其中，g表示微流道散热调控系统的动态特性(假设为未知)，t为时间，d为外部扰动(例如环境温度波动、电压波动等)，b为临界增益，u为自控系统的控制量，且u＝(u₁,u₂,u₃)，由于b未知且随时间变化，可先将方程(1)改写成

其中，将系统内部扰动、外部扰动及未知扰动综合表示为未定的系统总扰动f，则b₀为待整定的参数，且b₀＝(b₀₁,b₀₂,b₀₃)，有

f＝g+(b-b₀)u (3)

总扰动f可由状态观测器ESO跟踪估计，假设f的估计值由z₃表示，则方程(2)可改写成状态空间模型的形式，即

又因为在本实例中，微流道散热对象的温度T_a可实时表征系统的响应输出函数y，因此，在式(3)的基础上，增加对各阶信号变量的修正，且令f＝0(可通过状态反馈修正)，可将上式变换为

以上即为基于微流道散热对象及执行器状态下的状态观测器ESO表达式，其中，x₁、x₂、x₃分别跟踪估计y、

f，即在实际控制过程中，系统动态总扰动的估计值α＝x₃；β₁、β₂、β₃为误差纠正系数。

于是，根据线性自抗扰控制率，可得到自控系统的控制量u为

u＝(u₀-α)/b₀ (5)

其中，u₀＝(u₀₁,u₀₂,u₀₃)，表示系统初始总扰动的估计值。

由于u₀及b₀的值只与系统固有的物理特性相关，不涉及状态量的反复迭代，因此可采用常用的优化算法找出相对较优的值，如爬山算法、贪婪算法、经验凑试法、深度学习、粒子群询优、鱼群算法等。

如图7(a)，当外部热流强度较小时，自抗扰热控系统启动控制模式一，在本实例中，考虑变速泵2的转速不能超过其量程范围，在主回路热控的控制量u₁’进行上下限位后才得到作用于变速泵2上的控制量u₁(0≤u₁≤1)，通过调控变速泵2来对散热对象17进行散热，可将系统的温度控制在合理的范围，此时，自抗扰热控系统中强化回流热控及补充输能热控均处于“休眠”状态，即u₁＝(u₀₁-α)/b₀₁，u₂＝0，u₃＝0，自控系统在实现系统散热跟随扰动变化的同时总能耗降到最低。

如图7(b)，当外部热负荷继续增大，热负荷的扰动量超过主回路热控的调节能力，变速泵2增至全开状态后仍无法满足过量的散热需求，为了转移超出部分的热负荷，自抗扰热控系统启动控制模式二。此时，副回流管路中的变速泵7及变速泵16从关闭状态同时联动切换为打开状态，作为状态观测器ESO的主要观测对象，并在强化回流热控的调节能力之内承担自抗扰热控系统的调控作用。根据前述自抗扰控制算法，可将加入强化回流热控后系统的响应输出函数设为y₂，重新得到出控制模式二下强化回流热控的控制量u₂，u₂越大，则副回流管路流体回流量越大，从而增加了分形微流道换热器4/13中的流体流速，使得外部热负荷能够快地被散热回路吸收，并被更快地疏导至热吸收器3。此时，主回路热控全开，强化回流热控实时调节，补充输能热控仍然处于“休眠”状态，即u₁＝MAX，u₂＝(u₀₂-α)/b₀₂，u₃＝0。

如图7(c)，当外部热负荷进一步增大，热负荷的扰动量超过主回路热控及强化回流热控的调控能力之和，需要启动控制模式三。在控制模式三中，冷补偿器8承担转移超量热负荷的作用，其具体形式包括但不限于制冷片，相变制冷循环等方式，冷补偿器8的工作状态及散热回路的运行状态作为状态观测器ESO的主要观测对象，并根据前述的自抗扰控制算法得到实时控制量u₃。此时，主回路热控及强化回流热控全开，补充输能热控实时调节，即u₁＝MAX，u₂＝MAX，u₃＝(u₀₃-α)/b₀₃。

根据以上自抗扰控制算法，三阶抗扰子系统18中的各执行器能够应对不同强度等级的热负荷扰动，快速跟踪外部热流的动态变化，并对于系统内外的其它扰动进行提前补偿，自主抵抗和抵消内外扰动对于微流道散热对象的温度T_a的影响，最终完成自抗扰主控单元19所分配的任务。为展现自抗扰热控系统在不同强度等级的热负荷下的适应能力，下面以瞬间增加且持续输入的热负荷为热边界，观察微流道散热对象的温度T_a的动态变化，自抗扰热控系统调控效果如图8所示。

如图8所示，在初始状态下，热负荷为0W，微流道散热对象稳定在20℃，为体现系统应对不同强度瞬态热负荷的抗扰能力及效果，分别在30s、200s、400s时加入阶跃增加的热负荷。对应于分别在30s、200s、400s时瞬间增加的热负荷，自抗扰热控系统在30s～200s、200s～400s、400s～600s分别自动调整处于控制模式一、控制模式二、控制模式三，每当外界热负荷节阶跃增加一次后，微流道散热系统立即响应扰动并快速抑制扰动对于微流道散热对象的温度T_a的影响，即使微流道散热对象的温度受外界扰动上升至原来的3倍，微流道散热系统仍能触发合理的控制模式，使得微流道散热对象的温度在1min内降至设定温度T_s±10％的范围，并在100s内将其稳定调控至T_s±1％的水平，且针对外界符合的多次阶跃增加，微流道散热系统仍有良好的调峰能力及响应速率，不会出现超调或滞后调节的情况。

图9为三阶抗扰子系统联合调控仿真图，本图直观地展示了三阶抗扰子系统联合调控的工作过程及实时调控效果。图中u₁、u₂、u₃分别为主回路热控、强化回流热控、补充输能热控的执行器调控量(调节范围都为0～1.0)；q₁、q₂、q₃分别为主回路热控、强化回流热控、补充输能热控的散热量(其最大散热能力分别为：q_1max＝1875W，q_2max＝750W，q_1max＝750W)。当第一次阶跃输入1500W热负荷后，自抗扰主控单元根据系统状态判断仅通过一阶散热调节便能满足对散热对象17的降温要求，所以执行控制模式一，同时限制变速泵2的转速比，避免其因过载而失效；而当外界热负荷再次阶跃上升700W，总热量扰动达到2200W，已超过主回路热控的散热能力，由于状态观测器ESO持续观测系统的温度、流速状态，因此自抗扰主控单元能够第一时间发现系统的超温趋势，并根据系统状态变化预估外界热负荷扰动强弱，立即将微流道散热系统切换至控制模式二，对于热负荷扰动进行提前补偿，此时，主回路热控全开，微流道散热系统通过强化回流热控中变速泵7及变速泵16来进行调峰；同理，当外界热负荷进一步阶跃上升至3200W，自抗扰主控单元自动识别外界扰动并发出抗扰指令，全面开启散热系统的主回路热控及强化回流热控，并通过从外界输入能量以驱动冷补偿器8对微流道散热系统进行冷量的补偿。综上，只要在微流道散热系统的总散热能力范围内，无论外界热负如何变化，三阶抗扰子系统都能在自抗扰主控单元的管理下采取最优的散热调控策略，整个自抗扰热控系统下各个单元分工明确，相互协调，调峰量大，实用性强，能量利用率高，具有广阔的运用前景。

Claims (5)

1.一种微流道散热的自控系统，包括微流道散热回路及自抗扰热控系统；所述微流道散热回路包括液冷管路、分形微流道换热器、热吸收器及冷补偿器；所述液冷管路内充满单相液冷介质，所述单相液冷介质以所述分形微流道换热器为换热场所，并在所述液冷管路中循环流动，对散热对象进行降温并将热量转移至所述热吸收器和所述冷补偿器中；所述自抗扰热控系统时刻监测并管控所述微流道散热回路中的传热状态及流体行为；其特征在于：

所述液冷管路包括单向主循环管路、副回流管路及冷补偿器旁通管路；所述单向主循环管路依次将分形微流道换热器、热吸收器及冷补偿器串联形成循环通道；所述副回流管路连接在所述分形微流道换热器的出口和入口之间，以令所述单相液冷介质在所述分形微流道换热器中进行二次换热；

所述分形微流道换热器连接在所述冷补偿器的出口和入口之间；所述分形微流道换热器数量为二，分别与所述的散热对象及所述热吸收器紧密相连；所述的分形微流道换热器外壳为扁平的方形腔体，内部按照分形级数的规律形成格栅分形槽道；所述的分形微流道换热器与所述的热吸收器紧密相连，两表面之间无空气间隙，两表面连接的方式包含过盈配合、填充导热胶/脂、高温熔融、化学反应粘接；

所述的热吸收器外部为一方形壳体，内部放置具有准蜂窝状特征的仿生传热骨架，并在所述的仿生传热骨架周围填充固液相变介质；所述的热吸收器内部包含m条，相互平行的均温骨架及m+1组准蜂窝网格骨架，并类比蝴蝶翅膀组织的微观结构进行排布，m≥0，取整数；

所述的自抗扰热控系统包括自抗扰主控单元及三阶抗扰子系统；所述的自抗扰主控单元包含状态观测器ESO及主控回路；所述三阶抗扰子系统包括分别与单向主循环管路相连的主回路热控单元、与副回流管路相连的强化回流热控单元及与冷补偿器旁通管路相连的补充输能热控单元；所述的状态观测器ESO对系统的散热状态进行实时监测并计算状态量预估，所述的主控回路控制所述的三阶抗扰子系统，自动适应和补偿因扰动引起的系统状态量波动；

所述的分形微流道换热器内部空间由凸出的阵列方块分割形成所述的格栅分形槽道，所述的格栅分形槽道沿着所述方形腔体的长、宽方向进行二维分形，每一维度方向的槽道数量随分形级数的增加而增加，槽道数量n满足n＝2^N-1，N为格栅分形级数，每条槽道的宽度随分形级数的增加而逐渐减小，每条槽道的宽度t满足t＝Rk^1-N的关系，R为第1级槽道宽度，k为变化因子；

所述的三阶抗扰子系统的主回路热控单元的控制量为u₁，强化回流热控单元的控制量为u₂，补充输能热控单元的控制量为u₃，启动散热后，所述的自抗扰主控单元根据系统状态及扰动评估，自动协调所述的三阶抗扰子系统在如下三种控制模式中切换：

控制模式一，只有主回路热控单元动态调节，即u₁＝(u₀₁-α)/b₀₁，u₂＝u₃＝0；

控制模式二，主回路热控单元全开，强化回流热控单元进行实时调节，补充输能热控单元处于“睡眠”状态，即u₁＝MAX，u₂＝(u₀₂-α)/b₀₂，u₃＝0；

控制模式三，主回路热控单元及强化回流热控单元全开，补充输能热控单元进行实时调节，即u₁＝u₂＝MAX，u₃＝(u₀₃-α)/b₀₃；

式中，u₀₁为主回路热控单元的初始扰动估计值，u₀₂为强化回流热控单元的初始扰动估计值,u₀₃为补充输能热控单元的初始扰动估计值；b₀₁为主回路热控单元的初始临界增益,b₀₂为强化回流热控单元的初始临界增益,b₀₃为补充输能热控单元的初始临界增益；α为系统动态总扰动的估计值；

所述的状态观测器ESO以所述的三阶抗扰子系统的控制量(u₁、u₂、u₃)及系统的响应输出函数y为动态观测量，将系统内部扰动、外部扰动及未知扰动综合表示为未定的系统总扰动f，通过状态空间模型转化的方式对系统总扰动f进行动态跟踪和函数求解，得到系统的观测权向量(x₁,x₂,x₃)，且在控制过程中有：α＝x₃；根据所述三种控制模式下的控制策略得到最新的主回路热控单元控制量u₁，强化回流热控单元控制量u₂及补充输能热控控制量u₃，完成对系统的散热状态的实时预估及动态调控。

2.根据权利要求1所述的自控系统，其特征在于：所述的单相液冷介质为水、乙醇、丙醇、乙二醇或乙酸丁酯。

3.根据权利要求1所述的自控系统，其特征在于：所述的热吸收器中填充的所述的固液相变介质为常温下为固态且熔点低于100℃的有机固液相变材料。

4.根据权利要求3所述的自控系统，其特征在于：所述有机固液相变材料为石蜡、月桂酸、六水氯化钙、棕榈酸或苯骈。

5.一种微流道散热的自控方法，其特征在于，基于权利要求1-4任一所述自控系统进行控制。

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