一种开式可控流量相变冷却系统及其控制方法与流程

本发明涉及电子器件冷却技术领域，更具体地，涉及一种开式可控流量相变冷却系统及其控制方法。

背景技术：

随着航空航天技术的不断发展，飞行器的类型及应用日益广泛，飞行器中包含的大功率电子器件越来越多，其中大功率高热流密度的电子器件的散热问题也越来越凸显。当大功率电子器件工作时，其产生的热量会使局部温度升高，如果散热不及时，则可能使相应器件的温度升高甚至超过允许的最高温度，电子器件的性能将会显著下降，并且不能稳定工作，从而导致电子器件性能恶化甚至失效。

航天器上的大多数电子都属于精密仪器，需要工作在一个固定的温度才能发挥最大的作用，并且不允许存在较大的温度波动，对于同一空间的温度均匀性也有极大的要求。而且航天器本身设计结构紧凑，为了增加航行距离，对于其配置的冷却系统的空间和重量也有特殊的要求，航天器采用更加小巧并轻量的冷却系统是发展趋势。

现有航天器需要做各种翻转动作，对散热冷却系统的稳定性和可用性有极高的要求。由于传统的机械式冷却系统需要用到多种机械部件和阀门，在航天器翻转的时候，其故障率会增加；并且由于部分传统冷却系统需要空气强制对流循环，且电子器件放置环境对空气洁净度要求也较高，所以传统的冷却方式已经远不能满足这一稳定性和可用性的要求。

技术实现要素：

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的开式可控流量相变冷却系统及其控制方法，该系统解决了传统的冷却系统稳定性及可用性不足的缺陷。

根据本发明的一个技术方案，提供一种开式可控流量相变冷却系统，该系统包括蓄冷储液罐、节流装置、接触式冷却板、自吸泵和控制器，所述接触式冷却板上设有温度传感器，所述蓄冷储液罐、节流装置、接触式冷却板和自吸泵通过管道依次串联连接，所述控制器分别与所述加热增压装置、节流装置、温度传感器和自吸泵通过数据传输线连接。当接触式冷却板的板面温度均匀性不满足设定要求时，所述自吸泵用于在所述接触式冷却板出口形成负压环境，以提高管路中冷却工质的流量，使接触式冷却板的温度达到设定要求。

作为上述技术方案的进一步改进方案，所述蓄冷储液罐设有调节所述蓄冷储液罐的内部压力的加热增压装置。可根据所述控制器接收的来自所述接触式冷却板上的温度传感器上的温度信号，改变所述加热增压装置的加热功率，以此调节所述蓄冷储液罐的内部压力，从而来适当增加或减少管路通道内的液体流量。只有当所述接触式冷却板上的温度均匀性不满足要求时，才需要开启所述加热增压装置进行加热，以调节管路通道内的液体流量。

作为上述技术方案的进一步改进方案，所述加热增压装置位于所述蓄冷储液罐的罐体内部的下半部分。

作为上述技术方案的进一步改进方案，所述加热增压装置为加热棒或者加热带。当所述加热增压装置为加热棒时，可将所述加热棒水平设置在罐体内部，当所述加热增压装置为加热带时，可将所述加热带环绕设置在罐体下半表面。

作为上述技术方案的进一步改进方案，所述蓄冷储液罐上设有注液口和控制所述注液口开闭状态的注液阀。当需向所述蓄冷储液罐内添加冷却工质时，打开所述注液口上的所述注液阀，所述蓄冷储液罐的注液口可通过加氟表连接至抽真空机和冷却工质罐，通过抽真空机预先创造一个真空环境，然后关闭抽真空环境，在负压环境下，即可将冷却工质添加入蓄冷储液罐内。加注完毕后，则使所述注液阀处于常闭状态。

作为上述技术方案的进一步改进方案，所述节流装置为可变节流面积的节流装置。通过改变所述节流装置的节流面积，以调节控制冷却工质在所述接触式冷却板内的过热度，防止冷却工质在所述接触式冷却板内通道后半区出现蒸干只有显热的情况。

作为上述技术方案的进一步改进方案，所述节流装置采用热力膨胀阀或电子膨胀阀。

作为上述技术方案的进一步改进方案，所述接触式冷却板的内部通道流形与发热电子的布置形式相对应。根据电子器件的不同散热要求，设置所述接触式冷却板的内部通道形式，使用时将发热电子对应地安装于所述接触式冷却板上，可通过涂抹导热硅脂或垫铟片等来减少接触热阻。

作为上述技术方案的进一步改进方案，所述自吸泵为变频自吸泵，优选为微型变频自吸泵。

所述冷却系统工作时，当所述节流装置和所述加热增压装置的调节均不能满足流量要求的时候，需要开启所述自吸泵，使所述接触式冷却板的通道出口形成一个负压的环境，来达到调节流量的目的；在一罐多路的模式下，可以根据不同电子的冷却温度均匀性要求，调节变频自吸泵，以满足调节流量的要求。

所述控制器接受来自所述温度传感器的温度信号，并分别通过控制支路控制所述加热增压装置、节流装置和自吸泵。

基于上述技术方案，本发明提出新型开式无动力可控流量相变冷却系统，冷却工质在接触式冷却板中发生相变，换热系数高，并能够提供适宜的冷却温度和冷却均匀性，可以实现大功率电子器件在飞行器上的高效稳定运行。相比于传统液冷循环冷却系统，本发明的相变冷却系统能够快速稳定地冷却高热流密度的电子器件，并能通过调节冷却工质流量满足不同的冷却温度均匀性要求，具有更好的稳定性和可用性。

根据本发明的另一个技术方案，提供一种开式可控流量相变冷却系统的控制方法，该方法包括：

通过温度传感器检测接触式冷却板的温度信号；

控制器接收温度传感器的温度信号，并通过控制节流装置、加热增压装置或自吸泵调节冷却系统的流量，从而将接触式冷却板的温度控制在设定要求内。

作为上述技术方案的进一步改进方案，所述控制器通过控制节流装置调节冷却系统的流量，具体为：当温度传感器检测到接触式冷却板的温度高于控制器设定的温度时，温度传感器通过温度传感器反馈支路将检测信号传递到控制器，控制器接收信号并通过节流装置控制支路开启节流装置，使蓄冷储液罐内的冷却工质通过管路进入到接触式冷却板内，在接触式冷却板中发生相变带走热量，从而将接触式冷却板的温度控制在设定要求内。

作为上述技术方案的进一步改进方案，所述控制器通过控制加热增压装置或自吸泵调节冷却系统的流量，具体为：当温度传感器检测到接触式冷却板的板面温度均匀性不满足要求时，即接触式冷却板内出现局部冷却工质蒸干的现象，温度传感器通过温度传感器反馈支路将检测信号传递到控制器，控制器接收信号并通过加热增压控制支路开启加热增压装置，将蓄冷储液罐内的压力适当升高并保持，从而提高管路中的冷却工质的流量；如果温度传感器再次检测的接触式冷却板的板面温度均匀性仍不满足设定要求，则通过自吸泵控制支路开启自吸泵，在接触式冷却板出口形成一个负压环境，以再次提高管路中冷却工质的流量，直至使接触式冷却板的温度达到设定要求。

可根据接触式冷却板的不同冷量需求来配置不同大小的所述蓄冷储液罐。

所述蓄冷储液罐可以供给多路所述接触式冷却板，根据不同的接触式冷却板的温度均匀性要求，通过控制各支路的自吸泵来进行调节不同的接触式冷却板的温度，以达到不同的设定要求。

基于上述技术方案，本发明提出开式无动力可控流量相变冷却系统的控制方法，包括单路及多路的开式无动力可控流量相变冷却系统模式，多路开式无动力可控流量相变冷却系统中的控制器可以根据不同支路接触式冷却板的温度均匀性要求，通过相应的自吸泵控制支路控制调整自吸泵的转速，从而达到不同的设定要求。冷却系统的冷却工质在接触式冷却板中发生相变，换热系数高，并能够提供适宜的冷却温度和冷却均匀性，可以实现大功率电子器件在飞行器上的高效稳定运行。相比于传统液冷循环冷却系统，本发明能够快速稳定地冷却高热流密度的电子器件，并能通过调节冷却工质流量满足不同的冷却温度均匀性要求，具有更好的稳定性和可用性。

附图说明

图1为根据本发明实施例的单路开式可控流量相变冷却系统的示意图；

图2为根据本发明实施例的多路开式可控流量相变冷却系统的示意图。

图中，1、加热增压装置；2、蓄冷储液罐；3、注液口；4、注液阀；5、节流装置；6、接触式冷却板；7、温度传感器；8、自吸泵；9、控制器；10、自吸泵控制支路；11、温度传感器反馈支路；12、节流装置控制支路；13、加热增压装置控制支路。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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及其之间任意组合，本领域普通技术人员在没有作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。

在根据本发明的一个实施例中，如图1所示，一种开式可控流量相变冷却系统，该系统包括蓄冷储液罐2、节流装置5、接触式冷却板6、自吸泵8和控制器9，所述接触式冷却板6上设有温度传感器7，所述蓄冷储液罐2、节流装置5、接触式冷却板6和自吸泵8通过管道依次串联连接，所述控制器9分别与所述加热增压装置1、节流装置5、温度传感器7和自吸泵8通过数据传输线连接。

在根据本发明的一个实施例中，所述蓄冷储液罐2设有调节所述蓄冷储液罐2的内部压力的加热增压装置1。可根据所述控制器9接收的来自所述接触式冷却板6上的温度传感器7上的温度信号，改变所述加热增压装置1的加热功率，以此调节所述蓄冷储液罐2的内部压力，从而来适当增加或减少管路通道内的液体流量。只有当所述接触式冷却板6上的温度均匀性不满足要求时，才需要开启所述加热增压装置1进行加热，以调节管路通道内的液体流量。

在根据本发明的一个实施例中，所述加热增压装置1设置在所述蓄冷储液罐2的罐体内部的下半部分。

在根据本发明的一个实施例中，所述加热增压装置1为加热棒或者加热带。当所述加热增压装置1为加热棒时，可将所述加热棒水平设置在罐体内部，当所述加热增压装置1为加热带时，可将所述加热带环绕设置在罐体下半表面。

在根据本发明的一个实施例中，所述蓄冷储液罐2上设有注液口3和控制所述注液口3开闭状态的注液阀4。当需向所述蓄冷储液罐2内添加冷却工质时，打开所述注液口3上的所述注液阀4，所述蓄冷储液罐2的注液口3可通过加氟表连接至抽真空机和冷却工质罐，通过抽真空机预先创造一个真空环境，然后关闭抽真空环境，在负压环境下，即可将冷却工质添加入蓄冷储液罐2内。加注完毕后，则使所述注液阀4处于常闭状态。

在根据本发明的一个实施例中，所述节流装置5为可变节流面积的节流装置。通过改变所述节流装置5的节流面积，以调节控制冷却工质在所述接触式冷却板6内的过热度，防止冷却工质在所述接触式冷却板6内通道后半区出现蒸干只有显热的情况。

在根据本发明的一个实施例中，所述节流装置5采用热力膨胀阀或电子膨胀阀。

在根据本发明的一个实施例中，所述接触式冷却板6的内部通道流形与发热电子的布置形式相对应。根据电子器件的不同散热要求，设置所述接触式冷却板6的内部通道形式，使用时将发热电子对应地安装于所述接触式冷却板6上，可通过涂抹导热硅脂或垫铟片等来减少接触热阻。

在根据本发明的一个实施例中，所述自吸泵8为变频自吸泵，优选为微型变频自吸泵。

所述冷却系统工作时，当所述节流装置5和所述加热增压装置1的调节均不能满足流量要求的时候，需要开启所述自吸泵8，使所述接触式冷却板6的通道出口形成一个负压的环境，来达到调节流量的目的；在一罐多路的模式下，可以根据不同电子的冷却温度均匀性要求，调节变频自吸泵，以满足调节流量的要求。

所述控制器9接受来自所述温度传感器7的温度信号，并分别通过加热增压装置控制支路13、节流装置控制支路12和自吸泵控制支路10控制所述加热增压装置1、节流装置5和自吸泵8。

本发明实施例提出新型开式无动力可控流量相变冷却系统，冷却工质在接触式冷却板6中发生相变，换热系数高，并能够提供适宜的冷却温度和冷却均匀性，可以实现大功率电子器件在飞行器上的高效稳定运行。相比于传统液冷循环冷却系统，本发明的相变冷却系统能够快速稳定地冷却高热流密度的电子器件，并能通过调节冷却工质流量满足不同的冷却温度均匀性要求，具有更好的稳定性和可用性。

本发明实施例还提出一种开式可控流量相变冷却系统的控制方法，该方法包括：通过温度传感器7检测接触式冷却板6的温度信号；控制器9接收温度传感器7的温度信号，并通过控制节流装置5、加热增压装置1或自吸泵8调节冷却系统的流量，从而将接触式冷却板6的温度控制在设定要求内。

参考图1，为单路开式可控流量相变冷却系统的示意图。

在根据本发明的一个实施例中，当温度传感器7检测到接触式冷却板6的温度高于控制器9设定的温度时，温度传感器7通过温度传感器反馈支路11将检测信号传递到控制器9，控制器9接收信号并通过节流装置控制支路12开启节流装置5，使蓄冷储液罐2内的冷却工质通过管路进入到接触式冷却板6内，在接触式冷却板6中发生相变带走热量，从而将接触式冷却板6的温度控制在设定要求内。

在根据本发明的一个实施例中，当温度传感器7检测到接触式冷却板6的板面温度均匀性不满足要求时，即接触式冷却板6内出现局部冷却工质蒸干的现象，温度传感器7通过温度传感器反馈支路11将检测信号传递到控制器9，控制器9接收信号并通过加热增压装置控制支路13开启加热增压装置1，将蓄冷储液罐2内的压力适当升高并保持，从而提高管路中的冷却工质的流量；如果温度传感器7再次检测的接触式冷却板6的板面温度均匀性仍不满足设定要求，则通过自吸泵控制支路10开启自吸泵8，在接触式冷却板6出口形成一个负压环境，以再次提高管路中冷却工质的流量，直至使接触式冷却板6的温度达到设定要求。

可根据接触式冷却板6的不同冷量需求来配置不同大小的所述蓄冷储液罐2。

所述蓄冷储液罐2可以供给多路所述接触式冷却板6，根据不同的接触式冷却板6的温度均匀性要求，通过控制各支路的自吸泵8来进行调节不同的接触式冷却板6的温度，以达到不同的设定要求。

参考图2，为多路开式可控流量相变冷却系统。多路开式可控流量相变冷却系统模式是在单路开式可控流量相变冷却系统模式的基础上，所述蓄冷储液罐2分别与各支路的节流装置5、接触式冷却板6、自吸泵8通过管道串联在一起，附图2中以三支路为例。由于不同的支路冷却板上的大功率电子的对温度均匀性的要求不同，可以通过各支路的温度传感器7通过各支路温度传感器反馈支路11将检测信号反馈给控制器9，从而控制器9根据设定，对没有满足设定要求的支路，通过自吸泵控制支路10调节泵的转速，最后满足各个支路设定的要求。

本发明实施例提出的开式无动力可控流量相变冷却系统的控制方法，包括单路及多路的开式无动力可控流量相变冷却系统模式，多路开式无动力可控流量相变冷却系统中的控制器可以根据不同支路接触式冷却板的温度均匀性要求，通过相应的自吸泵控制支路控制调整自吸泵的转速，从而达到不同的设定要求。冷却系统的冷却工质在接触式冷却板中发生相变，换热系数高，并能够提供适宜的冷却温度和冷却均匀性，可以实现大功率电子器件在飞行器上的高效稳定运行。相比于传统液冷循环冷却系统，本发明能够快速稳定地冷却高热流密度的电子器件，并能通过调节冷却工质流量满足不同的冷却温度均匀性要求，具有更好的稳定性和可用性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。