一种液冷换热装置及其控制方法与流程

本发明涉及液冷换热结构技术领域，尤其涉及一种液冷换热装置及其控制方法。

背景技术：

目前，液冷系统以其高效的散热效率为高热流密度电子器件散热提供了新的解决方案，它可以有效地解决大功耗设备散热问题，使得设备获得更可靠的工作温度以及更低的能耗，并已经在数据中心、服务器等多个领域展开应用。

然而，现有的温度控制技术，就液冷系统而言，在换热器两端加设一次侧水回路和二次侧水回路，而通过一次侧水回路流入换热器为二次侧水回路降温，降低二次侧水回路的出水温度，从而通过二次侧水回路为外部设备降温供冷，其为外部设备如服务器等进行降温时，仍局限于简单的温度反馈控制系统，而液冷系统中存在如服务器cpu业务承载量突然加大，可直接引起二次侧水回路的进水管进入换热器的水温升高，或者环境温度升高而影响一次侧水回路向换热器供水温度升高，均会导致二次侧水回路的出水温度升高。而现有的液冷系统无法根据这些干扰变化对二次侧水回路向服务器的供水温度进行及时调控，无法实现液冷高精度恒温供冷。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种液冷换热装置及其控制方法，旨在当液冷系统因外界影响而产生温度变化无法恒温供冷时，对液冷系统及时调控。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种液冷换热装置，其包括换热器，其还包括用于对外部设备供冷的二次侧水回路，用于对二次侧水回路进行降温的一次侧水回路，以及用于对一次侧水回路进行调节以使二次侧水回路出水温度达到预定温度的调节装置；一次侧水回路和二次侧水回路分别与换热器的两端连接，一次侧水回路、二次侧水回路均与所述调节装置连接。

所述液冷换热装置，其中，所述调节装置包括电源，与所述电源连接的控制器，水流量控制装置，用于检测换热器内一侧次水回路水流量的第一流量计，以及第二流量计；所述水流量控制装置、所述第一流量计均设置在所述一次侧水回路的进水端并位于所述换热器外；所述第二流量计设置在所述二次侧水回路的出水端并位于所述换热器外；位于所述换热器外的一次侧水回路的出水端还与所述水流量控制装置连接；所述一次侧水回路上设置有一次侧温度检测装置；所述二次侧水回路上设置有二次侧温度检测装置；所述水流量控制装置、所述第一流量计、所述第二流量计、所述一次侧温度检测装置及所述二次侧温度检测装置均与所述控制器连接。

所述液冷换热装置，其中，所述水流量控制装置包括变频水泵装置和旁通控制阀；所述旁通控制阀位于所述变频水泵装置与所述换热器之间；位于所述换热器外的一次侧水回路的出水端与所述旁通控制阀连接。

所述液冷换热装置，其中，所述变频水泵装置包括水泵和变频器；所述水泵设置在所述一次侧水回路的进水端；所述变频器的一端与所述控制器连接，另一端与所述水泵连接。

所述液冷换热装置，其中，所述旁通控制阀为三通阀。

一种基于液冷换热装置的控制方法，其包括步骤：

a、检测并获取与换热器连接的二次侧水回路的出水温度t1，将t1与预定温度t进行比较，判断t1与预定温度t是否相等；

b、当t1与所述预定温度不相等时，计算当t1达到t时换热器内一次侧水回路的水流量l’；

c、对与换热器连接的一次侧水回路进行检测，并获取换热器内一次侧水回路的水流量l，将l与l’进行比较，根据l与l’的比较结果对设置在一次侧水回路的进水端并位于换热器外的水流量控制装置进行调节，直至换热器内一次侧水回路的水流量等于l’。

所述基于液冷换热装置的控制方法，其中，所述步骤a之前还包括：

a00、检测并获取二次侧水回路的出水温度信号、二次侧水回路的水流量信号、换热器内一次侧水回路的水流量信号及室外湿球温度；

a01、根据获取的所述二次侧水回路的出水温度信号、换热器内一次侧水回路的水流量信号、室外湿球温度设置二次侧水回路的出水温度为所述预定温度t。

所述基于液冷换热装置的控制方法，其中，所述步骤c具体包括：

c1、当l小于l’时，计算所述旁通控制阀上朝向换热器侧的阀门开度最大、且所述变频水泵装置的频率为最低允许频率时换热器内一次侧水回路的水流量l”，将l”与l’进行比较，并根据比较结果对所述水流量控制装置进行相应调节；

c2、当l’小于l时，计算所述旁通控制阀上朝向换热器侧的阀门开度最大、且所述变频水泵装置的频率为最低允许频率时换热器内一次侧水回路的水流量l”，将l”与l’进行比较，并根据比较结果对所述水流量控制装置进行相应调节。

所述基于液冷换热装置的控制方法，其中，所述步骤c1具体包括:

c11、当l”小于l’时，获取当前通过所述进水量控制装置中变频水泵装置的水流量、当前所述进水量控制装置中与所述变频水泵装置连接的旁通控制阀上朝向换热器侧的阀门开度、当前二次侧水回路的进水温度、当前换热器内一次侧水回路的进水温度、及当前换热器内一次侧水回路的出水温度，并计算所述旁通控制阀上朝向换热器侧的阀门开度最大、且换热器内一次侧水回路的水流量为l’时所述变频水泵装置的频率，将所述旁通控制阀上朝向换热器侧的阀门开度调节为最大，并对所述变频水泵装置进行相应调节；

c12、当l’小于l”时，获取当前通过所述进水量控制装置中变频水泵装置的水流量、当前所述进水量控制装置中与所述变频水泵装置连接的旁通控制阀上朝向换热器侧的阀门开度、当前二次侧水回路的进水温度、当前换热器内一次侧水回路的进水温度、及当前换热器内一次侧水回路的出水温度，并计算当前通过所述水流量控制装置中变频水泵装置的水流量情况下，所述旁通控制阀上朝向换热器侧的阀门开度，并对所述旁通控制阀进行相应调节。

所述基于液冷换热装置的控制方法，其中，所述步骤c2具体包括：

c21、当l”小于l’时，获取当前通过所述水流量控制装置中变频水泵装置的水流量、当前所述水流量控制装置中与所述变频水泵装置连接的旁通控制阀上朝向换热器侧的阀门开度、当前二次侧水回路的进水温度、当前换热器内一次侧水回路的进水温度、及当前换热器内一次侧水回路的出水温度，计算当前所述水流量控制装置中与所述变频水泵装置连接的旁通控制阀上朝向换热器侧的阀门开度前提下，换热器内一次侧水回路的水流量为l’时所述变频水泵装置的频率，并对所述变频水泵装置进行相应调节；

c22、当l’小于l”时，获取当前通过所述水流量控制装置中变频水泵装置的水流量、当前所述水流量控制装置中与所述变频水泵装置连接的旁通控制阀上朝向换热器侧的阀门开度、当前二次侧水回路的进水温度、当前换热器内一次侧水回路的进水温度、及当前换热器内一次侧水回路的出水温度，计算所述变频水泵装置的频率调节为最低允许频率、且换热器内一次侧水回路的水流量为l’时，所述旁通控制阀上朝向换热器侧的阀门开度，将所述变频水泵装置的频率调节为最小允许频率，并对所述旁通控制阀上朝向换热器侧的阀门开度进行相应调节。

有益效果：与现有技术相比，本发明通过调节装置对一次侧水回路进行检测，并分别获取换热器内一次侧水回路的水流量l、以及当与换热器连接的二次侧水回路的出水温度达到与预定温度时换热器内一次侧水回路的水流量l’，并将l与l’进行比较，根据l与l’的比较结果在温度反馈调节作用下，通过旁通控制阀调节一次侧水回路流入换热器的流水量，同时通过变频器调节水泵转速，使二次侧水回路的出水温度保持在预定温度，从而避免业务量、环境变化等各种干扰对被控参数的影响，并使被控温度稳定在设定值上，以保证液冷系统始终保持较高的控温质量。

附图说明

图1是本发明所述液冷换热装置的结构示意图；

图2是本发明中基于液冷换热装置的控制方法的流程图；

图3是本发明中所述液冷换热装置的功能原理框图。

具体实施方式

本发明提供的一种液冷换热装置及其控制方法，为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图，通过对实施例的描述，对发明内容作进一步说明。

本发明提供一种液冷换热装置，如图1和图3所示，其包括换热器1，用于对外部设备供冷的二次侧水回路2，用于对二次侧水回路2进行降温的一次侧水回路3，以及用于对一次侧水回路3进行调节以使二次侧水回路2出水温度达到预定温度的调节装置；一次侧水回路3和二次侧水回路2分别与换热器1的两端连接，一次侧水回路3、二次侧水回路2均与所述调节装置连接。

较佳的，所述液冷换热装置还包括定时装置，所述定时装置与所述调节装置连接，使得所述调节装置每隔一预定时间对所述二次侧水回路2的出水温度进行检测并进行相应的调节；进一步的，为了实现所述液冷换热装置对外部设备的恒温供冷，所述调节装置可以实时对所述二次侧水回路2的出水温度进行检测并进行相应的调节。

所述液冷换热装置，其中，所述调节装置包括电源4，与所述电源4连接的控制器5，水流量控制装置，用于检测换热器1内一侧次水回路3水流量的第一流量计6，以及第二流量计7；所述水流量控制装置、所述第一流量计6均设置在一次侧水回路的进水端31并位于所述换热器1外；所述第二流量计7设置在所述二次侧水回路的出水端22并位于所述换热器1外；位于所述换热器1外的一次侧水回路的出水端32还与所述水流量控制装置连接；所述一次侧水回路3上设置有一次侧温度检测装置；所述二次侧水回路2上设置有二次侧温度检测装置；所述水流量控制装置、所述第一流量计6、所述第二流量计7、所述一次侧温度检测装置及所述二次侧温度检测装置均与所述控制器5连接；所述定时装置与所述控制器5连接。

所述调节装置还包括人机界面100，所述人机界面100与所述控制器5连接，工作人员可以通过所述人机界面100对所述定时装置的预定时间间隔进行调整；所述人机界面100还可以对当前所述液冷换热装置的工作状态进行显示。所述液冷换热装置还包括上位机200；所述上位机200与所述控制器5连接。

进一步的，所述一次侧温度检测装置包括一次侧进水温度传感器33和一次侧出水温度传感器34；所述一次侧进水温度传感器33设置在所述一次侧水回路的进水端31，并位于所述第一流量计6与所述换热器1之间；所述一次侧出水温度传感器34设置在所述一次侧水回路的出水端；所述一次侧进水温度传感器33和所述一次侧出水温度传感器34均与所述控制器5连接。所述二次侧温度检测装置包括二次侧进水温度传感器23和二次侧出水温度传感器24；所述二次侧进水温度传感器23设置在所述二次侧水回路的进水端21；所述二次侧出水温度传感器24设置在所述二次侧水回路的出水端22；所述二次侧进水温度传感器23和所述二次侧出水温度传感器24均与所述控制器5连接。

所述水流量控制装置包括变频水泵装置和旁通控制阀9；所述旁通控制阀9位于所述变频水泵装置与所述换热器1之间；位于所述换热器1外的一次侧出水端与所述旁通控制阀9连接。所述变频水泵装置包括水泵8和变频器81；所述水泵8设置在所述一次侧水回路的进水端31；所述变频器81的一端与所述控制器5连接，另一端与所述水泵8连接。所述旁通控制阀9为三通阀。

在所述调节装置对二次侧水回路2的出水温度进行检测并判断是否需要进行调节以及进行相应的调节之前，所述控制器5控制所述二次侧出水温度传感器24和所述第一流量计6启动，并对所述二次侧水回路2的出水温度进行检测，获取所述二次侧水回路2的出水温度信号、所述二次侧水回路2的水流量信号、以及换热器1内一次侧水回路3的水流量信号，控制器5根据当前室外环境温湿度大小计算当前室外湿球湿度。所述控制器5将获取的所述二次侧水回路2的出水温度信号和所述换热器1内一次侧水回路3的水流量信号带入pid控制变量中，再参考当地室外年平均湿球湿度和外部设备的正常工作温度范围，根据pid算法设置二次侧水回路2的出水温度为所述预定温度t，使得所述预定温度t大于所述当前室外湿球湿度与一预设固定偏差之和，并小于外部设备工作温度上限值与所述预设固定偏差之差，并将所述预定温度t带入pid给定值。

当所述定时装置设置的预定时间到达时，所述控制器5将t1与t进行比较，判断t1与t是否相等，若相等，则不进行调节动作；若不相等，则所述控制器5获取当前变频器81的频率并根据当前变频器81的频率计算当前流经所述水泵8的流水量l11；所述控制器5还获取当前所述旁通控制阀9上朝向换热器1侧的阀门开度l2、当前所述一次侧进水温度传感器33检测到的一次侧水回路3的进水温度t3、当前所述一次侧出水温度传感器34检测到的一次侧水回路3的出水温度t4、当前所述第一流量计6检测到的换热器1内一次侧水回路3的水流量l、当前所述二次侧进水温度传感器23检测到的二次侧水回路2的进水温度t2、当前所述二次侧出水温度传感器24检测到的二次侧水回路2的出水温度t1、以及当前所述第二流量计7检测到的二次侧水回路2的流水量le（本发明中对二次侧水回路2的出水温度进行调节时，不调节二次侧水回路2的流水量，即le为定值）。所述控制器5可以根据热交换流量前馈—温度反馈复合控制系统、流量温差法换热计算原理、换热能量守恒定律和pid控制算法计算获得当二次侧水回路2的出水温度为t时，换热器1内一次侧水回路3的水流量l’，然后根据流量温差法换热计算原理和换热能量守恒定律即l*(t4-t3)=le*(t2-t1)，当t1达到t时，l=l’，当t1偏离t时，t2与t1关联变化，在le为定值的前提下，需要调整l值（t3、t4与l关联变化），使t1向接近t的方向变化；其次，将l与l’进行数据对比分析，采用pid整定方法，计算出当换热器1内一次侧水回路3的水流量为l’时，水泵8的频率和旁通控制阀9朝向换热器1侧的阀门开度，并通过所述控制器5对所述变频器81和所述旁通控制阀9进行相应调节。具体调节过程如下：

当l小于l’时，换热器1内一次侧水回路3的水流量偏少，所述控制器5优先选择将l2调大。所述控制器5根据pid控制算法，计算所述旁通控制阀9上朝向换热器1侧的阀门开度达到最大、且所述变频水泵8的频率为最低允许频率时，换热器1内一次侧水回路3的水流量l”，将l”与l’进行比较（所述旁通控制阀9上朝向换热器1侧的阀门开度达到最大时，经过所述水泵8的流水不再流往一次侧水回路3的回水端，而是全部经过所述旁通控制阀9上朝向换热器1侧的阀门流入换热器1）：

当l”小于l’时，即使将所述旁通控制阀9上朝向换热器1侧的阀门开度调到最大，换热器1内一次侧进水回路的水流量依旧偏少，此时需要对所述水泵8的频率进行调节，使得经过所述水泵8的流水量增大。所述控制器5获取当前通过所述进水量控制装置中变频水泵装置的水流量、当前所述进水量控制装置中与所述变频水泵装置连接的旁通控制阀上朝向换热器侧的阀门开度、当前二次侧水回路2的进水温度t2、当前换热器内一次侧水回路1的进水温度t3、及当前换热器内一次侧水回路的出水温度t4，通过热交换流量前馈—温度反馈复合控制系统中闭环传递函数关系和对干扰完全补偿需求，并结合衰减曲线法和经验试凑法对pid参数进行整定，分别确定增益系数p值，积分作用值和微分作用值，然后根据pid自动调节结果，计算出当所述旁通控制阀9上朝向换热器1侧的阀门开度调到最大、且换热器1内一次侧水回路3的水流量为l’时，所述水泵8的频率大小，并将其转化成模拟量电信号形式，输出至变频器81，同时，变频器81将接收到的电信号，转成频率信号，相应调节所述水泵8的运行转速，并将所述旁通控制阀9上朝向换热器1侧的阀门开度调到最大，直至换热器1内一次侧水回路3的水流量等于l’。

当l’小于l”时，只需要调节所述旁通控制阀9上朝向换热器1侧的阀门开度即可。所述控制器5获取当前通过所述进水量控制装置中变频水泵装置的水流量、当前所述进水量控制装置中与所述变频水泵装置连接的旁通控制阀上朝向换热器侧的阀门开度、当前二次侧水回路2的进水温度t2、当前换热器内一次侧水回路1的进水温度t3、及当前换热器内一次侧水回路的出水温度t4，然后通过热交换流量前馈—温度反馈复合控制系统中闭环传递函数关系和对干扰完全补偿需求，并结合衰减曲线法和经验试凑法对pid参数进行整定，分别确定增益系数p值，积分作用值和微分作用值，然后根据pid自动调节结果，计算在当前通过所述水流量控制装置中变频水泵装置的水流量情的前提下，所需要的所述旁通控制阀9上朝向换热器1侧的阀门开度，并对所述旁通控制阀9进行相应调节，直至换热器1内一次侧水回路3的水流量等于l’。

当l’小于l时，换热器1内一次侧水回路3的水流量偏多，所述控制器5优先调节所述水泵8的运行频率，而不调节所述旁通控制阀9上朝向换热器1侧的阀门开度。所述控制器5根据pid控制算法，计算所述旁通控制阀9上朝向换热器1侧的阀门开度达到最大、且所述变频水泵8的频率为最低允许频率时，换热器1内一次侧水回路3的水流量l”，将l”与l’进行比较：

当l”小于l’时，所述控制器5获取当前通过所述水流量控制装置中变频水泵装置的水流量、当前所述水流量控制装置中与所述变频水泵装置连接的旁通控制阀上朝向换热器侧的阀门开度、当前二次侧水回路的进水温度t2、当前换热器内一次侧水回路的进水温度t3、及当前换热器内一次侧水回路的出水温度t4，通过热交换流量前馈—温度反馈复合控制系统中闭环传递函数关系和对干扰完全补偿需求，并结合衰减曲线法和经验试凑法对pid参数进行整定，分别确定增益系数p值，积分作用值和微分作用值，然后根据pid自动调节结果，计算在当前所述水流量控制装置中与所述变频水泵装置连接的旁通控制阀上朝向换热器侧的阀门开度的前提下，换热器内一次侧水回路的水流量为l’时所述水泵8的频率大小，并将其转化成模拟量电信号形式，输出至变频器81，同时，变频器81将接收到的电信号，转成频率信号，相应调节所述水泵8运行转速，直至换热器1内一次侧水回路3的水流量等于l’。

当l’小于l”时，所述控制器5获取当前通过所述水流量控制装置中变频水泵装置的水流量、当前所述水流量控制装置中与所述变频水泵装置连接的旁通控制阀上朝向换热器侧的阀门开度、当前二次侧水回路的进水温度t2、当前换热器内一次侧水回路的进水温度t3、及当前换热器内一次侧水回路的出水温度t4，通过热交换流量前馈—温度反馈复合控制系统中闭环传递函数关系和对干扰完全补偿需求，并结合衰减曲线法和经验试凑法对pid参数进行整定，分别确定增益系数p值，积分作用值和微分作用值，然后根据pid自动调节结果，计算当所述水泵8以最低允许频率运行、且换热器1内一次侧水回路3的水流量为l’时所述旁通控制阀9上朝向换热器1侧的阀门开度，对所述旁通控制阀9上朝向换热器1侧的阀门开度进行相应调节，并将所述水泵8的运行频率调节为最低允许频率，直至换热器1内一次侧水回路3的水流量等于l’。

本发明还提供一种基于液冷换热装置的控制方法，如图2所示，其包括步骤：

s100、检测并获取与换热器连接的二次侧水回路的出水温度t1，将t1与预定温度t进行比较，判断t1与预定温度t是否相等；

s200、当t1与所述预定温度不相等时，计算当t1达到t时换热器内一次侧水回路的水流量l’；

s300、对与换热器连接的一次侧水回路进行检测，并获取换热器内一次侧水回路的水流量l，将l与l’进行比较，根据l与l’的比较结果对设置在一次侧水回路的进水端并位于换热器外的水流量控制装置进行调节，直至换热器内一次侧水回路的水流量等于l’。

所述步骤s100之前还包括：

s10、检测并获取二次侧水回路的出水温度信号、换热器内一次侧水回路的水流量信号及室外湿球温度；

s11、根据获取的所述二次侧水回路的出水温度信号、换热器内一次侧水回路的水流量信号、室外湿球温度设置二次侧水回路的出水温度为所述预定温度t。

所述步骤s300具体包括：

s30、当l小于l’时，计算所述旁通控制阀上朝向换热器侧的阀门开度最大、且所述变频水泵装置的频率为最低允许频率时换热器内一次侧水回路的水流量l”，将l”与l’进行比较，并根据比较结果对所述水流量控制装置进行调节；

s31、当l’小于l时，计算所述旁通控制阀上朝向换热器侧的阀门开度最大、且所述变频水泵装置的频率为最低允许频率时换热器内一次侧水回路的水流量l”，将l”与l’进行比较，并根据比较结果对所述水流量控制装置进行调节。

所述步骤s30具体包括:

s301、当l”小于l’时，获取当前通过所述进水量控制装置中变频水泵装置的水流量、当前所述进水量控制装置中与所述变频水泵装置连接的旁通控制阀上朝向换热器侧的阀门开度、当前二次侧水回路的进水温度、当前换热器内一次侧水回路的进水温度、及当前换热器内一次侧水回路的出水温度，并计算所述旁通控制阀上朝向换热器侧的阀门开度最大、且换热器内一次侧水回路的水流量为l’时所述变频水泵装置的频率，将所述旁通控制阀上朝向换热器侧的阀门开度调节为最大，并对所述变频水泵装置进行相应调节；

s302、当l’小于l”时，获取当前通过所述进水量控制装置中变频水泵装置的水流量、当前所述进水量控制装置中与所述变频水泵装置连接的旁通控制阀上朝向换热器侧的阀门开度、当前二次侧水回路的进水温度、当前换热器内一次侧水回路的进水温度、及当前换热器内一次侧水回路的出水温度，并计算当前通过所述水流量控制装置中变频水泵装置的水流量情况下，所述旁通控制阀上朝向换热器侧的阀门开度，并对所述旁通控制阀进行相应调节。

所述步骤s31具体包括：

s311、当l”小于l’时，获取当前通过所述水流量控制装置中变频水泵装置的水流量、当前所述水流量控制装置中与所述变频水泵装置连接的旁通控制阀上朝向换热器侧的阀门开度、当前二次侧水回路的进水温度、当前换热器内一次侧水回路的进水温度、及当前换热器内一次侧水回路的出水温度，计算当前所述水流量控制装置中与所述变频水泵装置连接的旁通控制阀上朝向换热器侧的阀门开度前提下，换热器内一次侧水回路的水流量为l’时所述变频水泵装置的频率，并对所述变频水泵装置进行相应调节；

s312、当l’小于l”时，获取当前通过所述水流量控制装置中变频水泵装置的水流量、当前所述水流量控制装置中与所述变频水泵装置连接的旁通控制阀上朝向换热器侧的阀门开度、当前二次侧水回路的进水温度、当前换热器内一次侧水回路的进水温度、及当前换热器内一次侧水回路的出水温度，计算所述变频水泵装置的频率调节为最低允许频率、且换热器内一次侧水回路的水流量为l’时，所述旁通控制阀上朝向换热器侧的阀门开度，将所述变频水泵装置的频率调节为最小允许频率，并对所述旁通控制阀上朝向换热器侧的阀门开度进行相应调节。

综上所述，本发明所提供了一种液冷换热装置及其控制方法，通过调节装置对一次侧水回路进行检测，并分别获取换热器内一次侧水回路的水流量l、以及当与换热器连接的二次侧水回路的出水温度达到与预定温度时换热器内一次侧水回路的水流量l’，并将l与l’进行比较，根据l与l’的比较结果在温度反馈调节作用下，通过旁通控制阀调节一次侧水回路流入换热器的流水量，同时通过变频器调节水泵转速，使二次侧水回路的出水温度保持在预定温度，从而避免业务量、环境变化等各种干扰对被控参数的影响，并使被控温度稳定在设定值上，以保证液冷系统始终保持较高的控温质量。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。