本发明属于电子或电器设备冷却系统技术领域或其他相近需要提供冷源的领域，具体涉及一种多功能二氧化碳系统及其操作方法。
背景技术：
当今社会，电子产品已经普及于各个行业及日常生活，而起消耗电能的同时，也产生了大量的热量，电子设备冷却的不充分尤其是高集成电子元件的冷却不足，往往会降低其性能甚至导致其损坏。其中，占据份额较大的一块，数据中心的冷却耗能，据不完全统计，2011年数据中心消耗电能为1000亿kWh，同时伴随着10—20％的增长速度。若不采用任何的技术革新，预计2030年数据中心将耗尽全部的电能。而这些中，45％以上均是用于芯片等电子元件的冷却耗能，这无疑是一种巨大的浪费。除了数据中心方面，在交通方面，通信方面等等，尤其是在新能源电动汽车等等方面，都需要及时的冷却以满足正常的电器设备工作。
相关的冷却目前有风冷、液冷模式，常规传统风冷模式因其稳定，简易的设备构造依然占据较大的市场份额；而液冷作为效率较高的冷却方式，也逐步备受青睐。对于液冷，其中又有水冷或冷却液单相冷却；非导电工质如制冷剂两相蒸发冷却。单相冷却其冷却极限较利用潜热进行的两相蒸发冷却要小得多，因而，利用潜热的两相蒸发冷却方式，在节能、高效方面表现出的优势有望取代传统冷却方式，最大程度的节约能源。
泵驱动两相蒸发冷却，其耗能低，设备简单，驱动液相工质进入换热冷板，吸收电子元件热量，从而达到冷却降温的目的。然而，其循环工质的温度受环境温度限制，在一定程度上，在高环境温度下往往不能满足冷却效果；或者，在已设计好的冷却换热冷板下，正常工作的电子元件泵送两相蒸发冷却满足冷却要求，而电子元件在用户高峰期或者其他原因产生负荷峰值时，冷却效果变差，从而无法完成冷却要求。
为此，产生了泵驱动和气体压缩混合冷却技术，其混合方式也有各异，一方面，气体压缩系统设计为泵送驱动系统冷凝器降温，从而使得泵送驱动循环工质温度降低，以达到冷却效果；另一方面，气体压缩和泵送驱动独立设计系统，为一个换热冷板提供不同温度的液相工质，从而在不同的条件下实现对电子元件的有效冷却。这两种混合冷却方式都包含两个驱动装置，或同时运行或分别运行，增加了系统的运行成本，增加了系统的投入成本、维修成本，同时，两个驱动装置也增加了系统的故障风险。此外，本文所使用的CO2工质为环保工质，适应当前发展所需。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种多功能二氧化碳系统及其操作方法，以解决上述存在的技术问题。本发明的冷却系统受环境温度的限制较低，不仅可以使电子设备在稳定的工况下高效运行，还可以起到节能的效果。
为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案予以实现：
一种多功能二氧化碳系统系统，包括气液分离装置、集成驱动装置、换热冷板和冷凝装置；气液分离装置上设置有液相端口和气相端口；集成驱动装置上设置有工质入口和工质出口，集成驱动装置的工质入口通过第一管路与气液分离装置的液相端口相连通，所述第一管路上设置有第一流量控制装置，集成驱动装置的工质入口通过第五管路与气液分离装置的气相端口相连通，所述第五管路上设置有第五流量控制装置；换热冷板上设置有第一端口和第二端口，换热冷板的第一端口通过第二管路与集成驱动装置的工质出口相连通，所述第二管路上设置有第二流量控制装置，换热冷板的第一端口通过第八管路与气液分离装置的液相端口相连通，所述第八管路上设置有第八流量控制装置；冷凝装置上设置有工质入口和工质出口，冷凝装置的工质入口通过第三管路与换热冷板的第二端口相连通，所述第三管路上设置有第三流量控制装置，冷凝装置的工质入口通过第六管路与集成驱动装置的工质出口相连通，所述第六管路上设置有第六流量控制装置，冷凝装置的工质出口通过第四管路与气液分离装置的气相端口相连通，所述第四管路上设置有第四流量控制装置，冷凝装置的工质出口通过第七管路与换热冷板的第二端口相连通，所述第七管路上设置有第七流量控制装置。
进一步地，第一流量控制装置、第二流量控制装置、第三流量控制装置、第四流量控制装置、第五流量控制装置、第六流量控制装置、第七流量控制装置和第八流量控制装置均为电磁阀。
进一步地，还包括过滤器和流量计；所述过滤器设置于集成驱动装置的工质出口处；所述流量计设置于换热冷板的第一端口处。
进一步地，还包括板式中间换热器；所述板式中间换热器设置在第八管路和第七管路上。
进一步地，还包括电子膨胀阀和温度传感器；所述电子膨胀阀设置于第七管路上；换热冷板用于冷却待冷却电子元件；温度传感器用于检测待冷却电子元件的温度；温度传感器的信号输出端与电子膨胀阀的信号输入端相连接。
进一步地，所述冷凝装置上还设置有风扇；冷却系统中用的工质为CO2。
进一步地，集成驱动装置为滑片式旋转机械，集成驱动装置的工作腔的排出端口设置有阀片。
一种多功能二氧化碳系统的操作方法，在第一种工况下：第一流量控制装置、第二流量控制装置、第三流量控制装置和第四流量控制装置开启，第五流量控制装置、第六流量控制装置、第七流量控制装置和第八流量控制装置关闭；液相工质自气液分离器的液相端口经第一流量控制装置流入集成驱动装置，液相工质从集成驱动装置的出口然后经第二流量控制装置流入换热冷板；液相工质在换热冷板内吸收待冷却电子元件的热量，发生沸腾换热，带走待冷却电子元件的热量，两相状态的工质流出换热冷板，经第三流量控制装置流入冷凝装置；冷凝后的工质经第四流量控制装置流入气液分离器，完成一个循环；
在第二种工况下：第一流量控制装置、第二流量控制装置、第三流量控制装置和第四流量控制装置处于关闭状态，第五流量控制装置、第六流量控制装置、第七流量控制装置和第八流量控制装置处于开启状态；气相工质自气液分离器气的相端口经第五流量控制装置流入集成驱动装置，然后高温高压的气体经第六流量控制装置进入冷凝器冷凝为液相工质，经第七流量控制装置进入中间换热器，在中间换热器内进一步降温后流进电子膨胀阀，降温降压；两相工质经换热冷板的第二端口流入换热冷板，吸收来自待冷却电子元件的热量；发生沸腾换热，两相或气相的工质自换热冷板的第一端口流出，流入中间换热器，经第八流量控制装置流入气液分离器，完成一个循环。
进一步的，由第一种工况转变为第二种工况时，第五流量控制装置、第六流量控制装置、第七流量控制装置和第八流量控制装置依次开启；然后，第二流量控制装置、第四流量控制装置、第三流量控制装置、第一流量控制装置依次关闭。
进一步的，第一种工况转变为第二种工况时，全部流量控制装置开启关闭的总控制时间满足如下关系：
t≤[7.41×(Tmax-Tstab)-89.7]单位：s (2)
其中：Tmax为待冷却电子元件所能承受的极限温度值，Tstab为冷却系在第二种工况下稳定运行时待冷却电子元件的温度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
相比于泵和压缩机的混合系统，本发明只设置有一个集成驱动装置，可较大程度上降低系统成本、故障风险及维修成本；通过控制流量控制装置的开闭，本发明可以实现两种冷却模式，在周围工作环境较高的情况下以及电子元件在用户高峰期或者其他原因产生负荷峰值时，也能获得较好的冷却效果，可保证电子设备在稳定的工况下高效运行，也可以起到节能的作用。相比已有的泵、压缩集成系统，该系统确保了冷凝器始终是上进下出，确保了最佳冷凝效果；同时多个电磁阀的控制方式，更有利于系统控制。同时本发明使用环保工质CO2，对保护臭氧层和缓解温室效应都是有益的。
进一步的，流量控制装置均设置为电磁阀，可缩短操作时间，提高流量控制的精确度。
进一步的，冷却系统在集成驱动装置的工质出口处设置过滤器，过滤器可以过滤工质，主要起到保护冷却系统防止阻塞的作用。
进一步的，设置板式中间换热器可将第七管路和第八管路中的工质进一步降温。
进一步的，温度传感器可以将待冷却电子设备的实时温度反馈给电子膨胀阀，电子膨胀阀根据接收到的信号，可以快速的调节工质流量，可提高冷却的精确度。
进一步的，风扇可加速冷凝装置周围的空气流动，可加速冷凝装置的降温。
进一步的，通过本发明的操作方法，可确保在系统转变过程中，温度瞬时峰值最低，冷却效果最佳，防止在系统转变过程中损坏电子设备；本发明电磁阀的开启顺序确保在系统转变过程中，也能给换热冷板提供充足的冷却工质，防止流动死区的产生，避免电子设备瞬间干烧。
附图说明
图1是本发明的一种多功能二氧化碳系统的结构示意图。
在图1中：1集成驱动装置；2过滤器；3流量计；4换热冷板；5冷凝装置；6风扇；7气液分离装置；8板式中间换热器；9电子膨胀阀；10温度传感器；19液相端口；20气相端口；21第一端口；22第二端口；23待冷却电子设备。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1所示，本发明的一种多功能二氧化碳系统，包括集成驱动装置1、过滤器2、流量计3、换热冷板4、冷凝装置5、风扇6、气液分离装置7、板式中间换热器8、电子膨胀阀9、温度传感器10和流量控制装置；冷凝装置5选用冷凝器，气液分离装置7为气液分离器，流量控制装置为电磁阀11-18。
集成驱动装置1的工质入口连接两个支路：其中一支路经电磁阀11连接气液分离器的液相端口19，另一支路经电磁阀15连接气液分离器的气相端口20；集成驱动装置1的工质出口连接过滤器2，过滤器的出口连接两个支路：其中一支路依次经电磁阀12、流量计3连接换热冷板4的第一端口21，另一支路经电磁阀16连接冷凝装置5的工质入口；换热冷板4的第二端口22通过电磁阀13连接冷凝装置5的工质入口；换热冷板4的第二端口22经电子膨胀阀9、中间换热器8、电磁阀17连接冷凝装置5的工质出口；冷凝装置5的工质出口经电磁阀14连接气液分离器的气相端口20；气液分离器的液相端口另一支路经电磁阀18、中间换热器8接入电磁阀12和流量计3中间。冷却系统的工质为CO2环保材料也可以是能实现液体泵送和气体压缩功能的常规制冷剂。泵/压缩集成驱动装置为滑片式旋转机械，工作腔的排出端口设有阀片，无吸入阀片，且无封闭压缩腔。工质始终从冷凝器上侧的工质入口进入，从下侧的工质出口流出，确保较好的冷凝效果。温度传感器10固定设置于换热冷板4上，用于检测电子元件的运行温度，系统运行于气体压缩路时，电子膨胀阀9的开度根据电子元件温度的最大值，自动调节，可在满足冷却效果的前提下最大程度的节约能源。系统在低环境温度或低电子元件热负荷下，电磁阀11、12、13、14开启，电磁阀15、16、17、18关闭，运行于泵送系统，达到节能目的；在高环境温度或高电子元件热负荷下，温度信号高于设定值时，电磁阀15、16、17、18开启，电磁阀11、12、13、14关闭，系统运行于气体压缩支路，提供温度更低的流体流入换热冷板4。
本发明的冷却系统的工作流程为：在电子元件负荷较低或环境温度较低的情况下，即泵送驱动方式电子元件温度满足冷却要求的时候，系统电磁阀11、12、13、14开启，电磁阀15、16、17、18关闭，液相工质自气液分离器的液相端口19经电磁阀11流入集成驱动装置1，驱动装置为旋转滑片式，液相工质经吸入端口进入工作腔，在流体体积力的作用下，排出端口阀片被打开，驱动装置充当泵的角色，液相工质经微小的压力、温度升高后，经过滤器2、电磁阀12、流量计3流入换热冷板4，过滤器2主要起保护系统的作用；液相工质在换热冷板4内吸收电子元件的热量，发生沸腾换热，带走电子元件的热量，两相状态的工质流出换热冷板4，经电磁阀13流入冷凝器5；冷凝后的工质经电磁阀14流入气液分离器，完成一个循环。
当电子元件负荷增加或环境温度升高，检测到电子元件的温度不满足冷却要求时，系统转变为气体压缩蒸发冷却支路，此时，电磁阀11、12、13、14处于关闭状态，电磁阀15、16、17、18处于开启状态；气相工质自气液分离器气的相端口20经电磁阀15流入集成驱动装置1，自吸入端进入工作腔，在工作腔内被压缩至排气压力，排气阀打开，高温高压的气体经过滤器2、电磁阀16进入冷凝器冷凝为液相工质，经电磁阀17进入中间换热器8，在中间换热器8内进一步降温后流进电子膨胀阀9，降温降压。较冷的两相工质经换热冷板4的第二端口22流入换热冷板4，吸收来自电子元件的热量，保证电子元件的表面温度满足冷却要求；发生沸腾换热，两相或气相的工质自换热冷板4的第一端口21流出，流入中间换热器8，经电磁阀18流入气液分离器，完成一个循环。
本发明的一种多功能二氧化碳系统的操作方法，当系统自泵送液相两相蒸发冷却方式转变为气体压缩蒸发冷却方式时，首先，为了防止系统出现短时间的堵塞，电磁阀15、16、17、18依次开启，这时，自驱动装置出口的工质有近20％流入到换热冷板，有效防止系统堵塞的同时也在一定程度上的保证了冷却效果，防止了干烧现象；然后，电磁阀12、14、13、11依次关闭，电磁阀12关闭时，有近50％工质流进换热冷板。系统在转变过程中，总会存在一个峰值，冷却效果突然下降，电子元件温度突然上升。本发明有效的保证了系统在转变过程中的冷却性能，以此方式获得的冷却性能的提升与总的控制时间有如下关系：
Tincreasing＝0.1403*t+0.2173。
式中：Tincreasing为所有不同冷却方式下，电子元件表面温度最大值的差值，t为总的控制时间，可见，若控制过程能在很短的时间完成，不同的阀开启和关闭顺序对电子元件温度影响较小。
此外，自泵送支路转向气体压缩支路状态运行时，所有电磁阀开启或关闭的总时间需满足：
t≤[7.41*(Tmax-Tstab)-89.7]
式中：Tmax为电子元件所能承受极限温度值，单位为℃；Tstab为泵送支路稳定运行下的电子元件温度，单位为℃；t为总的控制时间，单位为秒。
当系统自气体压缩冷却方式转变为泵送两相蒸发冷却方式时，在这个状态下，电子元件的负荷往往是减小的或者环境温度是减小的，此时，电磁阀的关闭顺序对系统性能几乎没有影响。电磁阀11、13、14、12依次开启，电磁阀15、16、17、18依次关闭。系统完成冷却方式的转变。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些改动和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。