一种泵驱两相流热控系统及其控制方法

本发明属于热管理，特别涉及一种泵驱两相流热控系统及其控制方法。

背景技术：

1、电子设备的工作温度大多有一定限制，需要控制各个器件元件的温度，以防止设备发生故障；因此，热控制系统的概念被提出，用以实现对温度要求较高的部件进行温度控制。

2、随着电子器件功能和复杂性的提高，部件的集成度不断提高，散热需求也越来越高，现有的被动热控系统已不能满足电子设备热管理需求；解释性的，被动热控系统存在不能自动调节温度，毛细泵回路驱动力不足等问题。

3、机械泵驱动的两相流冷却回路系统，以其优越的稳定性、较长的传动距离和较高的温度控制精度，成为了冷却技术研究领域的热点；示例性的，如在航空航天领域；研究表明，泵驱两相流热控系统，在冷却性能、系统尺寸及泵功消耗上均优于水冷系统。

4、另外，由于电子设备发热器件的特殊性及对工作温度的要求，需要对多点的热源进行及时散热并保证温度的均匀性。相对于单相水路系统，由于两相蒸发器中制冷剂温度几乎不变，在温度均匀性及换热能力有较大提升。

5、然而，现有技术对于温度均匀性的控制逻辑并不完善，由于两相态制冷剂温度与压力一一对应，一般使用换热器压力控制与功率控制相结合的方法。目前现有控制方法，低负荷下温度均匀性可达到预期效果，<±1℃；高负荷下容易出现温度失控现象；再有，由于电子器件的集成化，对冷却的热流密度要求也越来越高，大于10w/cm2，在现有系统基础上提高系统高热流密度下冷却效果也是亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种泵驱两相流热控系统及其控制方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明提供的技术方案，可以解决现有技术中两相流热控系统高热流密度下冷却能力不足，以及温度均匀性不能达到预期的技术问题。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供的一种泵驱两相流热控系统，包括：压缩机、气体冷却器、三通比例调节阀、均温回热器、节流阀、储液罐、泵和冷却模块；

4、所述压缩机的出口经所述气体冷却器与所述三通比例调节阀的第一接口相连通，所述三通比例调节阀的第二接口经所述均温回热器的第一换热通道与所述节流阀的进口相连通，所述三通比例调节阀的第三接口与所述节流阀的进口相连通；

5、所述节流阀的出口与所述储液罐的第一进口相连通，所述储液罐的气体出口与所述压缩机的进口相连通，所述储液罐的液体出口依次经所述泵、所述均温回热器的第二换热通道、所述冷却模块与所述储液罐的第二进口相连通；

6、其中，所述冷却模块包括一个或多个冷却支路，所述冷却支路包括换热冷板和调节阀。

7、本发明提供的一种泵驱两相流热控系统的控制方法，包括以下步骤：

8、获取所述泵驱两相流热控系统工作时的参数状态空间；

9、将所述参数状态空间输入预测控制模型，获得作为控制目标的整体工质流量预测值、冷却模块的进口干度预测值以及各冷却支路的出口干度预测值；

10、基于所述作为控制目标的整体工质流量预测值，控制泵的转速；基于作为控制目标的冷却模块的进口干度预测值以及各冷却支路的出口干度预测值，控制三通比例调节阀的开度以及各冷却支路的调节阀的开度。

11、本发明控制方法的进一步改进在于，所述参数状态空间表示为，

12、

13、式中，p3为系统低压压力；dplate,i为第i冷却支路的换热冷板的特征截面尺寸；lplate,i为第i冷却支路的换热冷板的特征长度；为第i个冷却支路的制冷剂流量；ui为第i个冷却支路的散热功率；wi为第i个冷却支路的发热功率；xin为冷却模块制冷剂进口干度；xout，i为第i个冷却支路制冷剂出口干度；αtarget为温度均匀性目标；tcomponent，i为被控部件温度。

14、本发明控制方法的进一步改进在于，

15、所述冷却模块制冷剂进口干度通过其焓值反算，焓值计算表达式为，

16、

17、所述第i个冷却支路制冷剂出口干度通过其焓值反算，焓值计算表达式为，

18、

19、式中，hin为冷却模块进口制冷剂焓值；hout，i为第i冷却支路制冷剂出口焓值；为流经回热器高压制冷剂质量流量；t1为回热器高压进口制冷剂温度；p1为回热器高压进口制冷剂压力；t2为回热器高压出口制冷剂温度；p2为回热器高压出口制冷剂压力；为泵驱回路制冷剂流量；p3为系统低压压力；ui为第i个冷却支路的散热功率；为第i个冷却支路制冷剂流量。

20、本发明控制方法的进一步改进在于，

21、所述模型预测控制器为用于热管理系统中的模型预测控制器，还包括下述控制逻辑：

22、xheat_transfer＝f(p3，dplate，i，lplate，i，wi)；

23、xoptimal＝[xoptimai，in，xoptimai，out]；

24、

25、xoptimal＝αtemuni，i·xheat_transfer；

26、npump＝f(tcomponent，i，xin，xout，i，xoptimal)；

27、式中，αtemuni，i为第i冷却支路被冷部件的温度均匀系数；xheat_transfer为根据实时参数计算出的换热系数；xoptimai为最优进出口干度，包括最优进口干度xoptimal，in与最优出口干度xoptimal，out；npump为最优泵转速。

28、本发明控制方法的进一步改进在于，所述基于作为控制目标的冷却模块的进口干度预测值以及各冷却支路的出口干度预测值，控制三通比例调节阀的开度以及各冷却支路的调节阀的开度的步骤包括：

29、基于作为控制目标的冷却模块的进口干度预测值，通过进口干度pi控制器控制三通比例调节阀的开度，以使得冷却模块制冷剂进口干度的计算值趋近所述进口干度预测值；

30、基于作为控制目标的各冷却支路的出口干度预测值，通过各冷却支路的出口干度pi控制器控制各冷却支路的调节阀的开度，以使得各冷却支路制冷剂出口干度的计算值趋近所述各冷却支路的出口干度预测值。

31、本发明控制方法的进一步改进在于，所述换热冷板的设计选型步骤包括：

32、步骤1，获取极限工况参数；其中，所述极限工况参数包括被控部件极限发热量、目标温度、冷板换热温差、温度均匀性目标、环境温度、气冷换热温差、气冷迎面风速；

33、步骤2，使用模型预测控制器对不同冷板参数下最优进、出口干度及流量预测后，对冷板参数进行评估，达到预设目标后设计完成，否则进入冷板参数更新循环；其中，进行评估时的冷板评估参数选取为冷板压降。

34、本发明控制方法的进一步改进在于，所述泵的设计选型步骤中，

35、泵的最小排量表示为，

36、式中，vpump为泵的最小排量；n为泵的最大转速；ρliquid为蒸发压力下制冷剂为饱和液体的密度；mpump为模型预测控制器输出的最优泵驱流量。

37、本发明控制方法的进一步改进在于，所述压缩机的设计选型步骤中，

38、压缩机的最小排量表示为，

39、式中，vcomp为压缩机的最小排量；ncomp为压缩机的最大转速；ρgas为蒸发压力下制冷剂为饱和气体的密度；mcompressor为压缩机路制冷剂流量。

40、本发明控制方法的进一步改进在于，所述气体冷却器及均温回热器的设计选型步骤包括：

41、获取设计工况参数；其中，所述设计工况参数包括：环境温度、气冷换热温差、低压换热温差和气冷迎面风速；

42、通过所述设计工况参数获取吸气压力、气冷出口温度，再通过气冷出口温度获得最优排气压力；

43、将压缩机路制冷剂流量、泵驱回路制冷剂流量、气冷出口温度、排气压力、低压进口干度、低压压力作为换热条件输入，低压出口干度为设计目标对均温回热器进行设计；

44、将压缩机路制冷剂流量、排气温度、排气压力、气冷迎面风速作为气体冷却器的输入条件，以气冷出口温度为设计目标进行气体冷却器设计。

45、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

46、本发明公开泵驱两相流热控系统中，创新性的设置有均温回热器、三通比例调节阀和节流阀，可解决现有技术中两相流热控系统高热流密度下冷却能力不足，以及温度均匀性不能达到预期的技术问题。具体解释性的，三通比例调节阀的开度是可以调节的，通过调节其开度可控制均温回热器的换热量，从而可控制冷却模块的制冷剂进口干度；另外，冷却模块由多个换热冷板与对应的调节阀组成，每一组换热冷板和调节阀构成一个冷却支路，调节阀的开度可调，通过控制调节阀的开度可控制通过冷却支路制冷剂流量，最终达到控制出口干度的效果。

47、本发明的控制方法中，针对多点热源、高热流密度、高温度均匀性要求的电子设备热管理系统冷却问题，通过均温回热器及模型预测控制实现泵驱两相流系统的冷板进口、出口的双干度控制，在制冷剂干度层面保证较大的制冷剂换热系数以保证高热流密度下性能，双干度控制由于制冷剂温度均匀性较好且流量较大，可结合控制实现两相流热控系统高能效，高温度均匀性控制。

48、本发明中，可采用模型预测控制与pi控制结合手段，实现冷却模块的进口及出口双干度控制，保证制冷剂在高换热系数区间工作，最终能带来较大的温度均匀性控制及系统性能进步。