一种双相流冷却系统中的过热度检测方法

摘要

本发明涉及到一种双相流冷却系统中的过热度检测方法，双相流冷却系统中包括有包含制冷剂的循环管路，在循环管路上依次设有储液器、冷剂泵、热交换器和过滤器，双相流冷却系统中还设有温度传感器、压力传感器和用于检测过热度的控制单元；控制单元中数据采集模块分别连接温度传感器和压力传感器以采集温度值和压力值，该数据采集模块连接有A/D转换模块，A/D转换模块通过I

说明书

技术领域

本发明涉及电子冷却散热技术，特别涉及到一种双相流冷却系统中用到的过热度检测方法。

背景技术

随着电力电子工业的发展，系统集成度呈几何倍数增加。在同一设备的实际应用中，为了节省空间并提高集成度，通常会安装多个功率模组在同一冷却板或单个冷却回路上以串联多个热源。若采用常规冷却方式如风冷、液冷等，冷却流体的温度会随着吸收的热量增加而稳步提高，这样会导致冷却流体进出会存在一定的温度差。很多时候，由于管路、流道和冷却流体密度改变，其温差会变得相当大。

实际设计中都会预留相当大的散热余量，从而提高被冷却部件的可靠性。另外，现有冷却方案都是采用单相介质作为冷源，其结果是冷却介质循环流量大而耗费很多电功率在冷却设备上。根据多年的研究，我们认为液体相变冷却刚好能满足上述需求。而一旦采用两相冷却方案，就必须有检测方法来确保冷却介质在冷却板中必须是两相态，否则会烧毁被冷却部件。现有技术中一般采用换热器进口的压力及进出口的压差与进口处的温度进行比较来确定过热度，但是其无法简单准确地反映出当前系统中制冷剂的过热度，也无法根据当前过热度进行相应的保护。

发明内容

本发明专利的目的在于克服现有的过热度检测技术的不足，本发明提供一种过热度检测技术。该发明方法利用系统中已存的压力和温度传感器，配合数据采集设备和数据处理设备，可以简单准确地检测当前制冷剂的过热度，避免由于系统缺少制冷剂或堵塞而烧毁被冷却的电子电力组件。

为了实现上述发明目的，本发明提供了如下技术方案：

一种双相流冷却系统中的过热度检测方法，所述双相流冷却系统中包括有包含制冷剂的循环管路，在所述的循环管路上依次设有储液器、冷剂泵、热交换器和过滤器，其特征在于，在所述的双相流冷却系统中还设有温度传感器、压力传感器和用于检测过热度的控制单元，所述的温度传感器安装在制冷剂的循环回路中系统入口位置用以采集温度值T1，压力传感器安装在制冷剂的循环回路中系统入口位置用以采集压力值P1；

所述的控制单元中设有数据采集模块、控制器和上位机，所述的数据采集模块分别连接温度传感器和压力传感器以采集温度值和压力值数据，采集的数据通过一个A/D转换模块转换为数字信号经I²C总线输入至所述的控制器，该控制器通过RS485总线连接所述的上位机；在所述的控制器中设有制冷剂过热度计算程序，上位机根据计算的过热度做出相应动作；

所述的制冷剂过热度计算程序包括：

1）根据制冷剂R134a的压焓图读取制冷剂饱和温度值T1a和对应压力值P1a，预先将制冷剂饱和温度值T1a和对应压力值P1a的表格数据存储在控制单元中，该表格中包括有饱和温度值T1a与压力值P1a，该表格饱和温度值与压力值采用分度对应；

2）根据数据采集模块采集并经过A/D转换模块转换后得到的实时压力值采用上述表格查找出理论饱和温度值并将数据存储；

3）将采集的实时温度值与查找出的理论饱和温度值比较，若实际温度值比理论饱和温度值高，则判定制冷剂处于过热状态，其过热度为实际温度值减去理论饱和温度值。

在本发明双相流冷却系统中的过热度检测方法中，所述的制冷剂过热度计算程序中，若采集到的实时压力值处于表格中的两个相邻压力值之间，则默认表格中两个相邻压力值与两个相邻的饱和温度值为线性关系，据此计算出实时压力值对应的理论饱和温度值。

在本发明双相流冷却系统中的过热度检测方法中，当通过实时压力值P1计算出的理论的饱和温度值Ta小于T时，则表示此时制冷剂处于过热状态；当T-Ta≥2℃时，表示系统缺少制冷剂，需要冲注制冷剂，同时控制器会发出关机指令并在上位机中显示报警状态，冷却系统进入关机流程。

基于上述技术方案，本发明的双相流冷却系统中的过热度检测方法与现有技术相比具有如下技术优点：

1.本发明双相流冷却系统中的过热度检测方法利用系统中的压力传感器和温度传感器，在控制单元中采用一定的算法来实时计算过热度，根据过热度的值判断是否缺液以及是否需要关闭冷却系统。

2.本发明的过热度检测方法在实践中只需要在制冷剂的循环回路中系统入口位置安装一只压力传感器和一只温度传感器即可，可以简单准确的计算出当前制冷剂的过热度，而无需通过计算换热器两端的压差和换热器入口压力来计算过热度。

附图说明

图1是本发明双相流冷却系统中的过热度检测方法系统布置示意图。

图2是本发明双相流冷却系统中的过热度检测方法的控制流程图。

具体实施方式

下面我们结合附图和具体的实施例来对本发明双相流冷却系统中的过热度检测方法进行进一步的阐述，以求更为清楚明了地理解其结构组成和工作流程，但不能以此来限制本发明专利的保护范围。

由于冷却系统采用了两相冷却方案，就必须有检测方法来确保冷却介质在冷却板中必须是两相态，否则一旦变为纯气态，其传热系数衰减到不足原有的百分之十，会马上烧毁被冷却部件。所以急需一种检测方案来随时监测冷板出口的过热度，确保它一直工作在两相态，一旦出现失控状态，就进入关机程序，确保被冷却部件的安全。

如图1所示，本发明是一种双相流冷却系统中应用到的过热度检测方法，所述双相流冷却系统中包括有包含制冷剂的循环管路，在所述的循环管路上依次设有热交换器、过滤器、储液器和冷剂泵。在所述的双相流冷却系统中还设有温度传感器、压力传感器和用于检测过热度的控制单元，所述的温度传感器安装在制冷剂的循环回路中系统入口位置用以采集温度值T1，压力传感器安装在制冷剂的循环回路中系统入口位置用以采集压力值P1，通过系统中的压力传感器和温度传感器可以简单方便的对压力值和温度值进行采集，无需通过压力表和感温线等检测部件来经行数据采集。

上述的控制单元中设有数据采集模块、控制器和上位机，所述的数据采集模块分别连接温度传感器和压力传感器以采集温度值数据和压力值数据，温度传感器和压力传感器的数据值均为模拟量，该数据采集模块连接有A/D转换模块，采集到的模拟量数据通过一个A/D转换模块转换为数字信号，再经过一根I²C总线输入至所述的控制器内，控制器则通过一根RS485总线连接并输入信号至所述的上位机。通过所述的控制单元可以对温度值和压力值进行实时采集，无需人为的不间断读数，提升工作效率，同时降低了因读数造成的人为误差。

在所述的控制器中设有制冷剂过热度计算程序，而上位机会根据计算出来的过热度来做出相应动作。

所述的制冷剂过热度计算程序包括：

1）根据制冷剂R134a的压焓表读取制冷剂饱和温度值T1a和对应压力值P1a，预先将制冷剂饱和温度值T1a和对应压力值P1a的表数据存储在控制单元中，该表格中包括有饱和温度值T1a与压力值P1a，并且饱和温度值与压力值采用分度一一对应。

上述制冷剂R134a的压焓表如下：

2）根据数据采集模块采集并经A/D转换模块转换后得到实时压力值P1，在上述表中查找出该实时压力值P1，该实时压力值P1对应的理论饱和温度值T1a，并将该理论饱和温度值T1a数据存储起来。

3）再将采集的实时温度值T1与查找出的理论饱和温度值T1a进行比较，若实际温度值T1比理论饱和温度值T1a高，则判定制冷剂处于过热状态，也就是说，当通过实时的压力值P1计算出的理论饱和温度值T1a小于实际温度值T1时，则表示此时制冷剂处于过热状态。过热度为实际温度值减去理论温度值，即实时温度值与理论饱和温度值的差值。作为实践例子，当T1-T1a≥2℃时，表示系统缺少制冷剂，控制器会发出关机指令进入关机流程。

在上述的制冷剂过热度计算程序中，作为补充的技术方案，若采集到的实时压力值P1处于表格中的两个相邻压力值之间，则默认表格中两个相邻压力值与两个相邻的饱和温度值为线性关系，并据此计算出实时压力值对应的理论饱和温度值T1a。

本发明专利的过热度检测方法的具体实现过程如下：

（1）利用安装在制冷剂循环回路中系统入口位置的压力传感器采集实时压力值P1，如图1所示；

（2）利用安装在制冷剂循环回路中系统入口位置的温度传感器采集实时温度值T1，如图1所示；

（3）利用数据采集模块将压力传感器探测到的实时压力值P1、温度传感器探测到的实时温度值T1进行信号采集，得到模拟量信号，并通过A/D转换模块对采集到信号进行模拟量和数字量的转换，将经过转换的数字量信号再通过I²C总线输入至控制器中，如图2所示；

（4）在控制器中设有数据计算模块，该数据计算模块中含有制冷剂过热度计算程序，采用如下特殊的算法，利用检测到的实时压力值P1来计算理论饱和温度值T1a，一个具体的算法示例如下：

作为冷却液的制冷剂R134a运行在循环管路中，其饱和温度值的范围设定为-40℃--101℃。其中，以1℃为分度值，共分为141组温度值，其对应的压力值也为141组，就可以将温度值和对应的压力值做成一一对应的表格形式，如上述压焓表所示，并将此表格数据存储到控制器中。利用模数转换后的实时压力值P1，通过数据查找的方式来计算出理论饱和温度值T1a。作为特殊情况，对于处于1℃分度值以内的压力值，默认压力值与饱和温度值之间为线性关系，即根据压力值和饱和温度值的线性关系，利用压力传感器采集的实时压力值来计算出对应的理论饱和温度值T1a。

（5）在控制器中，将采集到且经模数转化后的实时温度值T1与理论饱和温度值T1a进行比较，若采集到的实时温度值T1超过理论饱和温度值T1a，则判定作为冷却液的制冷剂R134a处于过热状态，而当过热度大于2℃时，此时表明系统缺少制冷剂，需要冲注制冷剂；同时控制器会发出关机指令并在上位机中显示报警状态，整个冷却系统进入关机流程。

通过上述过热度检测方法，可以通过控制器简单快捷的进行实时计算，从而得到准确的过热度数值，避免人工通过复杂的公式进行计算。

毫无疑问，以上只是本发明专利的一个具体的实施方式，除此之外，本发明的过热度检测方法还有其他类似的方案设计和计算方式。总而言之，本发明的过热度检测方法要求保护的除了上述方式以外还包括其他对于本领域技术人员来说显而易见的变化和替代。