一种单水箱蓄冷式精确控温液冷系统

技术领域

本发明涉及液冷系统领域，具体是一种单水箱蓄冷式精确控温液冷系统。

背景技术

随着电子设备的大量运用，其热负荷也不断提高，而且设备所处的工作环境温度与其性能、效率、可靠性和寿命直接相关，因此针对高热流密度的电子设备，会根据其工作特性为其配套液冷系统用于维持电子设备的最佳运行温度。对于不同属性的电子设备对为其配套的液冷系统要求也各不相同，具体表现为以下几方面：

①电子设备大功率化的普及，热负荷较大且变化范围大，最大要求为0～100%，其中电子设备高性能模式（最高热负荷）运转时长占比低。

②不同电子设备对最佳运行温度的要求不同，其中激光设备的最佳运行温度为20℃～25℃；雷达设备的最佳运行温度范围一般为15℃～35℃，最大适应范围为＜75℃；机房内电子设备温度要求范围为10℃～30℃，且控温精度较高，一般为±1℃，部分精密电子设备要求为±0.1℃。

③电子设备所处环境温度变化范围较大，固定站的雷达设备、激光设备和机房内的电子设备环境温度变化范围一般为-20℃～40℃，移动式车载电子设备（或军用电子设备）环境温度变化范围一般为-40℃～55℃。

因此，为之配套的液冷系统需具备大制冷量且能够根据热负荷自适应运转、温度调节范围大且控温精度高、环境适应性范围较大，同时还需在兼顾移动式车载（或军用）环境的轻量化、小型化特点的同时满足功耗低、可靠性高的要求。现有技术一般做法如下：

①对于供液温度要求值较低（T供液≤T环境+8℃）的情况，一般采用压缩机制冷系统，按照高温工况（+55℃）的系统要求最大制冷量进行设计，系统采用变频压缩机或电子膨胀阀+冷量旁通+温度响应阀等措施冷量调节措施，以此满足系统大冷量、冷量调节和控温精度要求，此种处理方式会造成系统非高温工况冷量冗余大、功耗高、可靠性低、电气控制系统较为复杂且反馈速度较慢，也无法满足系统轻量化、小型化和节能化的要求。

②对于供液温度要求值较低（T供液＞T环境+8℃）的情况，一般采用常规风冷换热的形式即可完全实现液冷系统冷却液降温的目的，通过变频风机风冷调节满足系统控温要求，此种处理方式会造成系统常规风冷换热器体积较大、重量较高等问题。

③对于较宽环境温度适应范围的要求，一般采用上述两种范式结合，通过温度传感器测量环境温度，对压缩机制冷和常规风冷进行切换，满足系统-40℃～55℃宽温区制冷要求，此种处理方式对温度传感器测试值准确度要求较高，实际应用场景下温度传感器实测环境温度值受周边局部因素影响较大，液冷系统可靠性无法确保。

综上所述，针对为宽温度供液、热负荷变化较大、供液温度变化范围大且供液精度较高的电子设备提供循环冷却液的现有的液冷系统，在制冷方式上通常是或者只使用压缩机制冷方式（由于一直开启制冷压缩机，耗电成本相对大，低温启动措施复杂），或者是压缩机制冷和强制风冷的结合（仅随环境温度变化做切换运行，造成体积相对偏大且高度依赖环境温度传感器），但运行时皆不采用两种制冷方式同时工作的模式，整体可靠性较低且无法满足轻量化、小型化以及节能化的普遍要求。

发明内容

本发明提供了一种单水箱蓄冷式精确控温液冷系统，以解决现有技术电子设备的液冷系统存在的制冷方式有限、可靠性低的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种单水箱蓄冷式精确控温液冷系统，包括压缩制冷分系统、蓄冷补液分系统、供液换热分系统，其中：

压缩制冷分系统包括压缩机、配置有冷凝风机的冷凝器、储液器、节流元件、板式换热器、气液分离器，其中板式换热器具有两个介质流道，压缩机、冷凝器、储液器、节流元件、板式换热器的第一个介质流道、气液分离器通过管路连接形成回路；

蓄冷补液分系统包括带有电加热的水箱、蓄冷补液泵，蓄冷补液分系统与压缩制冷分系统共用所述板式换热器，水箱、蓄冷补液泵、板式换热器的第二个介质流道通过管路连接形成回路；

供液换热分系统包括配置有风机的风冷换热器、供液循环泵，以及2#切换三通阀、调节三通阀，风冷换热器的出口端通过管路与调节三通阀的第一个端口连接，风冷换热器的出口端通过管路还与所述水箱内连通，调节三通阀的第二个端口通过管路与所述水箱内连通，调节三通阀的第三个端口通过管路与供液循环泵的入口端连接，供液循环泵的出口端通过管路与发热负载的入口端连接，发热负载的出口端通过管路与2#切换三通阀的第二个端口连接，2#切换三通阀的第三个端口通过管路与风冷换热器的入口端连接。

进一步的，所述蓄冷补液分系统中，水箱、板式换热器之间管路设有1#切换三通阀，1#切换三通阀通过自身两个端口连通接入水箱、板式换热器之间管路，1#切换三通阀的第三个端口连接有冷却液排放口。

进一步的，所述蓄冷补液分系统中，水箱、蓄冷补液泵之间管路设有3#切换三通阀，3#切换三通阀通过自身两个端口连通接入水箱、蓄冷补液泵之间管路，3#切换三通阀的第三个端口连接有冷却液加注口。

进一步的，所述供液换热分系统还包括压力平衡阀，2#切换三通阀的第一个端口通过管路与压力平衡阀的入口端连接，压力平衡阀的出口端通过管路分别连接调节三通阀的第一个端口、水箱内部，由此压力平衡阀与所述风冷换热器并联。

进一步的，所述供液换热分系统中，调节三通阀、供液循环泵之间管路连通接入有Y型过滤器。

进一步的，所述供液换热分系统中，供液循环泵、发热负载之间管路连通接入有止回阀。

进一步的，所述供液换热分系统中，供液循环泵、发热负载之间管路连通接入有过滤器。

进一步的，所述供液换热分系统中，供液循环泵、发热负载之间管路安装有供液温度传感器。

本发明针对宽温度供液、热负荷变化较大、供液温度变化范围大且供液精度较高的电子设备提供循环冷却液的现有的液冷系统，提供一种单水箱蓄冷式精确控温液冷系统。通过合理的系统设计、结构布局和不同制冷方式的协同匹配，能够实现系统充分的轻量化、小型化以及节能化设计。与现有技术相比，本发明优点为：

1、本发明采用常规风冷、压缩制冷两种制冷模式相耦合的方法，根据环境温度和供液温度的不同对应关系，使得液冷系统最大限度发挥常规风冷换热的效果，实现最低能耗的基础上的可靠精确控温；

2、本发明采用压缩制冷、蓄冷两种制冷模式相耦合的方法，根据供液温度和发热负载的运行规律，使得液冷系统能够充分利用发热负载非全负荷运行的时间差制取冷量，实现最低能耗输出短时间最大发热负载的精确控温；

3、本发明通过单水箱即可实现蓄冷模式的精确控温；

4、本发明实时检测供液温度与设定供液温度的反馈，通过PID控制调节三通阀转动实现冷热水比例调节实现精确控温，控制逻辑简单，控温精度高。

5、本发明可实现蓄冷循环、加注冷却液、排放冷却液一体化设计，操作便捷，集成化程度高。

6、本发明可在超宽环境温度（-40℃～55℃）下实现低功耗的超供液宽温区（0～68℃）的精确控温（±0.1℃）。

附图说明

图1是本发明实施例结构示意图。

图2是本发明实施例工作区域划分图

图中标号：1-板式换热器，2-气液分离器，3-节流元件，4-储液器，5-压缩机，6-冷凝器，7-冷凝风机，8-冷却液排放口，9-1#切换三通阀，10-水箱，11电加热，12-压力平衡阀，13-风冷换热器，14-2#切换三通阀，15-换热风机，16-供液温度传感器，17-过滤器，18-止回阀，19-供液循环泵，20-Y型过滤器，21-调节三通阀，22-3#切换三通阀，23-冷却液加注口，24-蓄冷补液泵。

9a、9b、9c分别为1#切换三通阀的第一个端口、第二个端口、第三个端口；14a、14b、14c分别为2#切换三通阀的第一个端口、第二个端口、第三个端口；21a、21b、21c分别为调节三通阀的第一个端口、第二个端口、第三个端口；22a、22b、22c分别为3#切换三通阀的第一个端口、第二个端口、第三个端口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，本实施例公开了一种单水箱蓄冷式精确控温液冷系统，图1中

本实施例包括由压缩机5、配有冷凝风机7的冷凝器6、储液器4、节流元件3、板式换热器1、气液分离器2组成的压缩制冷分系统，由蓄冷补液泵24、带有电加热11的水箱10、1#切换三通阀9、3#切换三通阀22、冷却液排放口8、冷却液加注口23组成的蓄冷补液分系统，以及由水箱10、供液温度传感器16、过滤器17、配有换热风机15的风冷换热器13、压力平衡阀12、2#切换三通阀14、止回阀18、供液循环泵19、Y型过滤器20、调节三通阀21组成的供液换热分系统。

压缩制冷分系统中，板式换热器1中具有两个介质流道，其中一个介质流道供制冷剂通过作为制冷剂流道，另外一个介质流道供冷却液通过作为冷却液流道。压缩机5的排气口通过管路与冷凝器6的进口端连接，冷凝器6的出口端通过管路与储液器4的进口端连接，储液器4的出口端通过管路与节流元件3的进口端连接，节流元件3的出口端通过管路与板式换热器1的制冷剂流道入口端连接，板式换热器1的制冷剂流道出口端通过管路与气液分离器2的进口端连接，气液分离器2的气相出口端通过管路与压缩机1的吸气口连接。

压缩机5排气口高温高压的制冷剂通过管路流入配有冷凝器6进口端连通，在冷凝器6中通过冷凝风机7的强制对流换热，制冷剂将携带的热量排放至环境空气后降温冷凝，冷凝器6出口的中温高压气液两相的制冷剂经管路流入储液器4中，其中气态制冷剂留存在储液器4，液态高压制冷剂经管路流入节流元件3经节流降压变成低压低温制冷剂，节流元件3的出口的低压低温制冷剂通过管路流入板式换热器1，制冷剂在板式换热器1中蒸发吸收板式换热器1另一侧的冷却液的热量完成热交换变成气液两相的低压制冷剂流入气液分离器2中，其中液态制冷剂留存在气液分离器2中，低压气态制冷剂经管路流入压缩机5吸气口，由此形成制冷剂循环回路。

蓄冷补液分系统中，水箱10的一个出口端通过管路与3#切换三通阀22的第一个端口22a连接，3#切换三通阀22的第三个端口22c通过管路与蓄冷补液泵24的入口端连接，3#三通阀22的第二个端口22b通过管路连接有冷却液加注口23，蓄冷补液泵24的出口端通过管路连接至板式换热器8的冷却液流道入口端，板式换热器8的冷却液流道出口端通过管路与1#切换三通阀9的第三个端口9c连接，1#切换三通阀9的第二个端口9b通过管路与水箱10的进口端连接，1#切换三通阀9的第一个端口9a通过管路连接有冷却液排放口8，由此蓄冷补液分系统与压缩制冷分系统共用板式换热器8。

蓄冷补液分系统根据液冷系统需求切换1#切换三通阀9和3#切换三通阀22可完成冷却液蓄冷循环、冷却液加注循环和冷却液排放循环三种蓄冷补液分系统循环，其中：

第一种冷却液蓄冷循环为：3#切换三通阀22切换至第一个端口22a、第三个端口22c之间连通，1#切换三通阀9切换至第二个端口9b、第三个端口9c之间连通。高温冷却液自水箱10流出，经管路流经3#切换三通阀22第一个端口22a进入3#切换三通阀22，自3#切换三通阀第三个端口22c流出经管路在蓄冷补液泵23作用下进入板式换热器1的冷却液流道，在板式换热器1中与压缩制冷分系统中的制冷剂进行热交换汲取冷量变成低温冷却液，低温冷却液经1#切换三通阀9的第三个端口9c流入1#切换三通阀9，自1#切换三通阀第二个端口9b流出经管路返回水箱10，如此循环，降低冷水箱10中的高温冷却液进行降温，完成冷却液蓄冷循环。该循环用于本发明所述蓄冷模式或压缩制冷模式将压缩制冷分系统制取的冷量输送至水箱10。

第二种冷却液加注模式为：3#切换三通阀22切换至第二个端口22b与第三个端口22c之间连通，1#切换三通阀9切换至第二个端口9b与第三个端口9c之间连通。冷却液自冷却液加注口23流入，冷却液经管路流自冷却液加注口23流入，经3#切换三通阀22的第二个端口22b进入3#切换三通阀22，自3#切换三通阀22的第三个端口22c流出经管路在蓄冷补液泵24作用下经板式换热器1冷却液流道、1#切换三通阀9的第三个端口9c流入1#切换三通阀9，自1#切换三通阀第二个端口9b流出经管路返回水箱10，如此循环，完成液冷系统冷却液加注循环。该循环用于液冷系统水箱10、管路以及热负载冷却液加注，确保液冷系统冷却液水量充足。

第三种冷却液排放模式：3#切换三通阀22切换至第一个端口22a与第三个端口22c之间连通，1#切换三通阀9切换至第一个端口9a与第三个端口9c连通。冷却液自水箱10流出，经3#切换三通阀22的第一个端口22a进入3#切换三通阀22，自3#切换三通阀22的第三个端口22c流出经管路在蓄冷补液泵24作用下经板式换热器1冷却液流道、1#切换三通阀9第三个端口9c流入1#切换三通阀9，自1#切换三通阀9的第一个端口9a流出经管路与冷却液排出口8连通，排出液冷系统，如此循环，完成液冷系统冷却液排出循环。该循环用于液冷系统水箱10、管路以及热负载冷却液排出，可用于液冷系统冷却液排放。

供液换热分系统中，风冷换热器13的入口端通过管路与2#切换三通阀14的第三个端口14c连接，风冷换热器13的出口端通过管路与水箱10内连通，风冷换热器13的出口端还通过管路与调节三通阀21的第一个端口21a连接；压力平衡阀12的入口端通过管路与2#切换三通阀14的第一个端口14a连接，压力平衡阀12的出口端通过管路与水箱10内连通，压力平衡阀12的出口端还通过管路与调节三通阀21的第一个端口21a连接，由此压力平衡阀12与风冷换热器13并联。调节三通阀21的第二个端口21b通过管路与水箱10内连通，调节三通阀21的第三个端口21c通过管路与Y型过滤器20的入口端连接，Y型过滤器20的出口端通过管路与供液循环泵19的入口端连接，供液循环泵19的出口端通过管路与止回阀18的入口端连接，止回阀18的出口端通过管路与过滤器17的入口端连接，过滤器17的出口端通过管路与发热负载的入口端连接，并且过滤器17、发热负载之间管路安装供液温度传感器16，发热负载的出口端通过管路与2#切换三通阀14的第二个端口14b连接。

供液换热分系统根据液冷系统需求进行2#切换三通阀14切换和调节三通阀21动作完成风冷换热和水箱冷却换热两种冷却液供液换热循环，具有以下三种模式：

第一种完全常规风冷模式。该模式下压缩制冷分系统、补液蓄冷分系统均不工作，供液换热分系统工作流程如下：2#切换三通阀14切换至第三个端口14c与第二个端口14b之间连通，调节三通阀21切换至第一个端口21a与第三个端口21c之间连通。自发热负载流出的高温冷却液经管路流出，经2#切换三通阀14第二个端口14b进入切换三通阀14，自2#切换三通阀第三个端口14c流出经管路流入配有换热风机15的风冷换热器13，在风冷换热器13中通过换热风机15的强制对流换热，高温冷却液将携带的热量排放至环境空气后降温变成低温冷却液，低温冷却液经调节三通阀21第一个端口21a流入调节三通阀21，自调节三通阀21的第三个端口21c经Y型过滤器20过滤大颗粒固体杂质后，在供液循环泵19作用下，低温冷却液经止回阀18分布流经过滤器17、供液温度传感器16，向发热负载提供符合供液温度、精度要求的冷却液，完成风冷换热循环。上述工作流程为本发明所述完全常规风冷模式。

第二种完全压缩制冷模式。该模式下压缩制冷分系统、补液蓄冷分系统、供液换热分系统工作均持续工作，供液换热分系统工作流程如下：2#切换三通阀14切换至第一个端口14a与第二个端口14b之间连通，根据供液温度要求，调节三通阀21切换至第一个端口21a和第二个端口21b之间连通。自发热负载流出的高温冷却液经管路流出，经2#切换三通阀14第二个端口14b进入切换三通阀14，自2#切换三通阀14的第一个端口14a流出经管路流经压力平衡阀12进入水箱10，高温冷却液在水箱中与蓄冷补液循环提供的低温冷却液进行混合冷却变成低温冷却液，低温冷却液经调节三通阀21的第二个端口21b流入调节三通阀21，自调节三通阀21的第三个端口21c经Y型过滤器20过滤大颗粒固体杂质后，在供液循环泵19作用下，低温冷却液经止回阀18分布流经过滤器17、供液温度传感器16，向发热负载提供符合供液温度、精度要求的冷却液，完成水箱冷却换热循环。上述工作流程为本发明所述完全压缩制冷模式。

第三种完全蓄冷模式为。完全蓄冷模式分为两个阶段：第一个阶段为蓄冷阶段：此时压缩制冷分系统、补液蓄冷分系统工作，供液换热分系统不工作，将水箱10中降至0℃（设定值可调）后，压缩制冷分系统、补液蓄冷分系统停止工作；第二阶段为供液阶段：此时压缩制冷分系统、补液蓄冷分系统不工作，供液换热分系统开始工作，供液换热分系统工作流程如下（同完全压缩制冷模式）：2#切换三通阀14切换至第一个端口14a与第二个端口14b之间连通，根据供液温度要求，调节三通阀21切换至第一个端口21a和第二个端口21b之间连通。自发热负载流出的高温冷却液经管路流出，经2#切换三通阀14第二个端口14b进入切换三通阀14，自2#切换三通阀14第一个端口14a流出经管路流经压力平衡阀12进入水箱10，高温冷却液在水箱中与蓄冷补液循环提供的低温冷却液进行混合冷却变成低温冷却液，低温冷却液经调节三通阀21第二个端口21b流入调节三通阀21，自调节三通阀21第三个端口21c经Y型过滤器20过滤大颗粒固体杂质后，在供液循环泵19作用下，低温冷却液经止回阀18分布流经过滤器17、供液温度传感器16，向发热负载提供符合供液温度、精度要求的冷却液，完成水箱冷却换热循环直至水箱10中冷却液冷量耗尽无法提供满足供液温度要求的冷却液，此轮完全蓄冷模式工作结束。第二阶段（供液阶段）结束后转入第一阶段（蓄冷阶段）重新开始，如此往复循环完全蓄冷工作模式，上述为本发明所述完全蓄冷模式工作流程。

图2为本实施例工作区域划分图。图中横轴表示环境温度的变化，纵轴表示供液温度的变化，图中标明发热负载所需求的宽供液温度范围（从0℃变化到68℃），通过发挥本发明的不同功能模式，形成了五块典型工作区域：

A区（完全常规风冷模式模式）：当T

B区（常规风冷和压缩制冷混合模式）：当T

C区（完全压缩制冷模式）：当T

D区（压缩制冷和蓄冷混合模式）：当T

E区（完全蓄冷模式）：当T

本实施例系统原理图只表示出单套压缩机制冷循环分系统和强制风冷分系统各自主要部件下的工作原理，实际系统并不限于各自的单套分系统，同时对于每套分系统，根据实际需要还会选择使用多种管路部件，如油分离器、贮液罐、干燥过滤器、视液镜、气分、保护仪表、（流量、压力、温度，等）计量仪表，等；另外系统的各个部件，除了本专利中规定了其结构型式，未说明的部件并不限定一定是某一种型式，如压缩机制冷分系统中的膨胀阀，可以是热力膨胀阀，或是电子膨胀阀，以及其它型式的膨胀阀；如常规风冷换热器13和冷凝器6一体化设计，换热风机15和冷凝风机7共用。总之，上述的这些变型，皆属于本专利保护范围。以上所述实施方式仅为本发明的优选实施方式，但本发明不限于上述实施方式，对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都属于本发明的构思和所附权利要求的保护范围。