一种毛细主驱按需泵辅环路热管冷却系统及其控制方法

本发明属于热管领域，特别涉及一种毛细主驱按需泵辅环路热管冷却系统及其控制方法。

背景技术：

1、热管技术是1963年美国洛斯阿拉莫斯(los alamos)国家实验室的乔治格罗佛(george grover)发明的一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。热管技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业，自从被引入散热器制造行业，使得人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式，采用热管技术使得散热器获得满意的换热效果，开辟了散热行业新天地。目前热管广泛的应用于各种换热设备。

2、环路热管是指一种回路闭合环型热管。一般由蒸发器、冷凝器、储液器以及蒸气和液体管线构成。其工作原理为：对蒸发器施加热载荷，工质在蒸发器毛细芯外表面蒸发，产生的蒸气从蒸气槽道流出进入蒸气管线，继而进入冷凝器冷凝成液体并过冷，回流液体经液体管线进入液体干道对蒸发器毛细芯进行补给，如此循环，而工质的循环由蒸发器毛细芯所产生的毛细压力驱动，无需外加动力。由于冷凝段和蒸发段分开，环路式热管广泛应用于能量的综合应用以及余热的回收。

3、现有技术cn111504103a公开了泵驱动两相流体回路蒸发器，包括：蒸发器壳体1、疏水性毛细芯2、轴向液体槽道3以及轴向蒸汽干道4；所述疏水性毛细芯2安装在蒸发器壳体1的内部；所述蒸发器壳体1与疏水性毛细芯2之间设置有多个轴向液体槽道3；所述轴向蒸汽干道4设置在疏水性毛细芯2的内部。对于毛细泵驱动的两相流体回路，本发明利用疏水性多孔材料覆盖蒸发器开放式微小槽道的表面，在各种朝向或重力影响下均使得液体无法因为冷凝而侵占蒸汽干道的空间，同时可使液体槽道内可能存在的蒸汽泡能顺利从槽道内溢出，有利于蒸发器的顺利启动和降低启动时的过热度，提高蒸发过程的换热系数。

4、与上述连续泵驱或泵辅助蒸发方案相比，本发明由独立毛细泵蒸发器承担常态循环动力，机械泵仅在量化余量不足时补充差额压头；泵故障时不使泵体成为毛细主回路的串联阻断件，并进一步触发冷却支路级降载。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种毛细主驱按需泵辅环路热管冷却系统及其控制方法，以解决毛细驱动能力不足或者毛细驱动通路不能维持最低供液时，无法绕开毛细泵蒸发器和第一冷凝器形成独立机械泵闭合循环的问题，并在毛细驱动、联合驱动和机械泵驱动模式切换过程中保持至少一条供液通路连续导通。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种毛细主驱按需泵辅环路热管冷却系统，包括毛细驱动通路、泵独立供液通路、旁通支路、泵辅支路、供液总管、两相冷板、两相回流总管、第二冷凝器、回液储液器、控制器和传感器组。毛细驱动通路包括依次连通的毛细泵蒸发器、第一蒸汽管路、第一冷凝器、液体供给管路和毛细通路切换阀。毛细通路切换阀的下游设置共同入口，共同入口位于旁通支路和泵辅支路的分流点上游。泵独立供液通路的一端与回液储液器的液体出口连通，另一端经供液单向阀与共同入口连通。旁通支路上设置常开旁通阀和旁通单向阀，泵辅支路上设置辅助泵和泵支路单向阀，旁通单向阀、泵支路单向阀和供液单向阀均沿供液方向导通。供液总管依次经两相冷板、两相回流总管和第二冷凝器与回液储液器连通。毛细驱动模式下，毛细通路切换阀和常开旁通阀导通，辅助泵停止；联合驱动模式下，毛细通路切换阀导通，辅助泵运行，常开旁通阀受控节流；机械泵驱动模式下，毛细通路切换阀和常开旁通阀关闭，辅助泵通过泵独立供液通路从回液储液器取液，使工质经供液单向阀、辅助泵、泵支路单向阀、供液总管、两相冷板、两相回流总管和第二冷凝器返回回液储液器，形成不经过毛细泵蒸发器和第一冷凝器的闭合循环。毛细通路切换阀和常开旁通阀均采用失电开启型结构。

4、作为改进，两相冷板管路设置为并联的多条，每条两相冷板管路上沿工质流动方向依次设置支路调节组件、支路流量传感器和两相冷板，以调节各支路的工质流量。

5、作为改进，传感器组包括设置在第一冷凝器出口和第二冷凝器出口的温度传感器及压力传感器，并包括热源温度传感器、总流量传感器、支路流量传感器和供回液压差传感器中的至少一种。控制器根据冷凝器出口温度和压力确定出口工质的液态及过冷状态。

6、作为改进，第一冷凝器包括能够独立控制的风冷换热模块和液冷换热模块，并沿工质流动方向依次设置风冷换热区和液冷换热区。当第一冷凝器出口工质的过冷度低于预设值时，控制器提高液冷换热模块的冷却液流量。

7、作为改进，毛细泵蒸发器为平板式结构，包括液体入口、补偿腔、毛细芯、蒸汽槽道和蒸汽出口，并具有用于与热源热连接的受热界面。液体由补偿腔进入毛细芯，在受热界面汽化并形成毛细压差，生成的蒸汽经蒸汽槽道汇集至蒸汽出口。

8、作为改进，毛细芯为复合毛细芯，包括主毛细芯和副毛细芯。副毛细芯的一端伸入补偿腔，另一端与主毛细芯的液体侧连接；主毛细芯设置在副毛细芯与蒸汽槽道之间，并形成连续阻汽层。主毛细芯的平均孔径小于副毛细芯的平均孔径，副毛细芯的渗透率高于主毛细芯的渗透率。

9、一种毛细主驱按需泵辅环路热管冷却系统的控制方法，包括如下步骤：

10、(1)采集系统运行参数，根据运行参数确定毛细驱动余量以及第一冷凝器和第二冷凝器出口工质的过冷状态；

11、(2)当毛细驱动余量不低于第一阈值，且第一冷凝器出口满足预设液态条件时，打开毛细通路切换阀和常开旁通阀并停止辅助泵，使系统进入毛细驱动模式；

12、(3)当毛细驱动余量低于第一阈值，但毛细驱动通路能够维持预设最低流量时，使辅助泵低速启动并使常开旁通阀保持导通；在确认辅助泵建立正向压升、泵辅支路形成正向流量并持续达到预设确认时间后，随辅助泵转速升高逐步减小常开旁通阀的开度，使系统进入联合驱动模式；

13、(4)当毛细驱动通路不能维持预设最低流量，且第二冷凝器出口满足预设液态条件时，关闭毛细通路切换阀和常开旁通阀并启动辅助泵；供液单向阀在辅助泵入口压差作用下导通，辅助泵通过泵独立供液通路从回液储液器取液，使工质经供液总管、两相冷板、两相回流总管和第二冷凝器返回回液储液器，形成不经过毛细泵蒸发器和第一冷凝器的机械泵闭合循环；

14、(5)退出联合驱动模式时，先打开常开旁通阀，在确认旁通支路形成正向流量并持续达到预设确认时间后，再降低辅助泵转速并停止辅助泵；辅助泵的退出阈值高于启动阈值；

15、(6)当辅助泵故障或通信异常时，控制器停止辅助泵，打开毛细通路切换阀和常开旁通阀，并发出报警或者降载请求；当控制器故障或供电中断时，辅助泵停止，失电开启型的毛细通路切换阀和常开旁通阀保持或者恢复导通，使系统被动回退至毛细驱动模式。

16、与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：

17、1. 设置毛细驱动通路和泵独立供液通路，使系统能够在毛细驱动、联合驱动和机械泵驱动模式之间切换；辅助泵仅在毛细驱动能力不足时参与运行，有利于降低机械泵持续运行产生的能耗。

18、2.当毛细驱动通路不能维持冷板供液时，辅助泵能够通过泵独立供液通路从回液储液器直接取液，形成依次经过辅助泵、供液总管、两相冷板、两相回流总管和第二冷凝器并返回回液储液器，且不经过毛细泵蒸发器和第一冷凝器的机械泵闭合循环。

19、3.旁通支路设置常开旁通阀和旁通单向阀，泵辅支路设置泵支路单向阀，泵独立供液通路设置供液单向阀，能够抑制支路倒流、辅助泵局部循环以及毛细驱动压力向回液储液器泄放。

20、4.根据第一冷凝器和第二冷凝器出口温度及压力判断出口工质的过冷状态，能够降低辅助泵吸入气液两相工质而发生汽蚀或流量波动的风险。

21、5.多个两相冷板通过供液总管和两相回流总管并联连接，并在各支路入口侧设置支路调节组件，有利于减小支路阻力和热负荷差异造成的流量偏配。

22、6.辅助泵启动与常开旁通阀节流同步进行，退出泵辅模式时先恢复旁通支路再降低辅助泵转速，并设置双阈值、滞回区间和延时确认，有利于保持模式切换过程中的供液连续性。