本发明属于温度控制技术领域，涉及一种冷却装置及其工作方法。
背景技术：
随着电力电子行业的迅猛发展，人们在享用电力电子产品的快捷，方便的同时，也对电力电子产品的功率强度，可靠性提出了更高的要求。温度是影响电子产品寿命的关键环境因素，无论是高功率引起温度攀升所导致的安全问题，还是反复变化的温度所导致的可靠性下降问题，都严重制约着电力电子行业的发展。
目前市场上采用的电子产品热管理系统多为风冷散热与液冷散热。其中，风冷散热是利用流经电子产品的空气带走热量，其结构简单、制造维护成本低、寄生能耗低，但此方法介质比热容小、散热效果差、电堆内部温差大，噪音大。液冷散热中将热量自电子产品导向冷板，再由流经冷板的液体带走，相较于风冷散热，液冷散热的介质比热容大，散热效果更好，但流动阻力会导致寄生功耗增大。另外，风冷散热与液冷散热的换热方式皆是利用工质的显热效应，因而无法避免温差。目前少数产品也采用相变材料冷却，但主要是基于固体材料，如石蜡-石墨复合材料，但这种方式仅仅通过相变吸收了热量，还需要其它手段将热量带走，且相变时显著的体积变化率也限制它的应用。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种冷却装置及其工作方法，该装置及其工作方法能够使得工作对象温度稳定且均匀的保持在工作沸点附近。
为达到上述目的，本发明所述的冷却装置包括冷凝器、恒温箱以及设置于所述恒温箱内的储液器、调节阀、膨胀阀、泵、喷射器及冷板；
冷凝器的液体出口与储液器的入口，调节阀的入口及膨胀阀的入口相连通，储液器的出口及调节阀的出口与泵的入口相连通，泵的出口与喷射器的液体入口相连通，膨胀阀的出口与冷板的液体入口相连通，冷板的气体出口与喷射器的气体入口相连通，喷射器的液体出口与冷凝器的液体入口相连通。
冷凝器位于恒温箱的上方，且冷凝器倾斜放置，其中，冷凝器液体出口的高度低于冷凝器液体入口的高度；
喷射器的液体出口位于喷射器的顶部，储液器的高度低于冷凝器的高度且高于冷板的高度，同时储液器的高度低于喷射器气体入口的高度。
储液器的储液腔体体积大于冷凝器内部循环工质的流道体积，同时小于冷凝器内部循环工质流道体积与冷板内部循环工质流道体积之和。
该装置中总的液态循环工质体积小于储液器的体积与冷板内部循环工质流道体积之和。
本发明所述冷却装置的工作方法包括以下步骤：
当外部环境温度高于或者等于冷板中循环工质的蒸发温度时，则开启调节阀、泵及膨胀阀，依靠喷射器、膨胀阀及泵实现主动冷却；
当外部环境温度低于冷板中循环工质的蒸发温度时，则关闭调节阀、泵及膨胀阀，待储液器内储满液体后，开启膨胀阀，依靠工质的蒸发，自然对流实现自然冷却。
当外部环境温度高于或等于冷板中循环工质的蒸发温度时，系统在主动冷却模式下工作，将调节阀、膨胀阀及泵正常开启，冷凝器内部的循环液体工质经冷凝器的液体出口流出，其中，一路进入到储液器及调节阀内，另一路进入到膨胀阀中，然后经膨胀阀膨胀后进入到冷板中吸收被冷却对象的热量后蒸发形成气态循环工质，储存在储液器内的液体经泵输送至喷射器中，再由喷射器内部的喷管喷出，喷管高速喷射的射流引射来自冷板中蒸发的气态循环工质，喷射的液态工质与被引射的气态工质在喷射器的扩压管中充分混合，形成气液混合流体，喷射器内的扩压管中气液混合流体速度降低，压强增大，同时混合过程中气态工质被液态工质吸收，气态工质转化为液态并释放热量，形成高温高压液体，所述高温高压液体流入冷凝器中，在冷凝器中与外部环境发生换热，释放热量后温度降低，降温后的液体由冷凝器的液体出口流出进行下一次循环；
当环境温度低于冷板中工质的蒸发温度时，系统运行在自然冷却模式下，则先关闭膨胀阀及泵，冷凝器中的液态循环工质在重力作用下进入储液器中，待储液器内储满液体后，关闭调节阀，开启膨胀阀，这时系统中尚未进入储液器中的液态循环工质在重力作用下进入冷板中，由于装置中总的液态循环工质的体积小于储液器的体积与冷板内部循环工质流道体积之和，继而液态循环工质在冷板流道内为部分充满状态，冷板流道未充满部分空间便于气态循环工质自由流出，冷板内部液态循环工质吸收被冷却对象的热量变成气态循环工质，气态循环工质经喷射器的气体入口进入冷凝器中，由于环境温度较低，气态工质在冷凝器内部发生冷凝变成液态工质，同时释放热量，冷凝器中冷凝为液态的循环工质在重力作用下，由冷凝器的出口经膨胀阀回流进入冷板中进行下一次循环。
膨胀阀根据安置在冷板内温度传感器的反馈信号调节其阀门的开度，以控制进入冷板内的液体流量，液体工质通过冷板导热特性吸收被冷却对象的热量而蒸发形成气态工质，实现对被冷却对象的吸热降温。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的冷却装置及其工作方法在具体操作时，采用喷射器及调节阀来改变工质循环时的压力，并利用膨胀阀来满足设计工况的运行需求，从而使得工质的冷凝温度高于蒸发温度，保证高效的换热效果。另外，冷凝器位于恒温箱外，起到散热的作用，同时通过冷板与工作对象进行换热，冷板位于恒温箱内，为工作对象提供恒温环境，同时气液工作在喷射器中充分混合过程中，液体工质对气体工质起到吸收的作用，以加速气态工质热量的释放并提高循环效率。最后需要说明的是，本发明利用循环工质的相变潜热，使得换热效率大大加强，同时能够使得工作对象的温度稳定且均匀的保持在工质的沸点附近，控温效果极佳。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1为冷凝器、2为喷射器、3为储液器、4为调节阀、5为膨胀阀、6为泵、7为冷板、8为恒温箱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的冷却装置包括冷凝器1、恒温箱8以及设置于所述恒温箱8内的储液器3、调节阀4、膨胀阀5、泵6、喷射器2及冷板7；冷凝器1的液体出口与储液器3的入口，调节阀4的入口及膨胀阀5的入口相连通，储液器3的出口及调节阀4的出口与泵6的入口相连通，泵6的出口与喷射器2的液体入口相连通，膨胀阀5的出口与冷板7的液体入口相连通，冷板7的气体出口与喷射器2的气体入口相连通，喷射器2的液体出口与冷凝器1的液体入口相连通。
冷凝器1位于恒温箱8的上方，且冷凝器1倾斜放置，其中，冷凝器1液体出口的高度低于冷凝器1液体入口的高度；喷射器2的液体出口位于喷射器2的顶部，储液器3的高度低于冷凝器1的高度且高于冷板7的高度，同时储液器3的高度低于喷射器2气体入口的高度。
储液器3的储液腔体体积大于冷凝器1内部循环工质的流道体积，同时小于冷凝器1内部循环工质流道体积与冷板7内部循环工质流道体积之和；该装置中总的液态循环工质体积小于储液器3的体积与冷板7内部循环工质流道体积之和。
本发明所述冷却装置的工作方法包括以下步骤：
当外部环境温度高于或者等于冷板7中循环工质的蒸发温度时，则开启调节阀4、泵6及膨胀阀5，依靠喷射器2、膨胀阀5及泵6实现主动冷却；当外部环境温度低于冷板7中循环工质的蒸发温度时，则关闭调节阀4、泵6及膨胀阀5，待储液器3内储满液体后，开启膨胀阀5，依靠工质的蒸发，自然对流实现自然冷却。
具体的，当外部环境温度高于或等于冷板7中循环工质的蒸发温度时，系统在主动冷却模式下工作，将调节阀4、膨胀阀5及泵6正常开启，冷凝器1内部的循环液体工质经冷凝器1的液体出口流出，其中，一路进入到储液器3及调节阀4内，另一路进入到膨胀阀5中，然后经膨胀阀5膨胀后进入到冷板7中吸收被冷却对象的热量后蒸发形成气态循环工质，储存在储液器3内的液体经泵6输送至喷射器2中，再由喷射器2内部的喷管喷出，喷管高速喷射的射流引射来自冷板7中蒸发的气态循环工质，喷射的液态工质与被引射的气态工质在喷射器2的扩压管中充分混合，形成气液混合流体，喷射器2内的扩压管中气液混合流体速度降低，压强增大，同时混合过程中气态工质被液态工质吸收，气态工质转化为液态并释放热量，形成高温高压液体，所述高温高压液体流入冷凝器1中，在冷凝器1中与外部环境发生换热，释放热量后温度降低，降温后的液体由冷凝器1的液体出口流出进行下一次循环，其中，膨胀阀5根据安置在冷板7内温度传感器的反馈信号调节其阀门的开度，以控制进入冷板7内的液体流量，液体工质通过冷板7导热特性吸收被冷却对象的热量而蒸发形成气态工质，实现对被冷却对象的吸热降温。
当环境温度低于冷板7中工质的蒸发温度时，系统运行在自然冷却模式下，则先关闭膨胀阀5及泵6，冷凝器1中的液态循环工质在重力作用下进入储液器3中，待储液器3内储满液体后，关闭调节阀4，开启膨胀阀5，这时系统中尚未进入储液器3中的液态循环工质在重力作用下进入冷板7中，由于装置中总的液态循环工质的体积小于储液器3的体积与冷板7内部循环工质流道体积之和，继而液态循环工质在冷板7流道内为部分充满状态，冷板7流道未充满部分空间便于气态循环工质自由流出，冷板7内部液态循环工质吸收被冷却对象的热量变成气态循环工质，气态循环工质经喷射器2的气体入口进入冷凝器1中，由于环境温度较低，气态工质在冷凝器1内部发生冷凝变成液态工质，同时释放热量，冷凝器1中冷凝为液态的循环工质在重力作用下，由冷凝器1的出口经膨胀阀5回流进入冷板7中进行下一次循环。
所述冷板7为工质相变场所，工作对象放置于恒温箱8内，工作对象与紧贴的冷板7之间进行热传导，工质在冷板7内吸收热量，充分利用相变潜热效应对被冷却对象进行冷却。
本发明中采用的循环工质在工作压力下相变温度为-20℃～80℃；循环工质为r1336mzz、r1233zd、novec649、hfe7000、r1224yd(z)、re245fa2、r365mfc、hfe-347mmy或hfe-347mcc；或者循环工质为r1336mzz、r1233zd、novec649、hfe7000、r1224yd(z)、re245fa2、r365mfc、hfe-347mmy、hfe-347mcc、hfe7100及hfe7500中的两种或两种以上按任意比例混合的混合物。
1.一种冷却装置，其特征在于，包括冷凝器(1)、恒温箱(8)以及设置于所述恒温箱(8)内的储液器(3)、调节阀(4)、膨胀阀(5)、泵(6)、喷射器(2)及冷板(7)；
冷凝器(1)的液体出口与储液器(3)的入口，调节阀(4)的入口及膨胀阀(5)的入口相连通，储液器(3)的出口及调节阀(4)的出口与泵(6)的入口相连通，泵(6)的出口与喷射器(2)的液体入口相连通，膨胀阀(5)的出口与冷板(7)的液体入口相连通，冷板(7)的气体出口与喷射器(2)的气体入口相连通，喷射器(2)的液体出口与冷凝器(1)的液体入口相连通。
2.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，冷凝器(1)位于恒温箱(8)的上方，且冷凝器(1)倾斜放置，其中，冷凝器(1)液体出口的高度低于冷凝器(1)液体入口的高度；
喷射器(2)的液体出口位于喷射器(2)的顶部，储液器(3)的高度低于冷凝器(1)的高度且高于冷板(7)的高度，同时储液器(3)的高度低于喷射器(2)气体入口的高度。
3.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，储液器(3)的储液腔体体积大于冷凝器(1)内部循环工质的流道体积，同时小于冷凝器(1)内部循环工质流道体积与冷板(7)内部循环工质流道体积之和。
4.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，该装置中总的液态循环工质体积小于储液器(3)的体积与冷板(7)内部循环工质流道体积之和。
5.一种权利要求1所述冷却装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
当外部环境温度高于或者等于冷板(7)中循环工质的蒸发温度时，则开启调节阀(4)、泵(6)及膨胀阀(5)，依靠喷射器(2)、膨胀阀(5)及泵(6)实现主动冷却；
当外部环境温度低于冷板(7)中循环工质的蒸发温度时，则关闭调节阀(4)、泵(6)及膨胀阀(5)，待储液器(3)内储满液体后，开启膨胀阀(5)，依靠工质的蒸发，自然对流实现自然冷却。
6.根据权利要求5所述冷却装置的工作方法，其特征在于，当外部环境温度高于或等于冷板(7)中循环工质的蒸发温度时，系统在主动冷却模式下工作，将调节阀(4)、膨胀阀(5)及泵(6)正常开启，冷凝器(1)内部的循环液体工质经冷凝器(1)的液体出口流出，其中，一路进入到储液器(3)及调节阀(4)内，另一路进入到膨胀阀(5)中，然后经膨胀阀(5)膨胀后进入到冷板(7)中吸收被冷却对象的热量后蒸发形成气态循环工质，储存在储液器(3)内的液体经泵(6)输送至喷射器(2)中，再由喷射器(2)内部的喷管喷出，喷管高速喷射的射流引射来自冷板(7)中蒸发的气态循环工质，喷射的液态工质与被引射的气态工质在喷射器(2)的扩压管中充分混合，形成气液混合流体，喷射器(2)内的扩压管中气液混合流体速度降低，压强增大，同时混合过程中气态工质被液态工质吸收，气态工质转化为液态并释放热量，形成高温高压液体，所述高温高压液体流入冷凝器(1)中，在冷凝器(1)中与外部环境发生换热，释放热量后温度降低，降温后的液体由冷凝器(1)的液体出口流出进行下一次循环；
当环境温度低于冷板(7)中工质的蒸发温度时，系统运行在自然冷却模式下，则先关闭膨胀阀(5)及泵(6)，冷凝器(1)中的液态循环工质在重力作用下进入储液器(3)中，待储液器(3)内储满液体后，关闭调节阀(4)，开启膨胀阀(5)，这时系统中尚未进入储液器(3)中的液态循环工质在重力作用下进入冷板(7)中，由于装置中总的液态循环工质的体积小于储液器(3)的体积与冷板(7)内部循环工质流道体积之和，继而液态循环工质在冷板(7)流道内为部分充满状态，冷板(7)流道未充满部分空间便于气态循环工质自由流出，冷板(7)内部液态循环工质吸收被冷却对象的热量变成气态循环工质，气态循环工质经喷射器(2)的气体入口进入冷凝器(1)中，由于环境温度较低，气态工质在冷凝器(1)内部发生冷凝变成液态工质，同时释放热量，冷凝器(1)中冷凝为液态的循环工质在重力作用下，由冷凝器(1)的出口经膨胀阀(5)回流进入冷板(7)中进行下一次循环。
7.根据权利要求5所述冷却装置的工作方法，其特征在于，膨胀阀(5)根据安置在冷板(7)内温度传感器的反馈信号调节其阀门的开度，以控制进入冷板(7)内的液体流量，液体工质通过冷板(7)导热特性吸收被冷却对象的热量而蒸发形成气态工质，实现对被冷却对象的吸热降温。
技术总结