一種激光器控溫系統(tǒng)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是激光器技術(shù)應(yīng)用，尤其是一種激光器控溫系統(tǒng)及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 伴隨激光器性能的提升，激光器的應(yīng)用環(huán)境也廣泛擴(kuò)展，越來(lái)越多的機(jī)動(dòng)平臺(tái)，包 括飛機(jī)、汽車(chē)、輪船等對(duì)激光器提出了配裝需求。在這些獨(dú)立性強(qiáng)、使用靈活度高、應(yīng)用環(huán)境 較為苛刻的運(yùn)行平臺(tái)，激光器的體積、重量、功耗受到十分嚴(yán)格的限制，激光器的控溫冷卻 技術(shù)成為制約激光器使用性能提升的關(guān)鍵因素之一。
[0003] 風(fēng)冷是目前電子設(shè)備普遍使用的冷卻散熱方式，也是飛機(jī)上最基本最常用的冷卻 系統(tǒng)。風(fēng)冷技術(shù)分為直接風(fēng)冷和間接風(fēng)冷兩種形式。直接風(fēng)冷是冷卻空氣直接吹向發(fā)熱芯 片表面帶走芯片的熱量，換熱效率較低。間接風(fēng)冷采用風(fēng)冷散熱器增大芯片散熱面積，通過(guò) 冷卻空氣的對(duì)流進(jìn)行散熱。風(fēng)冷技術(shù)需要運(yùn)行平臺(tái)提供環(huán)控風(fēng)，同時(shí)散熱能力擴(kuò)展具有局 限性，伴隨熱負(fù)荷的增加，體積規(guī)模功耗顯著增大。
[0004] 控溫精度要求高、熱負(fù)荷低的電子器件多采用半導(dǎo)體制冷技術(shù)，利用P型半導(dǎo)體 元件和N型半導(dǎo)體元件連接成熱電偶，利用直流電源通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的溫差和熱量轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn) 制冷。該技術(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需制冷劑，無(wú)污染，啟動(dòng)快，控制靈活，在失重和超重狀態(tài)下均可 工作。但該技術(shù)制冷效率低，功耗高，制冷能力隨環(huán)境溫度與制冷片冷端溫差增大而減小， 不適用于環(huán)境溫度變化范圍大、體積功耗限制嚴(yán)格的環(huán)境。
[0005] 消耗式相變冷卻技術(shù)是一種較為簡(jiǎn)便的散熱技術(shù)。電子設(shè)備的廢熱通過(guò)制冷劑蒸 發(fā)相變帶走，制冷劑直接排向外部環(huán)境。該技術(shù)適用于一次性工況，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)環(huán)境風(fēng)沒(méi) 有要求、溫控精度易于保證。但是，高相變潛熱的相變材料多具有腐蝕性，直接排放前需采 取防腐措施；在機(jī)動(dòng)平臺(tái)的振動(dòng)、加速度等條件下，制冷劑的力學(xué)等特性可能發(fā)生改變，造 成液體脫離散熱面，引起器件過(guò)熱燒毀；長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行工況下冷卻劑儲(chǔ)罐體積過(guò)大，不利于小 型化緊湊化設(shè)計(jì)；獨(dú)立平臺(tái)的艙壁需設(shè)計(jì)專用冷媒排散口，對(duì)機(jī)動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)要求較高。
[0006] 英國(guó)GEC-Ferranti公司針對(duì)機(jī)載激光器溫控，提出了獨(dú)立沖壓空氣冷卻式環(huán)控 系統(tǒng)，研制出熱成像/激光瞄準(zhǔn)吊艙（TIALD)。TIALD吊艙采用沖壓空氣作為動(dòng)力源，不耗 電，有效地解決了一些載機(jī)電源緊張的難題。其制冷能力隨馬赫數(shù)的增加而增加，可在一定 范圍內(nèi)克服氣動(dòng)熱載荷隨馬赫數(shù)增大而增大的影響，但由于沖壓空氣壓力低，渦輪基本工 作在小膨脹比和小焓降狀態(tài)，系統(tǒng)制冷量有限，單純的沖壓空氣通風(fēng)冷卻方式不能滿足日 益增加的電子設(shè)備熱載荷的需求。
[0007] 目前電子設(shè)備熱控系統(tǒng)大多采用壓縮機(jī)蒸發(fā)循環(huán)和液體冷卻一體化結(jié)合的方式。 蒸氣壓縮制冷在應(yīng)對(duì)高熱流密度電子芯片和功率原件的散熱問(wèn)題上具有極大的潛力和應(yīng) 用前景。該技術(shù)制冷量依賴于壓縮機(jī)系統(tǒng)冷量，不適用于瞬時(shí)大功率放熱設(shè)備，同時(shí)，高溫 環(huán)境下壓縮機(jī)能耗比降低，功耗增加，不適用于能耗限制嚴(yán)格的應(yīng)用條件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的，就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，而提供一種激光器控溫系統(tǒng)及 其控制方法的技術(shù)方案，該方案能耗低、控溫精度高、適用于多種機(jī)動(dòng)平臺(tái)、可適用于不同 熱負(fù)荷的激光器、可擴(kuò)展性良好，在不同環(huán)境和條件下，都能夠滿足激光器散熱要求。
[0009] 本方案是通過(guò)如下技術(shù)措施來(lái)實(shí)現(xiàn)的：
[0010] 一種激光器控溫系統(tǒng)，其特征是：包括有激光器熱沉、相變蓄冷器、單相液冷回路、 壓縮機(jī)單元和壓縮機(jī)回路；相變蓄冷器通過(guò)單相液冷回路與激光器熱沉連通；單相液冷回 路上設(shè)置有溫控閥；相變蓄冷器通過(guò)壓縮機(jī)回路與壓縮機(jī)單元連通。
[0011] 作為本方案的優(yōu)選：溫控閥為三通閥，溫控閥的第一端和第二端分別與相變蓄冷 器的出液端和激光器熱沉的進(jìn)液端連通，第三端與激光器熱沉的出液端和相變蓄冷器的進(jìn) 液端連通。
[0012] 作為本方案的優(yōu)選：相變蓄冷器內(nèi)充裝高導(dǎo)熱強(qiáng)化傳熱材料；所述高導(dǎo)熱強(qiáng)化材 料的導(dǎo)熱系數(shù)大于50W/m?K。
[0013] 作為本方案的優(yōu)選：相變蓄冷器內(nèi)加注有相變材料，相變材料的相變潛熱大于 100kJ/kg〇
[0014] 作為本方案的優(yōu)選：壓縮機(jī)單元的蒸發(fā)溫度低于所述相變材料的相變溫度。
[0015] 作為本方案的優(yōu)選：?jiǎn)蜗嘁豪浠芈非度胂嘧冃罾淦鲀?nèi)部。
[0016] 一種激光器控溫系統(tǒng)的控制方法，其特征是：包括有以下步驟：
[0017] a.根據(jù)激光器工作情況，選擇適當(dāng)?shù)膲嚎s機(jī)單元，加注適量的相變材料；
[0018] b.首次啟動(dòng)前，啟動(dòng)壓縮機(jī)單元，為相變蓄冷器內(nèi)的相變材料降溫，相變材料由液 相降溫凝固為固相；
[0019] c.激光器工作階段，停止壓縮機(jī)單元，啟動(dòng)單相液冷回路，激光器產(chǎn)生廢熱通過(guò)相 變蓄冷器內(nèi)相變材料吸收，相變材料由固相吸熱變?yōu)橐合啵徽{(diào)節(jié)單相液冷回路溫控閥開(kāi)度， 實(shí)現(xiàn)負(fù)載控制溫度要求；
[0020] d.激光器工作間隔階段，停止單相液冷回路，開(kāi)啟壓縮機(jī)單元，通過(guò)壓縮機(jī)單元制 冷將相變蓄冷器內(nèi)的相變材料降溫，相變材料由液相凝固為固相。
[0021] 作為本方案的優(yōu)選：步驟a中，相變材料的加注量根據(jù)公式^^計(jì)算：其中，Wi q 為激光器的熱負(fù)荷；tw為激光器工作時(shí)間；q為相變材料相變潛熱值。 W,xt
[0022] 作為本方案的優(yōu)選:步驟a中，壓縮機(jī)單元的制冷量根據(jù)公式 "計(jì)算:，其 tp 中，Wi為激光器的熱負(fù)荷；tw激光器工作時(shí)間；tp:激光器間隔時(shí)間。
[0023] 本方案的有益效果可根據(jù)對(duì)上述方案的敘述得知，由于在該方案中激光器控溫冷 卻方法，利用相變材料的相變實(shí)現(xiàn)激光器的廢熱吸收，吸熱過(guò)程不需動(dòng)力能源，能耗低；利 用壓縮機(jī)制冷實(shí)現(xiàn)熱排散，不依賴環(huán)控風(fēng)或冷卻液，適用于多種機(jī)動(dòng)平臺(tái)；通過(guò)增加相變材 料總量增加總吸熱量，可適用不同熱負(fù)荷的激光器，可擴(kuò)展性良好；通過(guò)相變材料固液相變 實(shí)現(xiàn)溫度控制，相變材料相變溫度恒定，控溫穩(wěn)定性高；通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)溫控閥實(shí)現(xiàn)溫度精密 控制，控溫精度高。
[0024] 由此可見(jiàn)，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和進(jìn)步，其實(shí)施的有益效果也 是顯而易見(jiàn)的。
【附圖說(shuō)明】
[0025] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026] 圖中，1為激光器熱沉，2為激光器熱負(fù)載，3為單向液冷回路，4為相變蓄冷器，5為 溫控閥，6為壓縮機(jī)單元，8為壓縮機(jī)回路。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 本說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的所有特征，或公開(kāi)的所有方法或過(guò)程中的步驟，除了互相排斥 的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0028] 本說(shuō)明書(shū)（包括任何附加權(quán)利要求、摘要和附圖）中公開(kāi)的任一特征，除非特別敘 述，均可被其他等效或具有類(lèi)似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個(gè)特征只 是一系列等效或類(lèi)似特征中的一個(gè)例子而已。
[0029] 實(shí)施例1
[0030] 選擇激光器，熱負(fù)荷200W，工作時(shí)間lOmin，間隔時(shí)間30min，要求控制溫度25°C， 控溫精度±l°c。選擇相變材料，相變溫度7°C，相變潛熱216kJ/kg;計(jì)算相變材料需要量 0. 56kg，考慮環(huán)境熱損失，相變蓄冷器實(shí)際加注相變材料0. 84kg。選擇多孔高導(dǎo)熱強(qiáng)化傳熱 材料，導(dǎo)熱系數(shù)135W/m.K;相變蓄冷器傳熱系數(shù)2400W/m2.K。壓縮機(jī)蒸發(fā)溫度-5°C，計(jì) 算壓縮機(jī)所需制冷量67W，考慮環(huán)境熱損失，選擇制冷量150W的壓縮機(jī)。相變蓄冷器與激光 器熱沉通過(guò)單相載熱循環(huán)回路連通，選用水作載熱循環(huán)回路制冷介質(zhì)，回路設(shè)計(jì)溫控閥調(diào) 節(jié)激光器熱沉入口水溫度；相變蓄冷器與壓縮機(jī)通過(guò)壓縮機(jī)回路連通。
[0031] 首次啟動(dòng)前，啟動(dòng)壓縮機(jī)，設(shè)定壓縮機(jī)蒸發(fā)溫度為-5°c，將相變蓄冷器內(nèi)的相變 材料降溫由液相凝固為固相，相變材料溫度低于5°C時(shí)，相變結(jié)束；激光器工作階段，關(guān)閉 壓縮機(jī)制冷，開(kāi)啟單相載熱循環(huán)回路，激光器產(chǎn)生廢熱，廢熱通過(guò)水循環(huán)轉(zhuǎn)移至相變蓄冷器 內(nèi)，相變材料吸熱升溫，相變材料由固相融化為液相，相變材料溫度高于9°C時(shí)，相變結(jié)束， 相變總時(shí)長(zhǎng)13. 5min。激光器工作間隔階段，停止單相載熱循環(huán)回路，開(kāi)啟壓縮機(jī)制冷，設(shè)定 壓縮機(jī)蒸發(fā)溫度為_(kāi)5°C，通過(guò)壓縮機(jī)制冷回路將相變蓄冷器內(nèi)的相變材料降溫，相變材料 由液相凝固為固相，相變材料溫度低于5°C，相變結(jié)束，相變材料相變總時(shí)長(zhǎng)24min。
[0032] 經(jīng)本實(shí)施例操作，激光器連續(xù)工作時(shí)間13. 5min，激光器熱沉表面溫度控制范圍 24°C?26°C，控溫精度±0. 5°C，激光器間隔24min后可繼續(xù)運(yùn)行。
[0033] 實(shí)施例2