一種激光器多溫區(qū)精密控溫系統(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)用領(lǐng)域，尤其是一種激光器多溫區(qū)精密控溫系統(tǒng)及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著激光技術(shù)的不斷進步，激光器性能不斷提升的同時其應(yīng)用范圍也不斷擴展。飛機、汽車、輪船等機動平臺的特殊條件使激光器及其溫控系統(tǒng)的體積、重量、功耗受到十分嚴格的限制。某些激光器的多溫區(qū)溫控要求更加大了激光器溫控難度。激光器的控溫冷卻技術(shù)成為制約激光器性能提升及應(yīng)用擴展的關(guān)鍵因素之一。
[0003]目前電子設(shè)備普遍使用風冷、半導體制冷以及壓縮機蒸發(fā)循環(huán)復合單相液體制冷。風冷是飛機上最基本最常用的冷卻系統(tǒng)。但其換熱效率較低，需要運行平臺提供環(huán)控風，同時散熱能力擴展具有局限性，伴隨熱負荷的增加，體積規(guī)模功耗顯著增大。半導體制冷技術(shù)應(yīng)用于控溫精度要求高、熱負荷低的電子器件。該技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單，無需制冷劑，無污染，啟動快，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、體積功耗限制嚴格的環(huán)境。蒸氣壓縮制冷在應(yīng)對高熱流密度電子芯片和功率原件的散熱問題上具有極大的潛力和應(yīng)用前景。高溫環(huán)境下壓縮機能耗比較低，功耗增加，不適用于能耗限制嚴格的應(yīng)用條件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的，就是針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，而提供一種激光器多溫區(qū)精密控溫系統(tǒng)及其控制方法的技術(shù)方案，該方案可適用于不同熱負荷的多溫區(qū)激光器的散熱需求，具有能效比高、體積小、重量輕、適用于多種機動平臺、可擴展性良好的顯著優(yōu)點，特別是在一些苛刻的環(huán)境條件下也能滿足激光器散熱控溫要求。
[0005]本方案是通過如下技術(shù)措施來實現(xiàn)的:
一種激光器多溫區(qū)精密控溫系統(tǒng)，包括有低精度溫區(qū)熱負載、高精度溫區(qū)熱負載、低精度溫區(qū)冷卻器、高精度溫區(qū)冷卻器、TEC半導體制冷模塊、壓縮機單元、壓縮機回路和控制系統(tǒng)；低精度溫區(qū)冷卻器和高精度溫區(qū)冷卻器通過壓縮機回路與壓縮機單元連通；低精度溫區(qū)熱負載貼在低精度溫區(qū)冷卻器上；高精度溫區(qū)熱負載貼在TEC半導體制冷模塊的冷面；高精度溫區(qū)冷卻器貼在TEC半導體制冷模塊的熱面。
[0006]作為本方案的優(yōu)選:激光器低精度溫區(qū)冷卻器上設(shè)置有電加熱器。
[0007]作為本方案的優(yōu)選:TEC半導體制冷模塊的冷面對高精度溫區(qū)熱負載進行冷卻和精密溫控，高精度溫區(qū)熱負載的熱量通過熱面?zhèn)鬟f給高精度溫區(qū)冷卻器。
[0008]作為本方案的優(yōu)選:壓縮機回路的蒸發(fā)溫度等于高精度溫區(qū)熱負載的目標溫度且不高于低精度溫區(qū)熱負載的目標溫度。
[0009]一種激光器多溫區(qū)精密控溫系統(tǒng)的控制方法，包括有以下步驟: a.根據(jù)激光器總熱負載情況以及溫控要求，選擇適當?shù)膲嚎s機單元；
b.根據(jù)激光器高精度溫區(qū)熱負載情況以及溫控要求，選擇適當?shù)腡EC半導體制冷模塊；
c.系統(tǒng)啟動后，根據(jù)半導體制冷模塊熱面和低精度溫區(qū)熱負載的溫度情況控制壓縮機的啟停和制冷量以及電加熱器的功率，通過調(diào)節(jié)壓縮機制冷量將TEC半導體制冷模塊熱面的熱量帶走并將TEC半導體制冷模塊熱面溫度控制在以高精度溫區(qū)熱負載控溫要求的精度范圍內(nèi)，通過調(diào)節(jié)壓縮機制冷量及電加熱器功率將低精度溫區(qū)熱負載的溫度控制在目標范圍內(nèi)；
d.系統(tǒng)啟動后，根據(jù)高精度溫區(qū)熱負載的溫度情況控制TEC半導體制冷模塊的制冷量，將高精度溫區(qū)熱負載的廢熱帶走并將其溫度控制在要求的精度范圍內(nèi)，該步驟與步驟c同步進行。
[0010]作為本方案的優(yōu)選:步驟c和步驟d中控制TEC半導體制冷模塊制冷量的方法為PID控制或模糊控制。
[0011]本方案的有益效果可根據(jù)對上述方案的敘述得知，由于該方案對不同溫控要求的熱負載采用不同溫區(qū)分別控溫的方法，在提高能效比的同時有利于系統(tǒng)體積、重量以及功耗的降低和成本控制；對高精度溫區(qū)熱負載采用壓縮機復合TEC半導體制冷的方法，在保證控溫精度高、控溫穩(wěn)定性好的同時具有較高的能效比和較強的環(huán)境適應(yīng)性，系統(tǒng)組件較少有利于系統(tǒng)體積重量和功耗的減輕，適用于多種機動平臺。通過壓縮機和TEC半導體制冷模塊制冷量的選型，可適用不同熱負荷的激光器，可擴展性良好。
[0012]由此可見，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有實質(zhì)性特點和進步，其實施的有益效果也是顯而易見的。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖中，1為TEC半導體制冷片，2為激光器高精度溫區(qū)熱負載，3激光器高精度溫區(qū)冷卻器，4為激光器低精度溫區(qū)熱負載，5為激光器低精度溫區(qū)冷卻器，6為壓縮機單元，7為壓縮機回路。
【具體實施方式】
[0015]本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，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。
[0016]本說明書(包括任何附加權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。
實施例
[0017]選擇激光器系統(tǒng)總負荷220W，其中激光器熱負荷120W，電源熱負荷100W，要求激光器表面溫度10?35°C可調(diào)且溫精度高于±0.2°C，電源溫度低于60°C即可。
[0018]根據(jù)熱負荷選擇壓縮機單元蒸發(fā)溫度低于15°C且制冷量大于250W。選擇選擇大和9500/241/100B型TEC半導體制冷片兩片。激光器冷卻器和電源冷卻器根據(jù)熱負荷設(shè)計。TEC半導體制冷片冷面與激光器貼合熱面與激光器冷卻器貼合。
[0019](1)系統(tǒng)啟動后，根據(jù)TEC半導體制冷模塊熱面和電源的溫度情況控制壓縮機的啟停和制冷量以及電加熱器的功率，通過激光器冷卻器將TEC半導體制冷片熱面帶走通過電源冷卻器(電加熱器)將電源的熱量帶走，并將TEC半導體制冷片溫度控制在10?35°C，控溫精度±5°C，將電源溫度控制在60°C以下。該步驟與步驟(2)同時進行；
(2)系統(tǒng)啟動后，根據(jù)激光器的溫度情況控制TEC半導體制冷模塊的制冷量，將激光器廢熱帶走并將其溫度控制在10?35°C，控溫精度±0.2°C。
[0020]經(jīng)本實施例操作，激光器可長時間連續(xù)工作，激光器表面溫度控制范圍10°C?35 °C，控溫精度±0.2°C。
[0021]本發(fā)明并不局限于前述的【具體實施方式】。本發(fā)明擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。
【主權(quán)項】
1.一種激光器多溫區(qū)精密控溫系統(tǒng)，其特征是:包括有低精度溫區(qū)熱負載、高精度溫區(qū)熱負載、低精度溫區(qū)冷卻器、高精度溫區(qū)冷卻器、TEC半導體制冷模塊、壓縮機單元、壓縮機回路和控制系統(tǒng)；所述低精度溫區(qū)冷卻器和高精度溫區(qū)冷卻器通過壓縮機回路與壓縮機單元連通；所述的低精度溫區(qū)熱負載貼在低精度溫區(qū)冷卻器上；所述的高精度溫區(qū)熱負載貼在TEC半導體制冷模塊的冷面；所述的高精度溫區(qū)冷卻器貼在TEC半導體制冷模塊的熱面。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光器多溫區(qū)精密控溫系統(tǒng)，其特征是:所述激光器低精度溫區(qū)冷卻器上設(shè)置有電加熱器。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光器多溫區(qū)精密控溫系統(tǒng)，其特征是:所述的TEC半導體制冷模塊的冷面對高精度溫區(qū)熱負載進行冷卻和精密溫控，高精度溫區(qū)熱負載的熱量通過熱面?zhèn)鬟f給高精度溫區(qū)冷卻器。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光器多溫區(qū)精密控溫系統(tǒng)，其特征是:所述壓縮機回路的蒸發(fā)溫度等于高精度溫區(qū)熱負載的目標溫度且不高于低精度溫區(qū)熱負載的目標溫度。5.一種激光器多溫區(qū)精密控溫系統(tǒng)的控制方法，其特征是:包括有以下步驟: a.根據(jù)激光器總熱負載情況以及溫控要求，選擇適當?shù)膲嚎s機單元； b.根據(jù)激光器高精度溫區(qū)熱負載情況以及溫控要求，選擇適當?shù)腡EC半導體制冷模塊； c.系統(tǒng)啟動后，根據(jù)半導體制冷模塊熱面和低精度溫區(qū)熱負載的溫度情況控制壓縮機的啟停和制冷量以及電加熱器的功率，通過調(diào)節(jié)壓縮機制冷量將TEC半導體制冷模塊熱面的熱量帶走并將TEC半導體制冷模塊熱面溫度控制在以高精度溫區(qū)熱負載控溫要求的精度范圍內(nèi)，通過調(diào)節(jié)壓縮機制冷量及電加熱器功率將低精度溫區(qū)熱負載的溫度控制在目標范圍內(nèi)； d.系統(tǒng)啟動后，根據(jù)高精度溫區(qū)熱負載的溫度情況控制TEC半導體制冷模塊的制冷量，將高精度溫區(qū)熱負載的廢熱帶走并將其溫度控制在要求的精度范圍內(nèi)，該步驟與步驟c同步進行。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的控制方法，其特征是:所述步驟c和步驟d中控制TEC半導體制冷模塊制冷量的方法為PID控制或模糊控制。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種激光器多溫區(qū)精密控溫系統(tǒng)及其控制方法，該方案包括有低精度溫區(qū)熱負載、高精度溫區(qū)熱負載、低精度溫區(qū)冷卻器、高精度溫區(qū)冷卻器、TEC半導體制冷模塊、壓縮機單元、壓縮機回路和控制系統(tǒng)；低精度溫區(qū)冷卻器和高精度溫區(qū)冷卻器通過壓縮機回路與壓縮機單元連通；低精度溫區(qū)熱負載貼在低精度溫區(qū)冷卻器上；高精度溫區(qū)熱負載貼在TEC半導體制冷模塊的冷面；高精度溫區(qū)冷卻器貼在TEC半導體制冷模塊的熱面。該方案可適用于不同熱負荷的多溫區(qū)激光器的散熱需求，具有能效比高、體積小、重量輕、適用于多種機動平臺、可擴展性良好的顯著優(yōu)點，特別是在一些苛刻的環(huán)境條件下也能滿足激光器散熱控溫要求。
【IPC分類】H01S5/024, F25B29/00, H01S3/04
【公開號】CN105428971
【申請?zhí)枴緾N201510920554
【發(fā)明人】劉軍, 蔣琳, 王永振, 柳麗卿, 袁曉蓉, 黃勛, 楊波, 蔡光明, 閆鋒, 王姣, 謝秀芳, 李春領(lǐng)
【申請人】中國工程物理研究院應(yīng)用電子學研究所
【公開日】2016年3月23日
【申請日】2015年12月14日