一种激光器控温系统及其控制方法.pdf

本发明提供了一种激光器控温系统及其控制方法的技术方案，该方案包括有激光器热沉、相变蓄冷器、单相液冷回路、压缩机单元和压缩机回路；相变蓄冷器通过单相液冷回路与激光器热沉连通；单相液冷回路上设置有温控阀；相变蓄冷器通过压缩机回路与压缩机单元连通。该方案能耗低、控温精度高、适用于多种机动平台、可适用于不同热负荷的激光器、可扩展性良好，在不同环境和条件下，都能够满足激光器散热要求。

权利要求书1.  一种激光器控温系统，其特征是：包括有激光器热沉、相变 蓄冷器、单相液冷回路、压缩机单元和压缩机回路；所述的相变蓄冷 器通过单相液冷回路与激光器热沉连通；所述的单相液冷回路上设置 有温控阀；所述的相变蓄冷器通过压缩机回路与压缩机单元连通。 2.  根据权利要求1所述的一种激光器控温系统，其特征是：所 述温控阀为三通阀，温控阀的第一端和第二端分别与相变蓄冷器的出 液端和激光器热沉的进液端连通，第三端与激光器热沉的出液端和相 变蓄冷器的进液端连通。 3.  根据权利要求1所述的一种激光器控温系统，其特征是：所 述相变蓄冷器内充装高导热强化传热材料；所述高导热强化材料的导 热系数大于50W/m·K。 4.  根据权利要求1所述的一种激光器控温系统，其特征是：所 述相变蓄冷器内加注有相变材料，相变材料的相变潜热大于100kJ/kg。 5.  根据权利要求1所述的一种激光器控温系统，其特征是：所 述压缩机单元的蒸发温度低于所述相变材料的相变温度。 6.  根据权利要求1所述的一种激光器控温系统，其特征是：所述 单相液冷回路嵌入相变蓄冷器内部。 7.  一种激光器控温系统的控制方法，其特征是：包括有以下步 骤： a.根据激光器工作情况，选择适当的压缩机单元，加注适量的相 变材料； b.首次启动前，启动压缩机单元，为相变蓄冷器内的相变材料降 温，相变材料由液相降温凝固为固相； c.激光器工作阶段，停止压缩机单元，启动单相液冷回路，激光 器产生废热通过相变蓄冷器内相变材料吸收，相变材料由固相吸热变 为液相；调节单相液冷回路温控阀开度，实现负载控制温度要求； d.激光器工作间隔阶段，停止单相液冷回路，开启压缩机单元， 通过压缩机单元制冷将相变蓄冷器内的相变材料降温，相变材料由液 相凝固为固相。 8.  根据权利要求7所述的一种激光器控温系统的控制方法，其 特征是：所述步骤a中，相变材料的加注量根据公式计算：其 中，Wl为激光器的热负荷；tw为激光器工作时间；q为相变材料相变 潜热值。 9.  根据权利要求7所述的一种激光器控温系统的控制方法，其 特征是：所述步骤a中，压缩机单元的制冷量根据公式计算：， 其中，Wl为激光器的热负荷；tw激光器工作时间；tp：激光器间隔时 间。

说明书一种激光器控温系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及的是激光器技术应用，尤其是一种激光器控温系统及 其控制方法。
背景技术
伴随激光器性能的提升，激光器的应用环境也广泛扩展，越来越 多的机动平台，包括飞机、汽车、轮船等对激光器提出了配装需求。 在这些独立性强、使用灵活度高、应用环境较为苛刻的运行平台，激 光器的体积、重量、功耗受到十分严格的限制，激光器的控温冷却技 术成为制约激光器使用性能提升的关键因素之一。
风冷是目前电子设备普遍使用的冷却散热方式，也是飞机上最基 本最常用的冷却系统。风冷技术分为直接风冷和间接风冷两种形式。 直接风冷是冷却空气直接吹向发热芯片表面带走芯片的热量，换热效 率较低。间接风冷采用风冷散热器增大芯片散热面积，通过冷却空气 的对流进行散热。风冷技术需要运行平台提供环控风，同时散热能力 扩展具有局限性，伴随热负荷的增加，体积规模功耗显著增大。
控温精度要求高、热负荷低的电子器件多采用半导体制冷技术， 利用P型半导体元件和N型半导体元件连接成热电偶，利用直流电源 通过时产生的温差和热量转移，实现制冷。该技术结构简单，无需制 冷剂，无污染，启动快，控制灵活，在失重和超重状态下均可工作。 但该技术制冷效率低，功耗高，制冷能力随环境温度与制冷片冷端温 差增大而减小，不适用于环境温度变化范围大、体积功耗限制严格的 环境。
消耗式相变冷却技术是一种较为简便的散热技术。电子设备的废 热通过制冷剂蒸发相变带走，制冷剂直接排向外部环境。该技术适用 于一次性工况，结构简单、对环境风没有要求、温控精度易于保证。 但是，高相变潜热的相变材料多具有腐蚀性，直接排放前需采取防腐 措施；在机动平台的振动、加速度等条件下，制冷剂的力学等特性可 能发生改变，造成液体脱离散热面，引起器件过热烧毁；长时间运行 工况下冷却剂储罐体积过大，不利于小型化紧凑化设计；独立平台的 舱壁需设计专用冷媒排散口，对机动平台的结构要求较高。
英国GEC-Ferranti公司针对机载激光器温控，提出了独立冲压 空气冷却式环控系统，研制出热成像/激光瞄准吊舱(TIALD)。TIALD 吊舱采用冲压空气作为动力源，不耗电，有效地解决了一些载机电源 紧张的难题。其制冷能力随马赫数的增加而增加，可在一定范围内克 服气动热载荷随马赫数增大而增大的影响，但由于冲压空气压力低， 涡轮基本工作在小膨胀比和小焓降状态，系统制冷量有限，单纯的冲 压空气通风冷却方式不能满足日益增加的电子设备热载荷的需求。
目前电子设备热控系统大多采用压缩机蒸发循环和液体冷却一 体化结合的方式。蒸气压缩制冷在应对高热流密度电子芯片和功率原 件的散热问题上具有极大的潜力和应用前景。该技术制冷量依赖于压 缩机系统冷量，不适用于瞬时大功率放热设备，同时，高温环境下压 缩机能耗比降低，功耗增加，不适用于能耗限制严格的应用条件。
发明内容
本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种激 光器控温系统及其控制方法的技术方案，该方案能耗低、控温精度高、 适用于多种机动平台、可适用于不同热负荷的激光器、可扩展性良好， 在不同环境和条件下，都能够满足激光器散热要求。
本方案是通过如下技术措施来实现的：
一种激光器控温系统，其特征是：包括有激光器热沉、相变蓄冷 器、单相液冷回路、压缩机单元和压缩机回路；相变蓄冷器通过单相 液冷回路与激光器热沉连通；单相液冷回路上设置有温控阀；相变蓄 冷器通过压缩机回路与压缩机单元连通。
作为本方案的优选：温控阀为三通阀，温控阀的第一端和第二端 分别与相变蓄冷器的出液端和激光器热沉的进液端连通，第三端与激 光器热沉的出液端和相变蓄冷器的进液端连通。
作为本方案的优选：相变蓄冷器内充装高导热强化传热材料；所 述高导热强化材料的导热系数大于50W/m·K。
作为本方案的优选：相变蓄冷器内加注有相变材料，相变材料的 相变潜热大于100kJ/kg。
作为本方案的优选：压缩机单元的蒸发温度低于所述相变材料的 相变温度。
作为本方案的优选：单相液冷回路嵌入相变蓄冷器内部。
一种激光器控温系统的控制方法，其特征是：包括有以下步骤：
a.根据激光器工作情况，选择适当的压缩机单元，加注适量的相 变材料；
b.首次启动前，启动压缩机单元，为相变蓄冷器内的相变材料降 温，相变材料由液相降温凝固为固相；
c.激光器工作阶段，停止压缩机单元，启动单相液冷回路，激光 器产生废热通过相变蓄冷器内相变材料吸收，相变材料由固相吸热变 为液相；调节单相液冷回路温控阀开度，实现负载控制温度要求；
d.激光器工作间隔阶段，停止单相液冷回路，开启压缩机单元， 通过压缩机单元制冷将相变蓄冷器内的相变材料降温，相变材料由液 相凝固为固相。
作为本方案的优选：步骤a中，相变材料的加注量根据公式计算：其中，Wl为激光器的热负荷；tw为激光器工作时间；q为相变 材料相变潜热值。
作为本方案的优选：步骤a中，压缩机单元的制冷量根据公式 计算：，其中，Wl为激光器的热负荷；tw激光器工作时间；tp： 激光器间隔时间。
本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于在该方案 中激光器控温冷却方法，利用相变材料的相变实现激光器的废热吸收， 吸热过程不需动力能源，能耗低；利用压缩机制冷实现热排散，不依 赖环控风或冷却液，适用于多种机动平台；通过增加相变材料总量增 加总吸热量，可适用不同热负荷的激光器，可扩展性良好；通过相变 材料固液相变实现温度控制，相变材料相变温度恒定，控温稳定性高； 通过实时调节温控阀实现温度精密控制，控温精度高。
由此可见，本发明与现有技术相比，具有实质性特点和进步，其 实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中，1为激光器热沉，2为激光器热负载，3为单向液冷回路，4 为相变蓄冷器，5为温控阀，6为压缩机单元，8为压缩机回路。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤， 除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一 特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加 以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中 的一个例子而已。
实施例1
选择激光器，热负荷200W，工作时间10min，间隔时间30min，要 求控制温度25℃，控温精度±1℃。选择相变材料，相变温度7℃，相 变潜热216kJ/kg；计算相变材料需要量0.56kg，考虑环境热损失，相 变蓄冷器实际加注相变材料0.84kg。选择多孔高导热强化传热材料， 导热系数135W/m﹒K；相变蓄冷器传热系数2400W/m2﹒K。压缩机蒸发 温度-5℃，计算压缩机所需制冷量67W，考虑环境热损失，选择制冷 量150W的压缩机。相变蓄冷器与激光器热沉通过单相载热循环回路 连通，选用水作载热循环回路制冷介质，回路设计温控阀调节激光器 热沉入口水温度；相变蓄冷器与压缩机通过压缩机回路连通。
首次启动前，启动压缩机，设定压缩机蒸发温度为-5℃，将相变 蓄冷器内的相变材料降温由液相凝固为固相，相变材料温度低于5℃ 时，相变结束；激光器工作阶段，关闭压缩机制冷，开启单相载热循 环回路，激光器产生废热，废热通过水循环转移至相变蓄冷器内，相 变材料吸热升温，相变材料由固相融化为液相，相变材料温度高于9℃ 时，相变结束，相变总时长13.5min。激光器工作间隔阶段，停止单 相载热循环回路，开启压缩机制冷，设定压缩机蒸发温度为-5℃，通 过压缩机制冷回路将相变蓄冷器内的相变材料降温，相变材料由液相 凝固为固相，相变材料温度低于5℃，相变结束，相变材料相变总时 长24min。
经本实施例操作，激光器连续工作时间13.5min，激光器热沉表 面温度控制范围24℃～26℃，控温精度±0.5℃，激光器间隔24min 后可继续运行。
实施例2
选择激光器，热负荷800W，工作时间8min，间隔时间30min，要 求控制温度24℃，控温精度±1℃。选择相变材料，相变温度7℃，相 变潜热216kJ/kg；计算相变材料需要量1.78kg，考虑环境热损失，相 变蓄冷器实际加注相变材料2.68kg。选择多孔高导热强化传热材料， 导热系数135W/m﹒K；相变蓄冷器传热系数2400W/m2﹒K。压缩机蒸发 温度-5℃，计算压缩机所需制冷量214W，考虑环境热损失，选择制冷 量400W的压缩机。相变蓄冷器与激光器热沉通过单相载热循环回路 连通，选用水作载热循环回路制冷介质，回路设计温控阀调节激光器 热沉入口水温度；相变蓄冷器与压缩机通过压缩机回路连通。
首次启动前，启动压缩机，设定压缩机蒸发温度为-5℃，将相变 蓄冷器内的相变材料降温由液相凝固为固相，相变材料温度低于5℃ 时，相变结束；激光器工作阶段，关闭压缩机制冷，开启单相载热循 环回路，激光器产生废热，废热通过水循环转移至相变蓄冷器内，相 变材料吸热升温，相变材料由固相融化为液相，相变材料温度高于9℃ 时，相变结束，相变总时长11min，激光器热沉表面温度控制范围 25℃～27℃。激光器工作间隔阶段，停止单相载热循环回路，开启压 缩机制冷，设定压缩机蒸发温度为-5℃，通过压缩机制冷回路将相变 蓄冷器内的相变材料降温，相变材料由液相凝固为固相，相变材料温 度低于5℃，相变结束，相变材料相变总时长总计26min。
经本实施例操作，激光器连续工作时间11min，激光器热沉表面 温度控制范围23℃～25℃，控温精度±0.3℃，激光器间隔26min后 可继续运行。
实施例3
选择激光器，热负荷2000W，工作时间100s，间隔时间30min，要 求控制温度30℃，控温精度±1℃。选择相变材料，相变温度17℃， 相变潜热260kJ/kg；计算相变材料需要量0.77kg，考虑环境热损失， 相变蓄冷器实际加注相变材料1.16kg。选择多孔高导热强化传热材料， 导热系数135W/m﹒K；相变蓄冷器传热系数2470W/m2﹒K。压缩机蒸发 温度-5℃，计算压缩机所需制冷量112W，考虑环境热损失，选择制冷 量200W的压缩机。相变蓄冷器与激光器热沉通过单相载热循环回路 连通，选用水作载热循环回路制冷介质，回路设计温控阀调节激光器 热沉入口水温度；相变蓄冷器与压缩机通过压缩机回路连通。
首次启动前，启动压缩机，设定压缩机蒸发温度为5℃，将相变 蓄冷器内的相变材料降温由液相凝固为固相，相变材料温度低于17℃ 时，相变结束；激光器工作阶段，关闭压缩机制冷，开启单相载热循 环回路，激光器产生废热，废热通过水循环转移至相变蓄冷器内，相 变材料吸热升温，相变材料由固相融化为液相，相变材料温度高于17℃ 时，相变结束，相变总时长120s。激光器工作间隔阶段，停止单相载 热循环回路，开启压缩机制冷，设定压缩机蒸发温度为5℃，通过压 缩机制冷回路将相变蓄冷器内的相变材料降温，相变材料由液相凝固 为固相，相变材料温度低于17℃，相变结束，相变总时长27min。
经本实施例操作，激光器连续工作时间120s，激光器热沉表面温 度控制范围29℃～31℃，控温精度±0.5℃，激光器间隔27min后可 继续运行。
实施例4
选择激光器，热负荷11000W，工作时间150s，间隔时间30min， 要求控制温度28℃，控温精度±1℃。选择相变材料，相变温度17℃， 相变潜热260kJ/kg；计算相变材料需要量6.35kg，考虑环境热损失， 相变蓄冷器实际加注相变材料9.52kg。选择多孔高导热强化传热材料， 导热系数245W/m﹒K；相变蓄冷器传热系数2600W/m2﹒K。压缩机蒸发 温度5℃，计算压缩机所需制冷量917W，考虑环境热损失，选择制冷 量1500W的压缩机。相变蓄冷器与激光器热沉通过单相载热循环回路 连通，选用水作载热循环回路制冷介质，回路设计温控阀调节激光器 热沉入口水温度；相变蓄冷器与压缩机通过压缩机回路连通。
首次启动前，启动压缩机，设定压缩机蒸发温度为5℃，将相变 蓄冷器内的相变材料降温由液相凝固为固相，相变材料温度低于17℃ 时，相变结束；激光器工作阶段，关闭压缩机制冷，开启单相载热循 环回路，激光器产生废热，废热通过水循环转移至相变蓄冷器内，相 变材料吸热升温，相变材料由固相融化为液相，相变材料温度高于17℃ 时，相变结束。激光器工作间隔阶段，停止单相载热循环回路，开启 压缩机制冷，设定压缩机蒸发温度为5℃，通过压缩机制冷回路将相 变蓄冷器内的相变材料降温，相变材料由液相凝固为固相，相变材料 温度低于17℃，相变结束，相变材料相变过程总计29min。
经本实施例操作，激光器连续工作时间150s，激光器热沉表面温 度控制范围27℃～29℃，控温精度±0.5℃，激光器间隔29min后可 继续运行。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本 说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或 过程的步骤或任何新的组合。