一种基于相变蓄冷机制的高精度液冷掺流控温装置及方法技术领域
本发明主要涉及相变蓄冷技术领域，具体涉及一种基于相变蓄冷机制的高精度液
冷掺流控温装置及方法。
背景技术
随着微电子技术和芯片工艺的日趋成熟和新材料的涌现，电子元器件的小型集成
化已经成为电子设备的主要发展趋势，元器件的热流密度迅速攀升，电子行业的发展势必
需要热可靠性设计和高效冷却技术提供技术保障。比如广泛用于工业设备和军用装备的大
功率半导体激光器，由于工作温度变化会引起其波长漂移并导致光电效率转化降低，因此
半导体激光器液冷设备的控温精度指标通常都要求优于±0.3℃甚至更高。
现有的高精度液冷设备通常都是采用能量匹配的原理进行温度控制，比如载冷剂
侧的动态热补偿、制冷系统的PID调节或者压缩机的变频控制等方法；上述控温方法都要求
液冷设备中制冷系统的制冷能力大于负载发热量，然后在工作过程中采用卸载或热补偿的
方式消除供液温度的过冷和过热。结合激光器的效率以及制冷机组的能效比进行综合计
算，采用上述方法设计的液冷机组额定耗电功率是激光器出光功率的3～5倍，体积和重量
也远远大于激光器本身。随着半导体激光器功率的不断提升，高昂的运行费用和庞大的设
备体积重量所带来不利影响也日益明显；更为关键的是，传统的控温方法具备一定的滞后
性，在负载剧变（激光器开启和关闭）工况下，供液温度会产生不可避免的波动，影响激光器
工作的可靠性。
发明内容
为了在满足激光器工作温度需求的基础上实现液冷源设备的小型化、轻量化和低
耗电量，并在负载剧变工况下仍然维持供液温度的稳定，本发明提供了一种基于相变蓄冷
机制高精度液冷掺流控温装置及方法，可以结合激光器工作的占空比等特性大幅降低配套
液冷设备的耗电功率和体积重量，并在全工况下维持供液温度的稳定。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于相变蓄冷机制的高精度液冷掺流控温装置，其特征在于：包括有制冷机组、相
变蓄冷装置、储液箱，制冷机组的两个输出端与相变蓄冷装置的两个制冷端通过管道连接，
相变蓄冷装置的两个载冷端分别与水泵的一端、比例积分合流阀的一端通过管道连接，水
泵的另一端与储液箱的出液口连接，储液箱的进液口与负载之间的管道上设置有流量计，
比例积分合流阀与负载之间的管道上设置有过滤器，比例积分合流阀的第三端接在储液箱
的进液口与流量计之间的管道上。
所述的一种基于相变蓄冷机制的高精度液冷掺流控温装置，其特征在于：所述相
变蓄冷装置中可以根据负载需求温度指标的不同分别填充相变温度点不同的蓄冷材料。
所述的一种基于相变蓄冷机制的高精度液冷掺流控温装置，其特征在于：所述蓄
冷材料采用石蜡石墨复合材料、熔融盐或水。
一种基于相变蓄冷机制的高精度液冷掺流控温方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将基于相变蓄冷机制的高精度液冷掺流控温装置的主液路分为A路和B路，A路为负
载-流量计-比例积分合流阀-过滤器-负载，流通着负载返回的高温冷却液；B路为储液箱-
水泵-相变蓄冷装置-比例积分合流阀，通过相变蓄冷装置进行降温；
（2）相变蓄冷装置的释冷温度点就是内部相变材料的相变温度点，因此在释冷过程中
相变蓄冷装置侧温度是恒定的，由于相变蓄冷装置内各流道的换热面积和表面换热效率是
相同的，因此系统的总换热量和A路流量是线性相关的，通过调节A/B路的流量精准配比便
可以实现精确控温；
（3）设置两个测量温度点A、B，温度点A设置在相变蓄冷装置与比例积分合流阀之间的
管道上，温度点B设置在过滤器与负载之间的管道上；
（4）采用粗调和精调两种模式相结合的方式进行精确控温，粗调模式为相变蓄冷装置
分档输出，精调模式为供液采用比例积分掺流调节，具体为：
1）在温度点A测量温度明显小于供液温度设定值时，说明相变蓄冷装置投入的冷量大
于激光器发热量，需要相变蓄冷装置降档运行；温度点A接近设定温度时，说明相变蓄冷装
置投入的冷量已经非常临界，相变蓄冷装置应适当加大冷量投入；
2）在温度点B测量温度小于供液温度设定值时，说明A路投入的流量大于需求值，通过
比例积分合流阀增加B路的投入百分比；温度点B测量温度大于设定温度时，说明A路投入的
流量偏小，通过比例积分合流阀增加A路的投入百分比。
本发明的原理是：
本发明的控温方法应用在为固体激光器负载散热时，制冷机组的制冷量通常不需要等
同于载冷单元的放冷量，这是由于固体激光器的工作不是一个连续的过程，而是一个间歇
工作的过程；因此，可以根据激光器工作的占空比科学配置制冷机组和蓄冷器，实现制冷机
组连续运转制冷、载冷单元间歇工作输出冷量的工作模式，最终实现降低设备的体积重量
和耗电功率。
本发明的优点是：
本发明采用采用粗调和精调相结合的形式，可以降低响应时间，以达到消除控温滞后
性的目的；本发明可以在不同的设定温度区间范围内确保供液温度的稳定。
附图说明
图1为本发明的示意框图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于相变蓄冷机制的高精度液冷掺流控温装置，包括有制冷机组
1、相变蓄冷装置2、储液箱3，制冷机组1的两个输出端与相变蓄冷装置2的两个制冷端通过
管道连接，相变蓄冷装置2的两个载冷端分别与水泵4的一端、比例积分合流阀5的一端通过
管道连接，水泵4的另一端与储液箱3的出液口连接，储液箱3的进液口与负载6之间的管道
上设置有流量计7，比例积分合流阀5与负载6之间的管道上设置有过滤器8，比例积分合流
阀5的第三端接在储液箱3的进液口与流量计7之间的管道上。
相变蓄冷装置2中可以根据负载需求温度指标的不同分别填充相变温度点不同的
蓄冷材料。蓄冷材料采用石蜡石墨复合材料、熔融盐或水。
一种基于相变蓄冷机制的高精度液冷掺流控温方法，包括以下步骤：
（1）将基于相变蓄冷机制的高精度液冷掺流控温装置的主液路分为A路和B路，A路为负
载-流量计-比例积分合流阀-过滤器-负载，流通着负载返回的高温冷却液；B路为储液箱-
水泵-相变蓄冷装置-比例积分合流阀，通过相变蓄冷装置进行降温；
（2）相变蓄冷装置的释冷温度点就是内部相变材料的相变温度点，因此在释冷过程中
相变蓄冷装置侧温度是恒定的，由于相变蓄冷装置内各流道的换热面积和表面换热效率是
相同的，因此系统的总换热量和A路流量是线性相关的，通过调节A/B路的流量精准配比便
可以实现精确控温；
（3）设置两个测量温度点A、B，温度点A设置在相变蓄冷装置与比例积分合流阀之间的
管道上，温度点B设置在过滤器与负载之间的管道上；
（4）采用粗调和精调两种模式相结合的方式进行精确控温，粗调模式为相变蓄冷装置
分档输出，精调模式为供液采用比例积分掺流调节，具体为：
1）在温度点A测量温度明显小于供液温度设定值时，说明相变蓄冷装置投入的冷量大
于激光器发热量，需要相变蓄冷装置降档运行；温度点A接近设定温度时，说明相变蓄冷装
置投入的冷量已经非常临界，相变蓄冷装置应适当加大冷量投入；
2）在温度点B测量温度小于供液温度设定值时，说明A路投入的流量大于需求值，通过
比例积分合流阀增加B路的投入百分比；温度点B测量温度大于设定温度时，说明A路投入的
流量偏小，通过比例积分合流阀增加A路的投入百分比。