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，越來越多的機(jī)動平臺，包 括飛機(jī)、汽車、輪船等對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，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 冷卻空氣的對流進(jìn)行散熱。風(fēng)冷技術(shù)需要運(yùn)行平臺提供環(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(yán)格的環(huán)境。
[0005] 消耗式相變冷卻技術(shù)是一種較為簡便的散熱技術(shù)。電子設(shè)備的廢熱通過制冷劑蒸 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)簡單、對環(huán)境風(fēng)沒 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)動平臺的振動、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，引起器件過熱燒毀；長時(shí)間運(yùn)行工況下冷卻劑儲罐體積過大，不利于小 型化緊湊化設(shè)計(jì)；獨(dú)立平臺的艙壁需設(shè)計(jì)專用冷媒排散口，對機(jī)動平臺的結(jié)構(gòu)要求較高。
[0006] 英國GEC-Ferranti公司針對機(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。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)動平臺、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] 本方案是通過如下技術(shù)措施來實(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：單相液冷回路嵌入相變蓄冷器內(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.首次啟動前，啟動壓縮機(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，啟動單相液冷回路，激光器產(chǎn)生廢熱通過相 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?；調(diào)節(jié)單相液冷回路溫控閥開度， 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，開啟壓縮機(jī)單元，通過壓縮機(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，吸熱過程不需動力能源，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)動平臺；通過增加相變材 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，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 是顯而易見的。
【附圖說明】
[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。
[0028] 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(gè)特征只 是一系列等效或類似特征中的一個(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)通過壓縮機(jī)回路連通。
[0031] 首次啟動前，啟動壓縮機(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，開啟單相載熱循環(huán)回路，激光器產(chǎn)生廢熱，廢熱通過水循環(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13. 5min。激光器工作間隔階段，停止單相載熱循環(huán)回路，開啟壓縮機(jī)制冷，設(shè)定 壓縮機(jī)蒸發(fā)溫度為_5°C，通過壓縮機(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