0 引言

當前,隨著激光器技術的發(fā)展,激光器已被應用于野外清障?破拆等場合?野外使用的便攜性,對整個激光器的體積重量提出了越來越高的要求?散熱系統(tǒng)是整個激光器系統(tǒng)的重要組成部分,散熱系統(tǒng)的小型化?輕量化對整個激光器的便攜化具有重要意義?

目前,就激光器的冷卻方式而言,激光器的冷卻系統(tǒng)分為風冷和液冷兩類,對于小功率激光器,風冷式冷卻可以完成散熱,而大功率激光器必須采用液冷的方式?傳統(tǒng)的液冷系統(tǒng)中,通過冷水機蒸汽壓縮制冷對冷卻水進行冷卻,然后通過冷卻水循環(huán)回路對激光器進行冷卻?然而,大功率的冷水機組體積?重量極大,限制了其在便攜式大功率激光器中的應用?

蓄冷是指將低于環(huán)境溫度的冷量進行儲存留待后用的技術,它是制冷技術的補充和調整,是協(xié)調冷能在時間和強度上供需不匹配的一種經濟可行的方法?目前,蓄冷已被用于食品冷鏈?制冷系統(tǒng)的削峰填谷?節(jié)能降耗,可以很好地解決冷量供需不平衡的問題?本文研究將蓄冷技術應用于大功率激光器的散熱,以蓄冷介質作為激光器散熱系統(tǒng)的冷源,從而達到減小散熱系統(tǒng)體積?重量,最終實現大功率激光器的便攜化這一目的?

1 蓄冷工質及方式的選擇

1.1 蓄冷工質

蓄冷的方式包括顯熱蓄冷?潛熱蓄冷和化學蓄冷等?顯熱蓄冷主要以水為蓄冷工質;潛熱蓄冷根據相變過程又可分為固-液相變制冷?液-氣相變制冷?固-氣相變制冷等,典型的工質分為冰(或共晶鹽)?液氮?干冰?

在選擇蓄冷工質的過程中,需要根據蓄冷能力?蓄冷溫度?安全性?儲存難度以及價格等因素,綜合考慮?對于便攜式蓄冷散熱場景,為降低制冷系統(tǒng)的體積和重量,理想的蓄冷介質應當具有蓄冷能力高?蓄冷溫度適中?安全性高?易儲存的特點?表1對比了不同工質的蓄冷量?蓄冷溫度等特性?表中單位質量工質的蓄冷量按從蓄冷溫度到室溫(20℃)計算?從表1可見,三種蓄冷工質中,干冰蓄冷量最大,冰與液氮蓄冷密度相當?液氮和干冰的蓄冷溫度遠低于冰,在使用過程中,循環(huán)水系統(tǒng)有結冰的風險?此外,為減少儲存?運輸過程的損耗,液氮及干冰都需要特制的保溫容器,而冰的儲存僅需要簡單的泡沫保溫箱就可以,因此從整個蓄冷模塊(蓄冷介質+儲存箱體)的儲能密度來講,以冰蓄冷具有相當的優(yōu)勢?綜上,在常用的蓄冷介質中,冰具有蓄冷密度高?蓄冷溫度適中?安全?便于儲存?價格便宜易獲得的優(yōu)點,是最適合便攜式應用場合的?后續(xù)研究將以冰作為蓄冷介質進行研究?

1.2 蓄冷/釋冷方式

在確定以冰作為蓄冷介質之后,還需要確定蓄冷或釋冷的方式?本文根據制冰的場所,將制冰方式分為內部制冰和外部制冰?內部制冰指在儲冰容器內,通過低溫盤管的方式,將水凍結,原位地制取冰?這種制冰方式中,儲冰容器內的水可以完全凍結,蓄冰率高,但會增加低溫盤管的重量,同時,制冰過程中的膨脹,可能損壞儲冰容器,因此內部制冰的方式不予采用?外部制冰指在儲冰桶外部,通過制冰機的方式,制備冰塊,隨后將冰塊加入儲冰桶中,進行使用?這種外部制冰的方式,取用靈活,結構簡單,可以根據需要隨時向儲冰桶內加入冰塊,滿足使用需求,因此,本文后續(xù)將針對外部制冰的方式進行研究?

根據取冷方式的不同,又可將釋冷過程分為間壁式換熱與混合式換熱兩種?間壁式換熱指通過換熱盤管的方式,循環(huán)水在盤管內流動,從冰塊取冷,因而可以實現閉式循環(huán),但由于換熱過程通過盤管進行,存在換熱溫差,尤其是當冰不與盤管直接接觸時,換熱效果逐漸變差?直接接觸式換熱指循環(huán)水直接與冰接觸,冰融化后,也成為循環(huán)水,具有換熱效果好?取冷效率高?取冷溫度低?取冷過程平穩(wěn)的優(yōu)點,特別適合短時間內冷量大?溫度低的場所?因此,本文后續(xù)將針對直接接觸式釋冷方式進行研究?

綜上,采用外部制冰?直接接觸式釋冷的冰蓄冷散熱方案,具有蓄冷密度高?蓄冷溫度適中?換熱效果好?取冷效率高?取冷溫度低?取冷過程平穩(wěn)的優(yōu)點?由于蓄冷溫度適中,可以使用輕便的泡沫箱作為冰儲箱,無需深冷保溫結構;采用直接接觸式換熱,省去了換熱盤管以及儲液罐;由于取冷溫度低,循環(huán)水溫度與普通水冷溫度相比,降低10℃左右,因此,在相同散熱功率的條件下,可以適當降低循環(huán)水流量,因而可以使用較為小型的泵,在以上因素的共同作用下,可以最大程度地減輕系統(tǒng)重量?

2 實驗系統(tǒng)

為了對本文提出的冰蓄冷散熱方案進行實驗驗證,搭建了圖1所示的蓄冷散熱實驗系統(tǒng)?該系統(tǒng)由熱源模擬系統(tǒng)?冷源及連接系統(tǒng)?數據采集系統(tǒng)三部分構成,其中熱源模擬系統(tǒng)包括水冷板?加熱片?可調直流電源等,冷源連接系統(tǒng)包括制冷/蓄冷系統(tǒng)以及與水冷板進出口連接的管路;數據采集系統(tǒng)包括數據采集儀?計算機等,負責對溫度?壓力?流量信號進行采集?實驗系統(tǒng)中的冷板,是為某激光器研制的專用冷板,加熱片的布置方式與實際使用過程中的熱源位置類似,加熱片的設計加熱功率為4500W?在冷板正反兩面的典型位置,如冷板進?出口,流道上方等區(qū)域,布置有共27路熱電偶,對整個冷板的溫度進行采集?

實驗系統(tǒng)圖如圖2所示?

3 實驗結果

首先,為了驗證水冷板流道設計的正確性,通過冷水機組制冷的方式,對冷板的散熱能力進行了驗證?實驗中,冷卻水流量13.5L/min,壓降1.0bar,溫度測量結果如圖3所示?從圖3可知,除個別測溫點外,大部分測溫點溫度在35℃以下,滿足散熱需求,證明了水冷板設計的合理性?圖3中,系統(tǒng)整體溫度緩慢上升,這是由于冷水機質量功率小于水冷板散熱功率,造成系統(tǒng)能量積累,溫度逐漸升高?

隨后,以冰為制冷介質,進行實驗,結果如圖4所示,實驗中流量為11.7L/min,測量水冷板壓降為0.75bar?從圖4可知,采用冰蓄冷散熱,供水溫度在5℃左右,在測試時間段內,除個別測溫點外,大部分測溫點溫度在35℃以下,滿足散熱需求?

本實驗中冰塊的釋冷特性與文獻報道的類似?從圖4可見,當散熱時間在500s之前時,整個系統(tǒng)的溫度基本穩(wěn)定,這是由于冷卻初期,儲冰箱中冰塊儲量充分,冷卻水回水可以與冰進行充分的熱量交換?在330s左右,整個系統(tǒng)溫度的突然降低是由此時部分冰融化成水,儲冰箱中冰塊在水浮力作用下漂浮,并且在冷卻水回水沖擊動能作用下,發(fā)生旋轉攪拌,使冰和水之間的換熱進一步增強?500s之后,整個系統(tǒng)溫度迅速上升,這是由于此時冰塊已基本融化,此時的散熱主要通過水的顯熱進行?由于水的顯熱僅為4.2kJ/kgK,遠小于冰的潛熱335kJ/kg,因此整個系統(tǒng)的溫升在較短時間內迅速上升?在500s之后,部分熱電偶測量溫度有較大波動,這是由于在回水沖擊作用下,蓄冰桶內形成了漩渦,造成取水口含氣,進而造成流量波動,造成溫度的波動?

從對流換熱理論可知,平均換熱系數k隨流速增大而增大,隨進口溫度降低而降低?采用冰蓄冷換熱時,由于供水溫度降低,冷卻水與水冷板的換熱溫差增大,因此,在散熱量相同的情況下,可以允許采用更小的流速(流量),實現相同的換熱效果?同時,從式可知,當散熱量相同?冷卻水流量減小時,冷卻水溫升增大?由于冰水溫度低,可以允許更大的冷卻水溫升?綜上,對于冰蓄冷散熱,由于供水溫度低,可以采用較小的冷卻水流量實現相同的冷卻效果?較小的冷卻水流量有利于降低流動阻力,從而可以使用輕型水泵,進一步降低系統(tǒng)重量?

4 問題與展望

盡管冰蓄冷散熱,對于便攜式高功率器件的散熱存在極大的優(yōu)勢,但也有一些問題需要注意:

（1）結露問題?對于冰蓄冷散熱,理論制冷溫度為0℃?由于存在換熱溫差,供水溫度一般在5~10℃?當環(huán)境濕度較高時,冷板表面存在結露的風險,尤其是在水冷板的入口區(qū)域以及無熱源區(qū)域,且工作時間越長,結露問題越嚴重?因此必須注重激光器外殼的密封封裝與內部除濕,避免結露造成電子器件的損壞?

（2）蓄冰率?由于蓄冰箱內的冰塊是隨機堆積的,可以認為是一種多孔介質?實驗測試表明,碎冰塊堆積的孔隙率約為38%,即蓄冰箱的蓄冰率約為62%?為進一步提高系統(tǒng)的緊湊程度,可以考慮優(yōu)化冰塊形狀,提高蓄冰率,如將隨機堆積的碎冰塊有序排列,或采用大塊的冰塊等?實驗測試表明,采用大冰塊,可以將蓄冰箱的蓄冰率提高到80%左右?值得注意的是,理論上,蓄冰率可以達到100%(蓄冰箱內水完全凍結),但此時循環(huán)水無法流動,且循環(huán)水與冰塊之間的換熱面積減小,釋冷性能變差?因此,必須在蓄冰率與釋冷性能之間綜合權衡?

（3）蓄冰損耗?在實際使用中,考慮運輸等因素,由于蓄冰箱內部與環(huán)境存在溫差,環(huán)境熱量會源源不斷輸入給蓄冰箱,造成蓄冰箱內冰融化,導致蓄冰率降低?因此,正確評估蓄冰箱內冰的損耗速度至關重要?通過實驗測試,將冰塊置于EPP保溫箱中,儲存在環(huán)境溫度為25℃左右的環(huán)境中,經過24h,蓄冰箱中冰塊損耗小于30%?假設損耗速度為線性,可以估算,在日常運輸過程中,1~2h內,蓄冰損耗小于3%,滿足使用要求?當然,蓄冰損耗與環(huán)境溫度及儲冰箱的保溫性能密切相關?在溫度高的環(huán)境中,需要更優(yōu)質的保溫材料?

（4）蓄冷散熱具有體積小?重量輕的優(yōu)點,但所提供的冷量直接取決于蓄冰量?因此,蓄冰箱的容積,需要根據實際使用需求進行選擇?假設散熱功率為P(W),工作時間為t(s),則可以預估需要的冰塊重量為:

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