便攜式高功率激光器蓄冷散熱實(shí)驗(yàn)研究

姜一桐 阮楨 張磊 林濤 全曉軍

摘要：針對(duì)便攜式大功率激光器的散熱問題，文章提出了蓄冷散熱的技術(shù)方案。首先分析了不同的蓄冷介質(zhì)和蓄冷/釋冷方式，比較得出采用冰作為蓄冷介質(zhì)、采用直接接觸式釋冷的方案在蓄冷量、釋冷過程平穩(wěn)性、系統(tǒng)體積與重量等方面具有顯著優(yōu)勢。隨后，采用冰蓄冷、直接接觸式釋冷的方案，對(duì)額定散熱功率4500W的水冷板進(jìn)行了散熱性能測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用冰蓄冷散熱，由于冷卻水溫度低，水冷板整體溫度較低，可以采用較小的冷卻水流量滿足散熱需求，證明了冰蓄冷散熱的可行性。隨后，將冰蓄冷散熱應(yīng)用于大功率激光器的散熱，成功實(shí)現(xiàn)了便攜式大功率激光器散熱系統(tǒng)輕量化。文章也對(duì)冰蓄冷散熱過程中的結(jié)露、蓄冰率、工質(zhì)損耗、系統(tǒng)工作時(shí)間等問題進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：冰蓄冷;直接接觸式釋冷;熱管理;便攜式高功率激光器

當(dāng)前，隨著激光器技術(shù)的發(fā)展，激光器已被應(yīng)用于野外清障、破拆等場合[1]。野外使用的便攜性，對(duì)整個(gè)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(gè)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(duì)整個(gè)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(fēng)冷和液冷兩類[2]，對(duì)于小功率激光器，風(fēng)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(jī)蒸汽壓縮制冷對(duì)冷卻水進(jìn)行冷卻，然后通過冷卻水循環(huán)回路對(duì)激光器進(jìn)行冷卻。然而，大功率的冷水機(jī)組體積、重量極大，限制了其在便攜式大功率激光器中的應(yīng)用。

蓄冷是指將低于環(huán)境溫度的冷量進(jìn)行儲(chǔ)存留待后用的技術(shù)，它是制冷技術(shù)的補(bǔ)充和調(diào)整，是協(xié)調(diào)冷能在時(shí)間和強(qiáng)度上供需不匹配的一種經(jīng)濟(jì)可行的方法[3]。目前，蓄冷已被用于食品冷鏈[4]、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[5-6]。本文研究將蓄冷技術(shù)應(yīng)用于大功率激光器的散熱，以蓄冷介質(zhì)作為激光器散熱系統(tǒng)的冷源，從而達(dá)到減小散熱系統(tǒng)體積、重量，最終實(shí)現(xiàn)大功率激光器的便攜化這一目的。

1? 蓄冷工質(zhì)及方式的選擇

1.1? 蓄冷工質(zhì)

蓄冷的方式包括顯熱蓄冷、潛熱蓄冷和化學(xué)蓄冷等。顯熱蓄冷主要以水為蓄冷工質(zhì);潛熱蓄冷根據(jù)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(zhì)分為冰（或共晶鹽）、液氮、干冰。

在選擇蓄冷工質(zhì)的過程中，需要根據(jù)蓄冷能力、蓄冷溫度、安全性、儲(chǔ)存難度以及價(jià)格等因素，綜合考慮[7]。對(duì)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(zhì)應(yīng)當(dāng)具有蓄冷能力高、蓄冷溫度適中、安全性高、易儲(chǔ)存的特點(diǎn)。表1對(duì)比了不同工質(zhì)的蓄冷量、蓄冷溫度等特性。表中單位質(zhì)量工質(zhì)的蓄冷量按從蓄冷溫度到室溫（20℃）計(jì)算。從表1可見，三種蓄冷工質(zhì)中，干冰蓄冷量最大，冰與液氮蓄冷密度相當(dāng)。液氮和干冰的蓄冷溫度遠(yuǎn)低于冰，在使用過程中，循環(huán)水系統(tǒng)有結(jié)冰的風(fēng)險(xiǎn)。此外，為減少儲(chǔ)存、運(yùn)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(chǔ)存僅需要簡單的泡沫保溫箱就可以，因此從整個(gè)蓄冷模塊（蓄冷介質(zhì)+儲(chǔ)存箱體）的儲(chǔ)能密度來講，以冰蓄冷具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。綜上，在常用的蓄冷介質(zhì)中，冰具有蓄冷密度高、蓄冷溫度適中、安全、便于儲(chǔ)存、價(jià)格便宜易獲得的優(yōu)點(diǎn)，是最適合便攜式應(yīng)用場合的。后續(xù)研究將以冰作為蓄冷介質(zhì)進(jìn)行研究。

1.2? 蓄冷/釋冷方式

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

根據(jù)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(nèi)流動(dòng)，從冰塊取冷，因而可以實(shí)現(xiàn)閉式循環(huán)，但由于換熱過程通過盤管進(jìn)行，存在換熱溫差，尤其是當(dāng)冰不與盤管直接接觸時(shí)，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(diǎn)，特別適合短時(shí)間內(nèi)冷量大、溫度低的場所[8]。因此，本文后續(xù)將針對(duì)直接接觸式釋冷方式進(jìn)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(diǎn)。由于蓄冷溫度適中，可以使用輕便的泡沫箱作為冰儲(chǔ)箱，無需深冷保溫結(jié)構(gòu);采用直接接觸式換熱，省去了換熱盤管以及儲(chǔ)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(dāng)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為了對(duì)本文提出的冰蓄冷散熱方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，搭建了圖1所示的蓄冷散熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由熱源模擬系統(tǒng)、冷源及連接系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三部分構(gòu)成，其中熱源模擬系統(tǒng)包括水冷板、加熱片、可調(diào)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(jìn)出口連接的管路;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集儀、計(jì)算機(jī)等，負(fù)責(zé)對(duì)溫度、壓力、流量信號(hào)進(jìn)行采集。實(shí)驗(yàn)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(shí)際使用過程中的熱源位置類似，加熱片的設(shè)計(jì)加熱功率為4500W。在冷板正反兩面的典型位置，如冷板進(jìn)、出口，流道上方等區(qū)域，布置有共27路熱電偶，對(duì)整個(gè)冷板的溫度進(jìn)行采集。

3? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

首先，為了驗(yàn)證水冷板流道設(shè)計(jì)的正確性，通過冷水機(jī)組制冷的方式，對(duì)冷板的散熱能力進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中，冷卻水流量13.5L/min，壓降1.0bar，溫度測量結(jié)果如圖3所示。從圖3可知，除個(gè)別測溫點(diǎn)外，大部分測溫點(diǎn)溫度在35℃以下，滿足散熱需求，證明了水冷板設(shè)計(jì)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(jī)質(zhì)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(zhì)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示，實(shí)驗(yàn)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(shí)間段內(nèi)，除個(gè)別測溫點(diǎn)外，大部分測溫點(diǎn)溫度在35℃以下，滿足散熱需求。

本實(shí)驗(yàn)中冰塊的釋冷特性與文獻(xiàn)報(bào)道的類似[9]。從圖4可見，當(dāng)散熱時(shí)間在500s之前時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的溫度基本穩(wěn)定，這是由于冷卻初期，儲(chǔ)冰箱中冰塊儲(chǔ)量充分，冷卻水回水可以與冰進(jìn)行充分的熱量交換。在330s左右，整個(gè)系統(tǒng)溫度的突然降低是由此時(shí)部分冰融化成水，儲(chǔ)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(dòng)能作用下，發(fā)生旋轉(zhuǎn)攪拌，使冰和水之間的換熱進(jìn)一步增強(qiáng)。500s之后，整個(gè)系統(tǒng)溫度迅速上升，這是由于此時(shí)冰塊已基本融化，此時(shí)的散熱主要通過水的顯熱進(jìn)行。由于水的顯熱僅為4.2kJ/kgK，遠(yuǎn)小于冰的潛熱335kJ/kg，因此整個(gè)系統(tǒng)的溫升在較短時(shí)間內(nèi)迅速上升。在500s之后，部分熱電偶測量溫度有較大波動(dòng)，這是由于在回水沖擊作用下，蓄冰桶內(nèi)形成了漩渦，造成取水口含氣，進(jìn)而造成流量波動(dòng)，造成溫度的波動(dòng)。

其中，k是平均換熱系數(shù)，A是換熱面積，是平均換熱溫差;是冷卻水質(zhì)量流量，是冷卻水比熱容，和分別是冷卻水的進(jìn)出口溫度。從對(duì)流換熱理論可知，平均換熱系數(shù)k隨流速增大而增大，隨進(jìn)口溫度降低而降低。采用冰蓄冷換熱時(shí)，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(shí)現(xiàn)相同的換熱效果。同時(shí)，從式可知，當(dāng)散熱量相同、冷卻水流量減小時(shí)，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(duì)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(shí)現(xiàn)相同的冷卻效果。較小的冷卻水流量有利于降低流動(dòng)阻力，從而可以使用輕型水泵，進(jìn)一步降低系統(tǒng)重量。

4? 問題與展望

盡管冰蓄冷散熱，對(duì)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(jié)露問題。對(duì)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(dāng)環(huán)境濕度較高時(shí)，冷板表面存在結(jié)露的風(fēng)險(xiǎn)，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(shí)間越長，結(jié)露問題越嚴(yán)重。因此必須注重激光器外殼的密封封裝與內(nèi)部除濕，避免結(jié)露造成電子器件的損壞。

（2）蓄冰率。由于蓄冰箱內(nèi)的冰塊是隨機(jī)堆積的，可以認(rèn)為是一種多孔介質(zhì)。實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jī)堆積的碎冰塊有序排列，或采用大塊的冰塊等。實(shí)驗(yàn)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(dá)到100%（蓄冰箱內(nèi)水完全凍結(jié)），但此時(shí)循環(huán)水無法流動(dòng)，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(quán)衡。

（3）蓄冰損耗。在實(shí)際使用中，考慮運(yùn)輸?shù)纫蛩?，由于蓄冰箱?nèi)部與環(huán)境存在溫差，環(huán)境熱量會(huì)源源不斷輸入給蓄冰箱，造成蓄冰箱內(nèi)冰融化，導(dǎo)致蓄冰率降低。因此，正確評(píng)估蓄冰箱內(nèi)冰的損耗速度至關(guān)重要。通過實(shí)驗(yàn)測試，將冰塊置于EPP保溫箱中，儲(chǔ)存在環(huán)境溫度為25℃左右的環(huán)境中，經(jīng)過24h，蓄冰箱中冰塊損耗小于30%。假設(shè)損耗速度為線性，可以估算，在日常運(yùn)輸過程中，1～2h內(nèi)，蓄冰損耗小于3%，滿足使用要求。當(dāng)然，蓄冰損耗與環(huán)境溫度及儲(chǔ)冰箱的保溫性能密切相關(guān)。在溫度高的環(huán)境中，需要更優(yōu)質(zhì)的保溫材料。

（4）蓄冷散熱具有體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，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(jù)實(shí)際使用需求進(jìn)行選擇。假設(shè)散熱功率為P（W），工作時(shí)間為t （s），則可以預(yù)估需要的冰塊重量為：

其中，綜合考慮冰的潛熱、冰的顯熱以及水的顯熱以及損耗等，可以取為400kJ/kg。

5? 結(jié)語

本文實(shí)驗(yàn)研究了將冰蓄冷散熱應(yīng)用于便攜式大功率器件散熱，取得了良好的效果，主要結(jié)論如下：

（1）對(duì)于不需長時(shí)間連續(xù)工作的系統(tǒng)，采用蓄冷散熱方式，以蓄冷介質(zhì)作為冷源，可以很好地解決現(xiàn)有液冷系統(tǒng)體積、重量大的問題，可以應(yīng)用于便攜式大功率激光器的散熱，有助于實(shí)現(xiàn)大功率激光器冷卻系統(tǒng)的小型化和輕量化;

（2）冰作為蓄冷介質(zhì)，具有蓄冷密度高、蓄冷溫度適中、安全、便于儲(chǔ)存、價(jià)格便宜易獲得的優(yōu)點(diǎn)，適合便攜式應(yīng)用場合;

（3）通過將蓄冷介質(zhì)與循環(huán)介質(zhì)直接接觸，從而使快速釋冷、釋冷過程更加平穩(wěn)。

（4）冰蓄冷散熱在實(shí)際應(yīng)用過程中，需要注意防止結(jié)露，同時(shí)優(yōu)化蓄冰率。

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Experimental study on thermal management of

portable high power laser based on cooling storage

JiangYitong1，RuanZhen1，

ZhangLei1，LinTao2，Quan Xiaojun2

（1.Shanghai Fire Research Institute of MEM;

2.Shanghai Jiao Tong University）

Abstract：To address the problem of thermal management of portable high power laser， a cooling system based on cooling storage is proposed in this paper. Firstly， different cooling storage media and cooling charge/discharge modes are analyzed， and it is found that employing ice as cooling storage media and adopting direct contact cooling discharge method have significant advantages in cooling storage capacity， cooling discharge stability， system volume， and weight. Then， the cooling performance of the proposed ice storage and direct contact cooling discharge system is tested with a water-cooled plate whose nominal heating power is 4 500W. Experimental results show that due to the low temperature of the cooling water， the temperature of the water-cooled plate is relatively low. Therefore， a lower cooling water flow rate is capable of managing the heat dissipation requirements， which proves the feasibility of ice storage cooling. Then， the ice storage cooling system is applied to the thermal management of high-power laser， and the lightweight portable high-power laser cooling system is successfully realized. Besides， concerns on dew condensation， ice storage factor， cooling storage medium losing and system working time are also discussed in the paper.

Keywords：icestorage;directcontactcoolingdischarge;thermal

management; portable high power laser