0 引言
当前,随着激光器技术的发展,激光器已被应用于野外清障､破拆等场合｡野外使用的便携性,对整个激光器的体积重量提出了越来越高的要求｡散热系统是整个激光器系统的重要组成部分,散热系统的小型化､轻量化对整个激光器的便携化具有重要意义｡
目前,就激光器的冷却方式而言,激光器的冷却系统分为风冷和液冷两类,对于小功率激光器,风冷式冷却可以完成散热,而大功率激光器必须采用液冷的方式｡传统的液冷系统中,通过冷水机蒸汽压缩制冷对冷却水进行冷却,然后通过冷却水循环回路对激光器进行冷却｡然而,大功率的冷水机组体积､重量极大,限制了其在便携式大功率激光器中的应用｡
蓄冷是指将低于环境温度的冷量进行储存留待后用的技术,它是制冷技术的补充和调整,是协调冷能在时间和强度上供需不匹配的一种经济可行的方法｡目前,蓄冷已被用于食品冷链､制冷系统的削峰填谷､节能降耗,可以很好地解决冷量供需不平衡的问题｡本文研究将蓄冷技术应用于大功率激光器的散热,以蓄冷介质作为激光器散热系统的冷源,从而达到减小散热系统体积､重量,最终实现大功率激光器的便携化这一目的｡
1 蓄冷工质及方式的选择
1.1 蓄冷工质
蓄冷的方式包括显热蓄冷､潜热蓄冷和化学蓄冷等｡显热蓄冷主要以水为蓄冷工质;潜热蓄冷根据相变过程又可分为固-液相变制冷､液-气相变制冷､固-气相变制冷等,典型的工质分为冰(或共晶盐)､液氮､干冰｡
在选择蓄冷工质的过程中,需要根据蓄冷能力､蓄冷温度､安全性､储存难度以及价格等因素,综合考虑｡对于便携式蓄冷散热场景,为降低制冷系统的体积和重量,理想的蓄冷介质应当具有蓄冷能力高､蓄冷温度适中､安全性高､易储存的特点｡表1对比了不同工质的蓄冷量､蓄冷温度等特性｡表中单位质量工质的蓄冷量按从蓄冷温度到室温(20℃)计算｡从表1可见,三种蓄冷工质中,干冰蓄冷量最大,冰与液氮蓄冷密度相当｡液氮和干冰的蓄冷温度远低于冰,在使用过程中,循环水系统有结冰的风险｡此外,为减少储存､运输过程的损耗,液氮及干冰都需要特制的保温容器,而冰的储存仅需要简单的泡沫保温箱就可以,因此从整个蓄冷模块(蓄冷介质+储存箱体)的储能密度来讲,以冰蓄冷具有相当的优势｡综上,在常用的蓄冷介质中,冰具有蓄冷密度高､蓄冷温度适中､安全､便于储存､价格便宜易获得的优点,是最适合便携式应用场合的｡后续研究将以冰作为蓄冷介质进行研究｡
1.2 蓄冷/释冷方式
在确定以冰作为蓄冷介质之后,还需要确定蓄冷或释冷的方式｡本文根据制冰的场所,将制冰方式分为内部制冰和外部制冰｡内部制冰指在储冰容器内,通过低温盘管的方式,将水冻结,原位地制取冰｡这种制冰方式中,储冰容器内的水可以完全冻结,蓄冰率高,但会增加低温盘管的重量,同时,制冰过程中的膨胀,可能损坏储冰容器,因此内部制冰的方式不予采用｡外部制冰指在储冰桶外部,通过制冰机的方式,制备冰块,随后将冰块加入储冰桶中,进行使用｡这种外部制冰的方式,取用灵活,结构简单,可以根据需要随时向储冰桶内加入冰块,满足使用需求,因此,本文后续将针对外部制冰的方式进行研究｡
根据取冷方式的不同,又可将释冷过程分为间壁式换热与混合式换热两种｡间壁式换热指通过换热盘管的方式,循环水在盘管内流动,从冰块取冷,因而可以实现闭式循环,但由于换热过程通过盘管进行,存在换热温差,尤其是当冰不与盘管直接接触时,换热效果逐渐变差｡直接接触式换热指循环水直接与冰接触,冰融化后,也成为循环水,具有换热效果好､取冷效率高､取冷温度低､取冷过程平稳的优点,特别适合短时间内冷量大､温度低的场所｡因此,本文后续将针对直接接触式释冷方式进行研究｡
综上,采用外部制冰､直接接触式释冷的冰蓄冷散热方案,具有蓄冷密度高､蓄冷温度适中､换热效果好､取冷效率高､取冷温度低､取冷过程平稳的优点｡由于蓄冷温度适中,可以使用轻便的泡沫箱作为冰储箱,无需深冷保温结构;采用直接接触式换热,省去了换热盘管以及储液罐;由于取冷温度低,循环水温度与普通水冷温度相比,降低10℃左右,因此,在相同散热功率的条件下,可以适当降低循环水流量,因而可以使用较为小型的泵,在以上因素的共同作用下,可以最大程度地减轻系统重量｡
2 实验系统
为了对本文提出的冰蓄冷散热方案进行实验验证,搭建了图1所示的蓄冷散热实验系统｡该系统由热源模拟系统､冷源及连接系统､数据采集系统三部分构成,其中热源模拟系统包括水冷板､加热片､可调直流电源等,冷源连接系统包括制冷/蓄冷系统以及与水冷板进出口连接的管路;数据采集系统包括数据采集仪､计算机等,负责对温度､压力､流量信号进行采集｡实验系统中的冷板,是为某激光器研制的专用冷板,加热片的布置方式与实际使用过程中的热源位置类似,加热片的设计加热功率为4500W｡在冷板正反两面的典型位置,如冷板进､出口,流道上方等区域,布置有共27路热电偶,对整个冷板的温度进行采集｡
实验系统图如图2所示｡
3 实验结果
首先,为了验证水冷板流道设计的正确性,通过冷水机组制冷的方式,对冷板的散热能力进行了验证｡实验中,冷却水流量13.5L/min,压降1.0bar,温度测量结果如图3所示｡从图3可知,除个别测温点外,大部分测温点温度在35℃以下,满足散热需求,证明了水冷板设计的合理性｡图3中,系统整体温度缓慢上升,这是由于冷水机质量功率小于水冷板散热功率,造成系统能量积累,温度逐渐升高｡
随后,以冰为制冷介质,进行实验,结果如图4所示,实验中流量为11.7L/min,测量水冷板压降为0.75bar｡从图4可知,采用冰蓄冷散热,供水温度在5℃左右,在测试时间段内,除个别测温点外,大部分测温点温度在35℃以下,满足散热需求｡
本实验中冰块的释冷特性与文献报道的类似｡从图4可见,当散热时间在500s之前时,整个系统的温度基本稳定,这是由于冷却初期,储冰箱中冰块储量充分,冷却水回水可以与冰进行充分的热量交换｡在330s左右,整个系统温度的突然降低是由此时部分冰融化成水,储冰箱中冰块在水浮力作用下漂浮,并且在冷却水回水冲击动能作用下,发生旋转搅拌,使冰和水之间的换热进一步增强｡500s之后,整个系统温度迅速上升,这是由于此时冰块已基本融化,此时的散热主要通过水的显热进行｡由于水的显热仅为4.2kJ/kgK,远小于冰的潜热335kJ/kg,因此整个系统的温升在较短时间内迅速上升｡在500s之后,部分热电偶测量温度有较大波动,这是由于在回水冲击作用下,蓄冰桶内形成了漩涡,造成取水口含气,进而造成流量波动,造成温度的波动｡
从对流换热理论可知,平均换热系数k随流速增大而增大,随进口温度降低而降低｡采用冰蓄冷换热时,由于供水温度降低,冷却水与水冷板的换热温差增大,因此,在散热量相同的情况下,可以允许采用更小的流速(流量),实现相同的换热效果｡同时,从式可知,当散热量相同､冷却水流量减小时,冷却水温升增大｡由于冰水温度低,可以允许更大的冷却水温升｡综上,对于冰蓄冷散热,由于供水温度低,可以采用较小的冷却水流量实现相同的冷却效果｡较小的冷却水流量有利于降低流动阻力,从而可以使用轻型水泵,进一步降低系统重量｡
4 问题与展望
尽管冰蓄冷散热,对于便携式高功率器件的散热存在极大的优势,但也有一些问题需要注意:
（1）结露问题｡对于冰蓄冷散热,理论制冷温度为0℃｡由于存在换热温差,供水温度一般在5~10℃｡当环境湿度较高时,冷板表面存在结露的风险,尤其是在水冷板的入口区域以及无热源区域,且工作时间越长,结露问题越严重｡因此必须注重激光器外壳的密封封装与内部除湿,避免结露造成电子器件的损坏｡
（2）蓄冰率｡由于蓄冰箱内的冰块是随机堆积的,可以认为是一种多孔介质｡实验测试表明,碎冰块堆积的孔隙率约为38%,即蓄冰箱的蓄冰率约为62%｡为进一步提高系统的紧凑程度,可以考虑优化冰块形状,提高蓄冰率,如将随机堆积的碎冰块有序排列,或采用大块的冰块等｡实验测试表明,采用大冰块,可以将蓄冰箱的蓄冰率提高到80%左右｡值得注意的是,理论上,蓄冰率可以达到100%(蓄冰箱内水完全冻结),但此时循环水无法流动,且循环水与冰块之间的换热面积减小,释冷性能变差｡因此,必须在蓄冰率与释冷性能之间综合权衡｡
（3）蓄冰损耗｡在实际使用中,考虑运输等因素,由于蓄冰箱内部与环境存在温差,环境热量会源源不断输入给蓄冰箱,造成蓄冰箱内冰融化,导致蓄冰率降低｡因此,正确评估蓄冰箱内冰的损耗速度至关重要｡通过实验测试,将冰块置于EPP保温箱中,储存在环境温度为25℃左右的环境中,经过24h,蓄冰箱中冰块损耗小于30%｡假设损耗速度为线性,可以估算,在日常运输过程中,1~2h内,蓄冰损耗小于3%,满足使用要求｡当然,蓄冰损耗与环境温度及储冰箱的保温性能密切相关｡在温度高的环境中,需要更优质的保温材料｡
（4）蓄冷散热具有体积小､重量轻的优点,但所提供的冷量直接取决于蓄冰量｡因此,蓄冰箱的容积,需要根据实际使用需求进行选择｡假设散热功率为P(W),工作时间为t(s),则可以预估需要的冰块重量为:
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