便攜式高功率激光器蓄冷散熱實驗研究

姜一桐 阮楨 張磊 林濤 全曉軍

摘要：針對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方案。首先分析了不同的蓄冷介質和蓄冷/釋冷方式，比較得出采用冰作為蓄冷介質、采用直接接觸式釋冷的方案在蓄冷量、釋冷過程平穩性、系統體積與重量等方面具有顯著優勢。隨后，采用冰蓄冷、直接接觸式釋冷的方案，對額定散熱功率4500W的水冷板進行了散熱性能測試。實驗結果表明，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，將冰蓄冷散熱應用于大功率激光器的散熱，成功實現了便攜式大功率激光器散熱系統輕量化。文章也對冰蓄冷散熱過程中的結露、蓄冰率、工質損耗、系統工作時間等問題進行了討論。

關鍵詞：冰蓄冷;直接接觸式釋冷;熱管理;便攜式高功率激光器

當前，隨著激光器技術的發展，激光器已被應用于野外清障、破拆等場合[1]。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。散熱系統是整個激光器系統的重要組成部分，散熱系統的小型化、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，激光器的冷卻系統分為風冷和液冷兩類[2]，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。傳統的液冷系統中，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[3]。目前，蓄冷已被用于食品冷鏈[4]、制冷系統的削峰填谷、節能降耗，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的冷源，從而達到減小散熱系統體積、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[7]。對于便攜式蓄冷散熱場景，為降低制冷系統的體積和重量，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，循環水系統有結冰的風險。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點，是最適合便攜式應用場合的。后續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，循環水在盤管內流動，從冰塊取冷，因而可以實現閉式循環，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水直接與冰接觸，冰融化后，也成為循環水，具有換熱效果好、取冷效率高、取冷溫度低、取冷過程平穩的優點，特別適合短時間內冷量大、溫度低的場所[8]。因此，本文后續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、取冷過程平穩的優點。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重量。

2? 實驗系統

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。該系統由熱源模擬系統、冷源及連接系統、數據采集系統三部分構成，其中熱源模擬系統包括水冷板、加熱片、可調直流電源等，冷源連接系統包括制冷/蓄冷系統以及與水冷板進出口連接的管路;數據采集系統包括數據采集儀、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，流道上方等區域，布置有共27路熱電偶，對整個冷板的溫度進行采集。

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[9]。從圖4可見，當散熱時間在500s之前時，整個系統的溫度基本穩定，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。

其中，k是平均換熱系數，A是換熱面積，是平均換熱溫差;是冷卻水質量流量，是冷卻水比熱容，和分別是冷卻水的進出口溫度。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域以及無熱源區域，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%。為進一步提高系統的緊湊程度，可以考慮優化冰塊形狀，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），但此時循環水無法流動，且循環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境存在溫差，環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，儲存在環境溫度為25℃左右的環境中，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，蓄冰損耗與環境溫度及儲冰箱的保溫性能密切相關。在溫度高的環境中，需要更優質的保溫材料。

（4）蓄冷散熱具有體積小、重量輕的優點，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：

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? 結語

本文實驗研究了將冰蓄冷散熱應用于便攜式大功率器件散熱，取得了良好的效果，主要結論如下：

（1）對于不需長時間連續工作的系統，采用蓄冷散熱方式，以蓄冷介質作為冷源，可以很好地解決現有液冷系統體積、重量大的問題，可以應用于便攜式大功率激光器的散熱，有助于實現大功率激光器冷卻系統的小型化和輕量化;

（2）冰作為蓄冷介質，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點，適合便攜式應用場合;

（3）通過將蓄冷介質與循環介質直接接觸，從而使快速釋冷、釋冷過程更加平穩。

（4）冰蓄冷散熱在實際應用過程中，需要注意防止結露，同時優化蓄冰率。

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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