便携式高功率激光器蓄冷散热实验研究

姜一桐 阮桢 张磊 林涛 全晓军

摘要：针对便携式大功率激光器的散热问题，文章提出了蓄冷散热的技术方案。首先分析了不同的蓄冷介质和蓄冷/释冷方式，比较得出采用冰作为蓄冷介质、采用直接接触式释冷的方案在蓄冷量、释冷过程平稳性、系统体积与重量等方面具有显著优势。随后，采用冰蓄冷、直接接触式释冷的方案，对额定散热功率4500W的水冷板进行了散热性能测试。实验结果表明，采用冰蓄冷散热，由于冷却水温度低，水冷板整体温度较低，可以采用较小的冷却水流量满足散热需求，证明了冰蓄冷散热的可行性。随后，将冰蓄冷散热应用于大功率激光器的散热，成功实现了便携式大功率激光器散热系统轻量化。文章也对冰蓄冷散热过程中的结露、蓄冰率、工质损耗、系统工作时间等问题进行了讨论。

关键词：冰蓄冷;直接接触式释冷;热管理;便携式高功率激光器

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[1]。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[2]，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[3]。目前，蓄冷已被用于食品冷链[4]、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[5-6]。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[7]。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/釋冷方式

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[8]。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。

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[9]。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。

其中，k是平均换热系数，A是换热面积，是平均换热温差;是冷却水质量流量，是冷却水比热容，和分别是冷却水的进出口温度。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溫差，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：

其中，综合考虑冰的潜热、冰的显热以及水的显热以及损耗等，可以取为400kJ/kg。

5  结语

本文实验研究了将冰蓄冷散热应用于便携式大功率器件散热，取得了良好的效果，主要结论如下：

（1）对于不需长时间连续工作的系统，采用蓄冷散热方式，以蓄冷介质作为冷源，可以很好地解决现有液冷系统体积、重量大的问题，可以应用于便携式大功率激光器的散热，有助于实现大功率激光器冷却系统的小型化和轻量化;

（2）冰作为蓄冷介质，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，适合便携式应用场合;

（3）通过将蓄冷介质与循环介质直接接触，从而使快速释冷、释冷过程更加平稳。

（4）冰蓄冷散热在实际应用过程中，需要注意防止结露，同时优化蓄冰率。

参考文献：

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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