基于雙蒸發(fā)器壓縮制冷系統(tǒng)的激光器散熱方案設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究

黃祎文 全曉軍 林濤

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200240)

1 引言

激光有亮度極高、相干性強(qiáng)、方向性好等優(yōu)勢被應(yīng)用于各項(xiàng)領(lǐng)域。激光芯片產(chǎn)熱極高,峰值熱流密度甚至高達(dá)1 000 W/cm2[1],散熱能力不足將導(dǎo)致激光裝置溫度劇增,激光器效率降低,激光波長發(fā)生溫飄,影響材料性能并縮短使用壽命。

研究[2]表明:當(dāng)芯片溫度達(dá)到70—80 ℃時(shí),芯片每10 ℃的溫升會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定性下降達(dá)50%。相比于傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱以及單相液冷方式,相變液冷系統(tǒng)的傳熱系數(shù)顯著,系統(tǒng)體積更小,具有均溫性好、小流量、高換熱量、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。即使是在環(huán)境溫度較高的情況下,蒸氣壓縮制冷也能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定工作,維持較低器件的溫度,同時(shí)制冷效率(COP)可以達(dá)到3.0 以上[5]。BIM 公司開創(chuàng)使用蒸氣壓縮制冷用于高功率設(shè)備散熱,芯片在工作時(shí),溫度保持在15—35 ℃范圍內(nèi),系統(tǒng)的制冷量為850—1 050 W,能量利用效率為2—3[6]。

對于壓縮制冷系統(tǒng),常規(guī)壓縮機(jī)在變工況時(shí)存在升頻較慢,制冷量跟隨性較差,熱源/冷源出現(xiàn)溫度過高、溫差較大等狀況。雙蒸發(fā)器系統(tǒng)可以有效地解決此類問題。肖建軍[7]提出了一種使用兩個(gè)蒸發(fā)器的雙循環(huán)冰箱,系統(tǒng)中兩個(gè)制冷循環(huán)共用壓縮機(jī)、冷凝器和進(jìn)口換熱器,冷藏與冷凍室中各使用一臺(tái)蒸發(fā)器,控制冷源之間溫度不同。利用雙蒸發(fā)器機(jī)組可以實(shí)現(xiàn)冷庫的融霜,劉靚[8]等人提出利用兩臺(tái)蒸發(fā)器同時(shí)工作,當(dāng)蒸發(fā)器結(jié)霜厚度達(dá)某一極限時(shí),兩組蒸發(fā)器交替進(jìn)行融霜。一臺(tái)蒸發(fā)器除霜時(shí),另一臺(tái)蒸發(fā)器繼續(xù)維持制冷運(yùn)行,從而避免因?yàn)槌ぷ鲗?dǎo)致的冷庫溫度劇烈波動(dòng)。

雙蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作溫度穩(wěn)定,但是少有利用雙蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對高功率激光芯片的穩(wěn)定散熱。本文提出一種高效雙蒸發(fā)器散熱系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)高功率激光器設(shè)備變工況運(yùn)行時(shí)的有效散熱,保證兩相流冷板溫度變化均勻。壓縮機(jī)待機(jī)運(yùn)行時(shí),制冷劑在第二蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā),維持系統(tǒng)待機(jī)時(shí)的穩(wěn)定工作,因此產(chǎn)生的冷量用來保證激光器負(fù)荷升高時(shí)的快速散熱,避免芯片升溫過快以及溫度劇烈波動(dòng)問題。與常規(guī)的啟動(dòng)方式進(jìn)行對比,系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性與適應(yīng)性,證明本方案具有研究意義與實(shí)際工程作用。

2 雙蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)壓縮制冷系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)簡介

為實(shí)現(xiàn)激光器變工況運(yùn)行的穩(wěn)定散熱,保證激光器泵浦源芯片的安全工作及持續(xù)運(yùn)行,提出了如圖1所示的雙蒸發(fā)器激光壓縮制冷系統(tǒng)。

圖1 雙蒸發(fā)器壓縮制冷系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of double evaporator compression refrigeration system

該系統(tǒng)主要由主蒸發(fā)器、第二蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、換向閥、節(jié)流閥、冷凝器、電子膨脹閥及加熱模塊等部件組成。主蒸發(fā)器由光學(xué)蒸發(fā)器以及電學(xué)蒸發(fā)器組成。換向閥控制第二蒸發(fā)器的通斷改變系統(tǒng)工作模式。光學(xué)蒸發(fā)器負(fù)責(zé)泵浦源、光纖模塊的散熱,電學(xué)蒸發(fā)器負(fù)責(zé)電源模塊、控制模塊散熱,總散熱量為4000 W。光學(xué)冷板由鋁板加工而成,液冷槽道與芯片安裝端面位于同一側(cè)冷板上,通過釬焊方式與光纖面進(jìn)行端面密封形成流道。第二蒸發(fā)器為銅質(zhì)翅片散熱器,布置在冷凝器背面,利用冷凝器出風(fēng)的熱量,負(fù)責(zé)系統(tǒng)光電儀器停機(jī)時(shí)壓縮機(jī)出口制冷劑的蒸發(fā)。

系統(tǒng)部件如表1 所示。

表1 系統(tǒng)部件Table 1 Parts of system

流道剖面圖如圖2a 所示,光學(xué)蒸發(fā)器內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)為矩形結(jié)構(gòu),其中泵浦源下方6 條平行流道,長度為373 mm,寬度為14 mm,高度為6 mm。主流道被內(nèi)部肋分為4 條次流道,次流道寬度為2 mm,肋寬度為2 mm。實(shí)物圖如圖2b 所示,右側(cè)4 個(gè)安裝凸臺(tái)為泵浦源的安裝位置,在凸臺(tái)間隙處,布置有4 個(gè)溫度監(jiān)控點(diǎn),監(jiān)控?zé)嵩锤浇浒灞砻鏈囟?以此判斷熱源溫度變化。

圖2 光學(xué)蒸發(fā)器Fig.2 Optical evaporator

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

大功率激光器產(chǎn)熱主要來自于泵浦源的內(nèi)部芯片,在工作過程中,損耗以熱能的形式積聚在介質(zhì)內(nèi)部,約占輸入能量的50%—60%,此部分熱量導(dǎo)致設(shè)備能耗增加、激光輸出質(zhì)量降低,甚至導(dǎo)致設(shè)備損毀[9]。

芯片呈縱列均勻排布在泵浦源的熱沉上,產(chǎn)熱面細(xì)長狹窄,熱流密度大。利用真實(shí)激光器做實(shí)驗(yàn),輸出激光無法合理利用、甚至危害實(shí)驗(yàn)人員安全,散熱不當(dāng)可能導(dǎo)致儀器損毀。因此需找到合理的替代加熱方式,尋常聚酰亞胺加熱膜面積大,與實(shí)際產(chǎn)熱情況差異大,因此本實(shí)驗(yàn)利用特制紫銅熱沉的內(nèi)部安裝加熱棒,模擬芯片產(chǎn)熱。

加熱棒加熱功率與輸入電壓相關(guān),產(chǎn)熱功率為:

式中:Q1為加熱棒功率,W;U為輸入電壓,V;R為加熱棒電阻,Ω。

忽略輻射換熱以及與空氣的對流換熱,名義制冷劑制冷量可以由式(2)表示:

式中:q0為單位制冷劑制冷量,kJ/kg;γ為汽化潛熱,kJ/kg;cp為比定壓熱容,kJ/(kg·K);T2為節(jié)流后溫度,℃;T1為蒸發(fā)器出口溫度,℃。

系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí),制冷量與產(chǎn)熱量相等,Q1=Q2。

2.3 實(shí)驗(yàn)流程

本實(shí)驗(yàn)采用的散熱工質(zhì)為R410A,滿足系統(tǒng)氣密性條件下,利用真空泵排凈系統(tǒng)內(nèi)不凝性氣體及水蒸氣。實(shí)驗(yàn)可分為以下3 組情況:

(1)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行

激光器處于正常工作狀態(tài),工質(zhì)在光、電蒸發(fā)器內(nèi)部蒸發(fā)后,通過換向閥進(jìn)入旁通管道,后進(jìn)入壓縮機(jī)。制冷劑在壓力的輸送下進(jìn)入光學(xué)冷板,在其內(nèi)發(fā)生相變換熱,蒸發(fā)壓力為1.1 MPa,蒸發(fā)溫度為10 ℃。實(shí)驗(yàn)改變加熱棒功率以及環(huán)境溫度,在監(jiān)測點(diǎn)溫度穩(wěn)定后,獲得系統(tǒng)在環(huán)境溫度15 ℃、25 ℃、35 ℃、40 ℃,環(huán)境濕度27%時(shí),系統(tǒng)散熱量2 kW、3 kW、4 kW對應(yīng)的壓縮機(jī)頻率、膨脹閥的開度及系統(tǒng)能效比。

(2)系統(tǒng)待機(jī)運(yùn)行

激光器處于停機(jī)狀態(tài)時(shí),換向閥打開,壓縮機(jī)以待機(jī)頻率(20 Hz)運(yùn)作,光學(xué)器件以及電學(xué)器件產(chǎn)熱量較小,制冷劑在光、電蒸發(fā)器中少量蒸發(fā),隨后進(jìn)入第二蒸發(fā)器中完成氣化過程,再進(jìn)入壓縮機(jī),此時(shí)記錄第二蒸發(fā)器待機(jī)結(jié)果。

(3)系統(tǒng)變工況運(yùn)行模式

變工況實(shí)驗(yàn)分為兩組,第一組實(shí)驗(yàn)壓縮機(jī)初始處于停機(jī)狀態(tài),系統(tǒng)無制冷量。當(dāng)加熱源啟動(dòng)時(shí),通過電控系統(tǒng)同時(shí)改變壓縮機(jī)目標(biāo)頻率以及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,此時(shí)壓縮機(jī)頻率從0 Hz 升高至目標(biāo)頻率,實(shí)驗(yàn)過程中,利用數(shù)據(jù)采集器監(jiān)測光學(xué)冷板表面監(jiān)控點(diǎn)的溫度變化趨勢。第二組實(shí)驗(yàn)中,壓縮機(jī)初始運(yùn)行頻率為20 Hz,第二蒸發(fā)器打開,光電冷板初始無散熱需求,制冷劑在第二蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)。加熱啟動(dòng)源后,電控系統(tǒng)同時(shí)改變壓縮機(jī)目標(biāo)頻率以及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,此時(shí)壓縮機(jī)頻率從20 Hz 升高至目標(biāo)頻率,實(shí)驗(yàn)過程中利用數(shù)據(jù)采集器記錄監(jiān)控點(diǎn)的溫度變化趨勢。

實(shí)驗(yàn)采用PT100 鉑熱電阻(精度0.3 ℃)測量監(jiān)控點(diǎn)溫度,采用熱電偶和壓力傳感器監(jiān)測管路溫度及制冷劑壓力變化,利用數(shù)據(jù)記錄儀采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工況結(jié)果

穩(wěn)態(tài)工況下,對于不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度及散熱功率,合理的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和電子膨脹閥的開度能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,同時(shí)獲得較高的能效系數(shù)。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)壓縮機(jī)頻率參數(shù)如下圖3 所示,對比環(huán)境溫度變化,發(fā)現(xiàn)在相同散熱量情況下,壓縮機(jī)頻率隨著環(huán)境溫度的升高而增大,并且頻率曲線的變化與環(huán)境溫度的呈現(xiàn)二次函數(shù)關(guān)系,隨著環(huán)境溫度的升高,壓縮機(jī)頻率增幅也隨之變大。這是因?yàn)樵谥评湎到y(tǒng)蒸發(fā)溫度一定時(shí),隨著冷凝溫度升高,制冷機(jī)組的單位制冷量會(huì)減少,因此環(huán)境溫度的增大會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)頻率升高幅度變大。

圖3 給出了系統(tǒng)在不同室外溫度及散熱功率下的系統(tǒng)能效比,可以看出,在不同工況下系統(tǒng)能效比EER在2.5 至9 之間,具有較高的能量利用率。環(huán)境溫度的升高會(huì)導(dǎo)致能效比的降低,這是由于散熱工質(zhì)和室外環(huán)境溫差的減小而導(dǎo)致系統(tǒng)散熱量減小;且同一溫度下,低散熱量情況下,系統(tǒng)能效比更高。

圖3 穩(wěn)態(tài)工況下系統(tǒng)參數(shù)Fig.3 System parameters in steady state

圖4 顯示光學(xué)蒸發(fā)器表面4 個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的平均溫度在20 ℃至30 ℃之間,且4 個(gè)溫度之間的差值均在1 ℃以內(nèi),從變化趨勢看,隨著功率的增大,表面溫度以及溫度差值也隨之增大。由于兩相流換熱的溫度均勻性,以及冷板內(nèi)部流道設(shè)計(jì)的合理性,在滿足系統(tǒng)安全工作溫度的同時(shí),避免激光波長劇烈波動(dòng)。

圖4 穩(wěn)態(tài)工況下冷板表面溫度及溫差Fig.4 Temperature and temperature difference of plate surface under steady state condition

3.2 系統(tǒng)待機(jī)運(yùn)行結(jié)果

待機(jī)工況時(shí),冷板表面溫度過低或過高,會(huì)顯著影響激光器的穩(wěn)定性,第二蒸發(fā)器的存在會(huì)明顯優(yōu)化待機(jī)工況下的板面溫度。待機(jī)頻率下,冷板表面均溫如圖5 所示。從圖中可以看出,在環(huán)境溫度15 ℃時(shí),開啟第二蒸發(fā)器,板面均溫在9 ℃附近,避免溫度過低結(jié)露,而環(huán)境溫度為40 ℃時(shí),板面溫度在20 ℃附近。

圖5 待機(jī)工況下冷板表面溫度及膨脹閥開度Fig.5 Ttemperature of plate surface and expansion valve opening under standby condition

同時(shí),第二蒸發(fā)器能顯著改善待機(jī)時(shí)冷板表面溫度條件,防止凝露及結(jié)霜。為監(jiān)測第二蒸發(fā)器是否能在系統(tǒng)低溫待機(jī)啟動(dòng)情況下,維持合理的冷板溫度,在低溫環(huán)境5 ℃對系統(tǒng)進(jìn)行測試。圖6a 中,壓縮機(jī)以10 Hz 頻率待機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),第二蒸發(fā)器作為熱源,穩(wěn)定時(shí)光學(xué)冷板監(jiān)控點(diǎn)平均溫度在9 ℃左右。對比無第二蒸發(fā)器待機(jī)組,溫度低于0 ℃,冷板結(jié)霜。同時(shí),也對常規(guī)工況進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),圖6b 中,環(huán)境溫度15 ℃,20 Hz 待機(jī)頻率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),開啟第二蒸發(fā)器,冷板表面溫度處于10 ℃附近;關(guān)閉第二蒸發(fā)器,冷板表面溫度快速下降到0 ℃以下,出現(xiàn)結(jié)霜。

圖6 第二蒸發(fā)器對系統(tǒng)待機(jī)工況的影響Fig.6 Influence of second evaporator on system standby condition

3.3 系統(tǒng)瞬態(tài)工況結(jié)果

第二蒸發(fā)器對于優(yōu)化系統(tǒng)散熱性能有顯著效果,在壓縮機(jī)待機(jī)時(shí),第二蒸發(fā)器產(chǎn)生的蓄冷作用,實(shí)現(xiàn)待機(jī)工況下冷板表面溫度均勻變化,保證冷板監(jiān)控點(diǎn)溫差處于可接受范圍。圖7、圖8、圖9 分別展示了2 kW、3 kW、4 kW 散熱工況的結(jié)果并進(jìn)行對比,表明在不同環(huán)境溫度、不同機(jī)組散熱功率工況下,冷板表面監(jiān)控溫度隨時(shí)間的變化趨勢。從總體分析,隨著環(huán)境溫度以及散熱頻率的升高,無待機(jī)實(shí)驗(yàn)組,系統(tǒng)光學(xué)冷板表面監(jiān)控點(diǎn)溫度呈現(xiàn)先快速升高、下降趨勢,導(dǎo)致監(jiān)控點(diǎn)溫差波動(dòng)劇烈;待機(jī)實(shí)驗(yàn)組板面溫度緩慢升高,監(jiān)控點(diǎn)溫差保持在1 ℃以下。這是因?yàn)榇龣C(jī)運(yùn)作系統(tǒng)存在一定制冷量,在啟動(dòng)前期能實(shí)現(xiàn)有效降溫,防止系統(tǒng)溫度升高過快。

圖7 2 kW 工況-溫度變化對比Fig.7 Comparison of temperature change under 2 kW working condition

圖8 3 kW 工況-溫度變化對比Fig.8 Comparison of temperature change under 3 kW working condition

對于無待機(jī)實(shí)驗(yàn)組散熱過程中,監(jiān)控點(diǎn)溫差最高點(diǎn)均出現(xiàn)在板面溫度快速下降過程中,為避免板面出現(xiàn)過大溫差,應(yīng)該盡量避免板面溫度出現(xiàn)劇烈升降過程。從圖7 中可以看出,只有在較低環(huán)境溫度(15 ℃)以及較低的散熱功率(2 kW)的工況下,表面溫度波動(dòng)幅度在3 ℃以下。對于其他運(yùn)行工況,無待機(jī)試驗(yàn)組板面監(jiān)控點(diǎn)溫度差值超過3 ℃。表面最高溫度和溫差隨著環(huán)境溫度和散熱量升高,呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。在40 ℃惡劣工作環(huán)境及4 kW 散熱功率的工況下,板面溫度最大可達(dá)47.95 ℃,而溫差最大為9.72 ℃,嚴(yán)重影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

板面溫度超過30 ℃、溫差超過3 ℃時(shí),激光質(zhì)量將會(huì)顯著降低,圖10 展示了不同工況下,無第二蒸發(fā)器待機(jī)組,系統(tǒng)在工作時(shí)板面溫度超過30 ℃以上及監(jiān)控點(diǎn)溫差超過3 ℃的時(shí)間。環(huán)境溫度會(huì)顯著影響板面超溫時(shí)間,功率對超溫時(shí)間的影響較小;隨著環(huán)境溫度的增大,超溫時(shí)間最高可達(dá)78 s;對于監(jiān)控點(diǎn)間溫差,環(huán)境溫度影響較小,散熱功率的影響更為顯著,在40 ℃、4 kW 散熱工況下,溫差超過3 ℃時(shí)間高達(dá)20 s。而有第二蒸發(fā)器組,利用第二蒸發(fā)器的蓄冷量,在熱源工作期間,表面溫度始終處于30 ℃以下,同時(shí)溫差在1 ℃以內(nèi),證明本系統(tǒng)具有極佳的溫度調(diào)控能力。

圖10 無第二蒸發(fā)器組板面溫度Fig.10 Temperature of panel surface without second evaporator

4 結(jié)論

針對激光器芯片產(chǎn)熱量大、散熱條件苛刻的現(xiàn)狀,對高功率激光器散熱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,設(shè)計(jì)處雙蒸發(fā)器壓縮制冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)冷板表面溫度均勻、接近,保證激光器芯片穩(wěn)定工作。探究在不同環(huán)境溫度以及散熱工況的影響,并對雙蒸發(fā)器系統(tǒng)與單獨(dú)的壓縮制冷系統(tǒng)進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)研究,得到以下結(jié)論:

(1)穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)表明,本文設(shè)計(jì)的兩相流冷板具有優(yōu)秀的均溫性,在激光器泵浦源工作時(shí),實(shí)現(xiàn)降溫過程的平穩(wěn)。不同工況下,冷板表面溫度均處于20 至30 ℃,同時(shí)監(jiān)控點(diǎn)之間最大溫差低于1 ℃。

(2)待機(jī)實(shí)驗(yàn)表明,在低溫環(huán)境下工作,壓縮機(jī)待機(jī)過程中,第二蒸發(fā)器的蓄冷量使得冷板表面溫度處于合理范圍,避免冷板表面出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象,保證系統(tǒng)的安全工作。

(3)瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)過程中,利用第二蒸發(fā)器的待機(jī)工作,在系統(tǒng)產(chǎn)熱量發(fā)生突變時(shí),保證在散熱過程中,冷板表面溫度均處于30 ℃以內(nèi),同時(shí)各監(jiān)控點(diǎn)之間溫差處于1 ℃以內(nèi)。表明雙蒸發(fā)器系統(tǒng)對高功率儀器的變工況散熱具有極佳的輔助作用。