激光设备冷却系统设计和改进

激光设备冷却系统设计和改进
摘要：随着科学技术的飞速发展，激光设备冷却系统作为一种特殊的制冷装置，具有较高的可靠性、较强的环境适应性。

本文以某行业的激光设备为例，分析并研究了激光设备冷却系统设计与改进方式，并提出建议。

关键词：激光设备；冷却系统；设计
前言
随着激光技术的不断加深，激光已经广泛应用于各个行业，在军事方面的应用尤为显著，其中强激光已经发展为定向能武器之一。

在激光武器系统中，激光器在日常运行中会产生大量的热能，影响了激光系统的工作效率。

为了提高激光器的工作质量，就必须尽快散发热量。

固体激光器正常运行时需要保证一定的温度，从而确保设备能够匀速并稳定运行，这一情况可以通过控制冷却水箱的温度实现。

此外，冷却水箱的温度控制难以在散热空间小、高热量密集的区域下进行。

因此，优化激光设备冷却系统设计尤为必要。

本文就激光典型的冷却技术进行探讨，其中探讨内容为液冷、喷雾冷却、热管和热泵等。

一、激光设备冷却系统设计
按照车载激光设备的使用要求，激光设备使用时需要安静、稳定的工作环境。

因此，经过实验得出，直接使用制冷装置进行激光设备的冷却工作，会产生较大的噪音及震动，极大的影响了激光设备的正常使用。

在冷却系统中，首先开启制冷装置，先对蓄冷系统进行蓄冷工作，然后启动释冷系统，制冷时间为半小时。

这一冷却系统主要包括蓄冷系统、释冷系统。

冷却系统的工作原理：当启动蓄冷系统时，制冷装置中的螺杆压缩机、风冷冷凝器、贮液器、膨胀阀、板式蒸发器、冷却风机、蓄冷水泵、过滤器以及蓄冷水箱同时进入工作。

开启蓄冷系统时，应严格按照使用说明一步步操作，首先开
启冷却风机、蓄冷水泵、螺杆压缩机，从而实现对蓄冷系统蓄冷，当蓄冷系统温度为零下10℃时，蓄冷系统会自动关闭，激光设备暂停工作。

当启动释冷系统时，循环水泵、水路过滤器、三通调节阀、蓄冷水箱同时进入工作。

开启释冷模式时，首先开启主循环水泵，这时蓄冷水箱内的冷却液体跟随主循环水泵一起工作，经过三通调节水阀的控制，实现激光设备换热部件与其他换热部件进行换热，从而达到散发激光设备余热的目的，这时冷却液体用剩下的一部分会自动回到三通调节水阀，另一部分会继续跟随主循环水泵工作，循环散热，直到供水温度达到指定数值时，释冷系统就会自动关闭。

二、大功率激光设备冷却系统设计分析
冷却系统以技术参数为辅助，针对蓄冷系统的供水温度进行设置，从而展开冷却系统的设计工作，下文主要就蓄冷水箱以及制冷系统做了分析与探讨。

（一）蓄冷水箱体积计算
设定实验环境为零下20℃，冷却液体选用体积浓度为40%的CH2（OH）CH2（OH）（乙二醇）溶液，乙二醇的冰点为零下25℃，密度为1071.98kg/m3,比热容为3.334KJ/kg·k，热负荷为200kw，当实验供水温度为20℃，供水流量则为500L/min。

蓄冷水箱的热量计算公式为：
Q=MC∆T
上述公式中：Q表示热量
M表示质量
C表示质量的比热容
∆T为温差
根据计算公式可以得出，当蓄冷水箱温度下降为零下10℃时，蓄冷水箱温度到达20℃，蓄冷系统就会进入待机状态，暂停工作。

这意味着蓄冷水箱温度每升高1℃，对应的工作时间为1min，经过计算得出结论，蓄冷水箱体积为3.4立方米。

（二）蓄冷水箱内部设计
参照车载激光设备使用原理，主要利用蓄冷水箱完成冷却工作，这一型号的
蓄冷水箱与地面蓄冷水箱相比，具有体积小的优势，但是蓄冷利用率较低。

为了提高蓄冷水箱利用率，防止或者减少冷水槽中因温度升高蒸发水分而导致水分流失，引起混合水流、能量损失。

在设计蓄冷水箱的水槽结构和配置时，有以下型式可供挑选，具体包括：隔膜或隔板式、复合水槽式、迷宫式以及水分层式。

结合车载激光设备的实际情况分析，选择水分层式水箱是最合适的。

主要原因是水分层式水箱体积较小，只需占据水槽一侧即可，而且蓄冷利用率较高，满足车载激光设备空间、水槽体积的需求。

（三）蓄冷水箱保温设计计算
根据传热学的理论知识，蓄冷水箱的传热量可以用传热基本方程式计算：
Q=KAα（T i-T o）
1
K=
R
∑
上述公式中：K表示蓄冷水箱围护结构的传热系数
R表示蓄冷水箱隔热结构各层的热量阻力
A表示蓄冷水箱围护结构的传热面积
T i 、T
o
表示蓄冷水箱围护结构内外的计算温度
α表示蓄冷水箱围护结构两侧温度修正系数
蓄冷水箱外围材料是选用PDF（聚乙烯）发泡体，厚度一般为50mm，这一型号的材料具有隔热保温、防震、抗噪、热导率小、抗湿。

防水、耐低温、不易燃以及抗老化等特点。

通过公式计算得知，当蓄冷水箱温度为50℃时，蓄冷水箱内的冷却液体每小时升高0.15℃，满足车载激光设备使用要求。

（四）制冷系统设计
再次实践工作准备的时间设置为75min，对制冷系统的冷却负荷进行设计，设计的关键环节是对蓄冷水箱温度达到零下10℃，环境温度为50℃。

因此，螺杆压缩机选用R134A型号，结合热负荷原理设计翅片式冷凝器以及板式蒸发器。

三、冷却系统节能蓄水方式设计
一般情况下，蓄冷系统、释冷系统主要采用板式换热器为载体，从而实现蓄冷水箱与冷却液体的热量互换。

节能蓄水的冷却系统是根据三通调节阀对回水以及蓄冷水箱中的水进行调节的原理，从而促进蓄冷水箱利用率的提高，降低板式换热器以及循环水泵的使用。

在温度控制方面，PID控制器技术发展的比较成熟，应用十分普及，在使用中只需设置三个参数即可。

由于温控系统的控制对象具有大惯性、纯滞后、多变量以及时变参数复杂等特点，当控制对象发生变化，PID参数就需要重新设置，对冷却系统的正常稳定运行造成一定的影响。

主要问题有：第一，难以建立过程模型；第二，超调干扰；第三，系统复杂。

要想解决以上三点问题，我们可以借助模糊控制的原理，从而实现温度适时调节。

模糊控制理论是一种语言控制器，能够模拟人的思维模式和人的控制经验，从而实现最佳控制度，具有较高的稳定性、普适性。

针对温度控制系统的特点，由于受控系统对控制量的反馈耗时较长，工程上一般使用惯性时滞模型进行替代。

首先，当系统温度低于指定温度时，应用模糊控制器就能控制非线性区，加大三通调节阀的开度，节省上升时间；其次，当系统温度接近指定温度时，降低控制量，防止系统在切换系统后发生潮调量的现象；最后，当系统温度小于指定温度时，系统切换PID控制器控制线性区，减少稳定性误差，保证冷却系统能够稳定运行，提高抗震能力。

四、实验结果
冷却系统经过实践总结出结果，冷却系统的供水流量、供水温度都能达到设计要求，三通调节阀中应用PID控制以及模糊控制理论下，开度逐步趋于稳定，蓄冷水箱的温度有效利用率得到明显提高。

图1 供水温度三通开度曲线图
图2 供水流量、压力曲线图
如图1、图2所示，激光设备冷却系统供水温度、三通调节发开度都在控制程序控制范围内，满足设计要求。

结语
综上所述，针对某激光设备，本文设计研究了激光深夜体冷却方式，着重介绍了蓄冷水箱的设计，此外，蓄冷水箱采用节能蓄水方式，有效提高了冷却系统的工作效率。

经过实验证明，激光设备冷却系统的供水流量、压力都达到设计标
准，供水温度也能通过调节阀进行控制，实现节能蓄水的目的。

参考文献
[1]干练. 激光设备冷却系统设计研究[J]. 制冷,2014,04:27-30.
[2]侯春枝,钟根仔. 特种电子设备冷却系统设计与实验研究[J]. 制冷技术,2013,01:30-33.
[3]任林. 船用大功率中高速柴油机冷却系统数值分析与试验研究[D].中国舰船研究院,2012.
[4]刘含超. 中置大客车发动机悬置系统、冷却系统设计与匹配研究[D].湖南大学,2008.。