基于双蒸发器压缩制冷系统的激光器散热方案设计及实验研究

黄祎文 全晓军 林涛

(上海交通大学机械与动力工程学院 上海 200240)

1 引言

激光有亮度极高、相干性强、方向性好等优势被应用于各项领域。激光芯片产热极高,峰值热流密度甚至高达1 000 W/cm2[1],散热能力不足将导致激光装置温度剧增,激光器效率降低,激光波长发生温飘,影响材料性能并缩短使用寿命。

研究[2]表明:当芯片温度达到70—80 ℃时,芯片每10 ℃的温升会导致稳定性下降达50%。相比于传统的风冷散热以及单相液冷方式,相变液冷系统的传热系数显著,系统体积更小,具有均温性好、小流量、高换热量、高可靠性等优点[3-4]。即使是在环境温度较高的情况下,蒸气压缩制冷也能实现系统稳定工作,维持较低器件的温度,同时制冷效率(COP)可以达到3.0 以上[5]。BIM 公司开创使用蒸气压缩制冷用于高功率设备散热,芯片在工作时,温度保持在15—35 ℃范围内,系统的制冷量为850—1 050 W,能量利用效率为2—3[6]。

对于压缩制冷系统,常规压缩机在变工况时存在升频较慢,制冷量跟随性较差,热源/冷源出现温度过高、温差较大等状况。双蒸发器系统可以有效地解决此类问题。肖建军[7]提出了一种使用两个蒸发器的双循环冰箱,系统中两个制冷循环共用压缩机、冷凝器和进口换热器,冷藏与冷冻室中各使用一台蒸发器,控制冷源之间温度不同。利用双蒸发器机组可以实现冷库的融霜,刘靓[8]等人提出利用两台蒸发器同时工作,当蒸发器结霜厚度达某一极限时,两组蒸发器交替进行融霜。一台蒸发器除霜时,另一台蒸发器继续维持制冷运行,从而避免因为除霜工作导致的冷库温度剧烈波动。

双蒸发器结构有利于实现系统工作温度稳定,但是少有利用双蒸发器结构实现对高功率激光芯片的稳定散热。本文提出一种高效双蒸发器散热系统,实现高功率激光器设备变工况运行时的有效散热,保证两相流冷板温度变化均匀。压缩机待机运行时,制冷剂在第二蒸发器内蒸发,维持系统待机时的稳定工作,因此产生的冷量用来保证激光器负荷升高时的快速散热,避免芯片升温过快以及温度剧烈波动问题。与常规的启动方式进行对比,系统具有更高的稳定性与适应性,证明本方案具有研究意义与实际工程作用。

2 双蒸发器结构压缩制冷系统

2.1 系统简介

为实现激光器变工况运行的稳定散热,保证激光器泵浦源芯片的安全工作及持续运行,提出了如图1所示的双蒸发器激光压缩制冷系统。

图1 双蒸发器压缩制冷系统原理图Fig.1 Schematic diagram of double evaporator compression refrigeration system

该系统主要由主蒸发器、第二蒸发器、压缩机、换向阀、节流阀、冷凝器、电子膨胀阀及加热模块等部件组成。主蒸发器由光学蒸发器以及电学蒸发器组成。换向阀控制第二蒸发器的通断改变系统工作模式。光学蒸发器负责泵浦源、光纤模块的散热,电学蒸发器负责电源模块、控制模块散热,总散热量为4000 W。光学冷板由铝板加工而成,液冷槽道与芯片安装端面位于同一侧冷板上,通过钎焊方式与光纤面进行端面密封形成流道。第二蒸发器为铜质翅片散热器,布置在冷凝器背面,利用冷凝器出风的热量,负责系统光电仪器停机时压缩机出口制冷剂的蒸发。

系统部件如表1 所示。

表1 系统部件Table 1 Parts of system

流道剖面图如图2a 所示,光学蒸发器内部流道结构为矩形结构,其中泵浦源下方6 条平行流道,长度为373 mm,宽度为14 mm,高度为6 mm。主流道被内部肋分为4 条次流道,次流道宽度为2 mm,肋宽度为2 mm。实物图如图2b 所示,右侧4 个安装凸台为泵浦源的安装位置,在凸台间隙处,布置有4 个温度监控点,监控热源附近冷板表面温度,以此判断热源温度变化。

图2 光学蒸发器Fig.2 Optical evaporator

2.2 实验原理

大功率激光器产热主要来自于泵浦源的内部芯片,在工作过程中,损耗以热能的形式积聚在介质内部,约占输入能量的50%—60%,此部分热量导致设备能耗增加、激光输出质量降低,甚至导致设备损毁[9]。

芯片呈纵列均匀排布在泵浦源的热沉上,产热面细长狭窄,热流密度大。利用真实激光器做实验,输出激光无法合理利用、甚至危害实验人员安全,散热不当可能导致仪器损毁。因此需找到合理的替代加热方式,寻常聚酰亚胺加热膜面积大,与实际产热情况差异大,因此本实验利用特制紫铜热沉的内部安装加热棒,模拟芯片产热。

加热棒加热功率与输入电压相关,产热功率为:

式中:Q1为加热棒功率,W;U为输入电压,V;R为加热棒电阻,Ω。

忽略辐射换热以及与空气的对流换热,名义制冷剂制冷量可以由式(2)表示:

式中:q0为单位制冷剂制冷量,kJ/kg;γ为汽化潜热,kJ/kg;cp为比定压热容,kJ/(kg·K);T2为节流后温度,℃;T1为蒸发器出口温度,℃。

系统稳定时,制冷量与产热量相等,Q1=Q2。

2.3 实验流程

本实验采用的散热工质为R410A,满足系统气密性条件下,利用真空泵排净系统内不凝性气体及水蒸气。实验可分为以下3 组情况:

(1)系统稳态运行

激光器处于正常工作状态,工质在光、电蒸发器内部蒸发后,通过换向阀进入旁通管道,后进入压缩机。制冷剂在压力的输送下进入光学冷板,在其内发生相变换热,蒸发压力为1.1 MPa,蒸发温度为10 ℃。实验改变加热棒功率以及环境温度,在监测点温度稳定后,获得系统在环境温度15 ℃、25 ℃、35 ℃、40 ℃,环境湿度27%时,系统散热量2 kW、3 kW、4 kW对应的压缩机频率、膨胀阀的开度及系统能效比。

(2)系统待机运行

激光器处于停机状态时,换向阀打开,压缩机以待机频率(20 Hz)运作,光学器件以及电学器件产热量较小,制冷剂在光、电蒸发器中少量蒸发,随后进入第二蒸发器中完成气化过程,再进入压缩机,此时记录第二蒸发器待机结果。

(3)系统变工况运行模式

变工况实验分为两组,第一组实验压缩机初始处于停机状态,系统无制冷量。当加热源启动时,通过电控系统同时改变压缩机目标频率以及风机转速,此时压缩机频率从0 Hz 升高至目标频率,实验过程中,利用数据采集器监测光学冷板表面监控点的温度变化趋势。第二组实验中,压缩机初始运行频率为20 Hz,第二蒸发器打开,光电冷板初始无散热需求,制冷剂在第二蒸发器内蒸发。加热启动源后,电控系统同时改变压缩机目标频率以及风机转速,此时压缩机频率从20 Hz 升高至目标频率,实验过程中利用数据采集器记录监控点的温度变化趋势。

实验采用PT100 铂热电阻(精度0.3 ℃)测量监控点温度,采用热电偶和压力传感器监测管路温度及制冷剂压力变化,利用数据记录仪采集实验数据。

3 结果与讨论

3.1 系统稳态工况结果

稳态工况下,对于不同实验环境温度及散热功率,合理的压缩机转速和电子膨胀阀的开度能保证系统稳定运行,同时获得较高的能效系数。系统稳态压缩机频率参数如下图3 所示,对比环境温度变化,发现在相同散热量情况下,压缩机频率随着环境温度的升高而增大,并且频率曲线的变化与环境温度的呈现二次函数关系,随着环境温度的升高,压缩机频率增幅也随之变大。这是因为在制冷系统蒸发温度一定时,随着冷凝温度升高,制冷机组的单位制冷量会减少,因此环境温度的增大会导致压缩机频率升高幅度变大。

图3 给出了系统在不同室外温度及散热功率下的系统能效比,可以看出,在不同工况下系统能效比EER在2.5 至9 之间,具有较高的能量利用率。环境温度的升高会导致能效比的降低,这是由于散热工质和室外环境温差的减小而导致系统散热量减小;且同一温度下,低散热量情况下,系统能效比更高。

图3 稳态工况下系统参数Fig.3 System parameters in steady state

图4 显示光学蒸发器表面4 个监控点的平均温度在20 ℃至30 ℃之间,且4 个温度之间的差值均在1 ℃以内,从变化趋势看,随着功率的增大,表面温度以及温度差值也随之增大。由于两相流换热的温度均匀性,以及冷板内部流道设计的合理性,在满足系统安全工作温度的同时,避免激光波长剧烈波动。

图4 稳态工况下冷板表面温度及温差Fig.4 Temperature and temperature difference of plate surface under steady state condition

3.2 系统待机运行结果

待机工况时,冷板表面温度过低或过高,会显著影响激光器的稳定性,第二蒸发器的存在会明显优化待机工况下的板面温度。待机频率下,冷板表面均温如图5 所示。从图中可以看出,在环境温度15 ℃时,开启第二蒸发器,板面均温在9 ℃附近,避免温度过低结露,而环境温度为40 ℃时,板面温度在20 ℃附近。

图5 待机工况下冷板表面温度及膨胀阀开度Fig.5 Ttemperature of plate surface and expansion valve opening under standby condition

同时,第二蒸发器能显著改善待机时冷板表面温度条件,防止凝露及结霜。为监测第二蒸发器是否能在系统低温待机启动情况下,维持合理的冷板温度,在低温环境5 ℃对系统进行测试。图6a 中,压缩机以10 Hz 频率待机运转,第二蒸发器作为热源,稳定时光学冷板监控点平均温度在9 ℃左右。对比无第二蒸发器待机组,温度低于0 ℃,冷板结霜。同时,也对常规工况进行验证实验,图6b 中,环境温度15 ℃,20 Hz 待机频率运转时,开启第二蒸发器,冷板表面温度处于10 ℃附近;关闭第二蒸发器,冷板表面温度快速下降到0 ℃以下,出现结霜。

图6 第二蒸发器对系统待机工况的影响Fig.6 Influence of second evaporator on system standby condition

3.3 系统瞬态工况结果

第二蒸发器对于优化系统散热性能有显著效果,在压缩机待机时,第二蒸发器产生的蓄冷作用,实现待机工况下冷板表面温度均匀变化,保证冷板监控点温差处于可接受范围。图7、图8、图9 分别展示了2 kW、3 kW、4 kW 散热工况的结果并进行对比,表明在不同环境温度、不同机组散热功率工况下,冷板表面监控温度随时间的变化趋势。从总体分析,随着环境温度以及散热频率的升高,无待机实验组,系统光学冷板表面监控点温度呈现先快速升高、下降趋势,导致监控点温差波动剧烈;待机实验组板面温度缓慢升高,监控点温差保持在1 ℃以下。这是因为待机运作系统存在一定制冷量,在启动前期能实现有效降温,防止系统温度升高过快。

图7 2 kW 工况-温度变化对比Fig.7 Comparison of temperature change under 2 kW working condition

图8 3 kW 工况-温度变化对比Fig.8 Comparison of temperature change under 3 kW working condition

对于无待机实验组散热过程中,监控点温差最高点均出现在板面温度快速下降过程中,为避免板面出现过大温差,应该尽量避免板面温度出现剧烈升降过程。从图7 中可以看出,只有在较低环境温度(15 ℃)以及较低的散热功率(2 kW)的工况下,表面温度波动幅度在3 ℃以下。对于其他运行工况,无待机试验组板面监控点温度差值超过3 ℃。表面最高温度和温差随着环境温度和散热量升高,呈现逐渐增大的趋势。在40 ℃恶劣工作环境及4 kW 散热功率的工况下,板面温度最大可达47.95 ℃,而温差最大为9.72 ℃,严重影响系统的正常运行。

板面温度超过30 ℃、温差超过3 ℃时,激光质量将会显著降低,图10 展示了不同工况下,无第二蒸发器待机组,系统在工作时板面温度超过30 ℃以上及监控点温差超过3 ℃的时间。环境温度会显著影响板面超温时间,功率对超温时间的影响较小;随着环境温度的增大,超温时间最高可达78 s;对于监控点间温差,环境温度影响较小,散热功率的影响更为显著,在40 ℃、4 kW 散热工况下,温差超过3 ℃时间高达20 s。而有第二蒸发器组,利用第二蒸发器的蓄冷量,在热源工作期间,表面温度始终处于30 ℃以下,同时温差在1 ℃以内,证明本系统具有极佳的温度调控能力。

图10 无第二蒸发器组板面温度Fig.10 Temperature of panel surface without second evaporator

4 结论

针对激光器芯片产热量大、散热条件苛刻的现状,对高功率激光器散热系统进行优化,设计处双蒸发器压缩制冷系统实现冷板表面温度均匀、接近,保证激光器芯片稳定工作。探究在不同环境温度以及散热工况的影响,并对双蒸发器系统与单独的压缩制冷系统进行对比实验研究,得到以下结论:

(1)稳态实验表明,本文设计的两相流冷板具有优秀的均温性,在激光器泵浦源工作时,实现降温过程的平稳。不同工况下,冷板表面温度均处于20 至30 ℃,同时监控点之间最大温差低于1 ℃。

(2)待机实验表明,在低温环境下工作,压缩机待机过程中,第二蒸发器的蓄冷量使得冷板表面温度处于合理范围,避免冷板表面出现结露现象,保证系统的安全工作。

(3)瞬态实验过程中,利用第二蒸发器的待机工作,在系统产热量发生突变时,保证在散热过程中,冷板表面温度均处于30 ℃以内,同时各监控点之间温差处于1 ℃以内。表明双蒸发器系统对高功率仪器的变工况散热具有极佳的辅助作用。