用于变功率低温激光器高效散热的开式液氮喷雾冷却系统技术方案

本发明专利技术提供一种用于变功率低温激光器高效散热的开式液氮喷雾冷却系统，包括自增压液氮罐、第一杜瓦罐、气液分离器和第二杜瓦罐、若干冷却单元和控制器；所述自增压液氮罐、第一杜瓦罐和第二杜瓦罐均装有液氮；本发明专利技术将液氮冷却介质送入冷却单元内，经过旋流雾化喷头将液氮液滴喷射至冷板表面。控制器控制冷却单元内流量调节阀开度和电磁阀状态从而调节喷雾流量以及喷雾通断，以使得通过冷板温度传感器采集的冷板当前温度与控制器内预设的目标温度相一致。本发明专利技术能在解决变功率激光器高效散热的同时，使激光器温度维持低温，满足激光器低温工作需求，大大提高激光器光电转化效率的同时，简化系统构成并提高可靠性。

【技术实现步骤摘要】
用于变功率低温激光器高效散热的开式液氮喷雾冷却系统
本专利技术属于激光器散热
，尤其是一种用于变功率低温激光器高效散热的开式液氮喷雾冷却系统。
技术介绍
低温激光器利用具有超高输出功率的二极管巴条作为抽运源，具有光电转化效率高、高输出能量、结构紧凑、长寿命、高可靠性等优点，近年来备受关注。当激光器抽运源温度降至冰点(273K)甚至更低温度(80K)以下，光学增益变大，非辐射负荷减小，阈值电流变低，斜率效率可接近100％，从而使激光器总体光电转化效率显著提升。较高光电转化效率使得激光器产生废热减少，激光器热致失效问题得到缓解。但由于激光器功率不断提升，散热面积不断缩小，加之小型化、集成化以及轻量化的特殊应用需求，激光器功率密度已超过1000W/cm2，在某些诸如雷达、激光武器等国防军事领域，其功率密度更逼近10000W/cm2，散热问题仍然是制约激光器发展的主要瓶颈之一。现有液冷散热技术多采用水、氟化液以及制冷剂等作为冷却工质，虽然汽化潜热高，但其较高沸点使得散热面难以达到低温激光器所需工作温度。相比于传统冷却方式，喷雾冷却将工质雾化为细小液滴，液滴高速撞击至待冷却表面并与之换热，有效利用了工质相变潜热，具有热流密度高、冷却均匀、节省资源且无温度超调等优势，已被广泛应用于微电子、冶金、机械加工和航空航天等工业工程领域。采用液氮作为冷却工质，液氮液滴与散热面接触后发生剧烈相变换热形成氮气，氮气对人体无毒可直接排放至大气环境中，省却了复杂压力供液装置和循环回路，从而大大简化了系统构成，降低生产成本的同时使冷却系统更加安全可靠。对于如脉冲激光器等输出功率随时发生变化的情况，传统闭式循环系统使用的连续不可调节喷雾冷却无法实现激光器功率与冷却参数的动态耦合匹配，无法用于动态监测并调节冷却参数，无法在变功率激光器高效散热的同时，使激光器温度维持低温(80～273K)，以达到喷雾冷却最优冷却性能。且传统闭式循环系统的压力供液装置和循环回路复杂。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术提供一种用于变功率低温激光器高效散热的开式液氮喷雾冷却系统，本专利技术将液氮冷却介质送入冷却单元内，经过旋流雾化喷头将液氮液滴喷射至冷板表面。控制器通过内置PID闭环控制算法控制冷却单元内流量调节阀开度和电磁阀状态从而调节喷雾流量以及喷雾通断，以使得通过冷板温度传感器采集的冷板当前温度与控制器内预设的目标温度相一致。本专利技术能在解决变功率激光器高效散热的同时，使激光器温度维持低温(80～273K)，满足激光器低温工作需求，从而大大提高激光器光电转化效率。结合智能控制方法，可实现激光器功率与冷却参数的动态耦合匹配，使喷雾冷却系统性能时刻保持在最优状态。开式喷雾冷却系统省却了传统闭式循环系统的复杂压力供液装置和循环回路，大大简化了系统构成，在降低生产成本的同时使冷却系统更加安全可靠。本专利技术的技术方案是：用于变功率低温激光器高效散热的开式液氮喷雾冷却系统，包括自增压液氮罐、第一杜瓦罐、气液分离器和第二杜瓦罐、若干冷却单元和控制器；所述自增压液氮罐、第一杜瓦罐和第二杜瓦罐均装有液氮；所述第一杜瓦罐内还设有第一冷凝盘管和第二冷凝盘管；所述第二杜瓦罐内还设有第三冷凝盘管；所述自增压液氮罐出口与第一杜瓦罐内第一冷凝盘管入口相连；所述第一冷凝盘管出口与气液分离器液相入口相连，所述气液分离器气相出口与第一杜瓦罐内第二冷凝盘管入口相连，第二冷凝盘管出口与气液分离器液相入口相连；气液分离器液相出口与第二杜瓦罐内第三冷凝盘管入口相连；所述第三冷凝盘管出口与冷却单元连接，冷却单元与激光器散热箱表面连接；所述冷却单元包括板状分流器、流量调节阀、电磁阀、旋流雾化喷头、冷板和温度传感器；所述板状分流器的每条分流管道上分别设有流量调节阀、电磁阀和旋流雾化喷头；所述冷板位于旋流雾化喷头正下方，冷板下表面与激光器散热箱表面连接；所述温度传感器用于采集冷板的温度并传递给控制器；所述控制器分别与流量调节阀、电磁阀和温度传感器连接，当所述冷板温度低于预设温度值，控制器控制电磁阀关闭，当冷板温度高于预设温度值，控制器控制流量调节阀增大开度。上述方案中，所述冷却单元有多个，第三冷凝盘管出口通过管路分流器与冷却单元连接；所述管路分流器分成多条支路后分别与所述冷却单元连接；每条支路上均设有截止阀。进一步的，所述冷却单元有四个，四个冷却单元分别与激光器散热箱四周连接；所述管路分流器分成四条支路后分别与所述冷却单元连接。上述方案中，所述激光器散热箱的侧表面通过导热硅脂与冷板下表面连接。上述方案中，所述冷板上表面设有金字塔形散热翅片。上述方案中，所述旋流雾化喷头内设有螺旋叶片，旋流雾化喷头出口孔径为0.71mm。上述方案中，所述自增压液氮罐出口与第一冷凝盘管入口连接的管道上设有第一开关阀；所述气液分离器气相出口与第二冷凝盘管入口连接的管道上设有第二开关阀；所述第三冷凝盘管出口与管路分流器连接的管道上设有温度表和压力表。上述方案中，所述冷板采用导热系数为386.4W/(m·k)的紫铜材料。上述方案中，所述自增压液氮罐设有内筒和外筒内外两层结构，内筒与外筒夹层抽真空；所述自增压液氮罐夹层内设有增压盘管，增压盘管与内筒连接，增压盘管与内筒连接的管道之间设有增压阀和稳压阀。上述方案中，所述自增压液氮罐内筒设有安全阀。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、本专利技术将液氮冷却介质送入冷却单元内，经过旋流雾化喷头将液氮液滴喷射至冷板表面。本专利技术控制器可动态调节喷雾参数，智能控制器内设有PID闭环控制算法，通过冷板内T型热电偶温度传感器采集冷板温度，智能控制器根据冷板预设目标温度，动态调节电磁阀通断以及流量调节阀开度，从而调节喷雾通断和喷雾流量，继而动态调节喷雾冷却冷量，实现激光器功率与喷雾参数的耦合匹配。本专利技术能在解决变功率激光器高效散热的同时，使激光器温度维持低温(80～273K)，满足激光器低温工作需求，从而大大提高激光器光电转化效率。结合智能控制方法，可实现激光器功率与冷却参数的动态耦合匹配，使喷雾冷却系统性能时刻保持在最优状态。开式喷雾冷却系统液氮与冷板换热后汽化形成氮气，氮气对人体无毒可直接排入大气环境，结合使用自增压液氮罐，省却了传统闭式循环系统的复杂压力供液装置和循环回路，大大简化了系统构成，在降低生产成本的同时使冷却系统更加安全可靠。2、本专利技术采用旋流雾化喷头生成喷雾液滴，喷头内设螺旋叶片，使液氮在喷头出口喷出之前预先破碎，大大提高了雾化质量，经由旋流雾化喷头喷出的液滴粒径可达30μm。3、本专利技术每一个冷却单元内均设有4个线性排列喷头，可通过智能控制器控制特定支路上喷雾通断，既可实现局部散热，又可避免局部冷却过度，大大节省资源的同时提高冷却效率。4、本专利技术通过气液分离器将分离出的氮气通入第一杜瓦罐再次冷凝，大大提高了冷凝效率，同时保证仅有液态介质进入冷却单元，防止液氮汽化造成冷却效率下降和冷却能力不足。5、本专利技术冷却效果强、节省资源、系统安全可靠，开式液氮喷雾冷却技术结合智能控制方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于变功率低温激光器高效散热的开式液氮喷雾冷却系统，其特征在于，包括自增压液氮罐(25)、第一杜瓦罐(19)、气液分离器(18)和第二杜瓦罐(17)、若干冷却单元(11)和控制器(9)；/n所述自增压液氮罐(25)、第一杜瓦罐(19)和第二杜瓦罐(17)均装有液氮；/n所述第一杜瓦罐(19)内还设有第一冷凝盘管(20)和第二冷凝盘管(21)；所述第二杜瓦罐(17)内还设有第三冷凝盘管(16)；/n所述自增压液氮罐(25)出口与第一杜瓦罐(19)内第一冷凝盘管(20)入口相连；所述第一冷凝盘(20)管出口与气液分离器(18)液相入口相连，所述气液分离器(18)气相出口与第一杜瓦罐(19)内第二冷凝盘管(21)入口相连，第二冷凝盘管(21)出口与气液分离器(18)液相入口相连；气液分离器(18)液相出口与第二杜瓦罐(17)内第三冷凝盘管(16)入口相连；所述第三冷凝盘管(16)出口与冷却单元(11)连接，冷却单元(11)与激光器散热箱(12)表面连接；/n所述冷却单元(11)包括板状分流器(26)、流量调节阀(27)、电磁阀(28)、旋流雾化喷头(29)、冷板(31)和温度传感器；所述板状分流器(26)的每条分流管道上分别设有流量调节阀(27)、电磁阀(28)和旋流雾化喷头(29)；所述冷板(31)位于旋流雾化喷头(29)正下方，冷板(31)下表面与激光器散热箱(12)表面连接；所述温度传感器用于采集冷板(31)的温度并传递给控制器(9)；/n所述控制器(9)分别与流量调节阀(27)、电磁阀(28)和温度传感器连接，当所述冷板(31)温度低于预设温度值，控制器(9)控制电磁阀(28)关闭，当冷板(31)温度高于预设温度值，控制器(9)控制流量调节阀(27)增大开度。/n...

【技术特征摘要】
1.用于变功率低温激光器高效散热的开式液氮喷雾冷却系统，其特征在于，包括自增压液氮罐(25)、第一杜瓦罐(19)、气液分离器(18)和第二杜瓦罐(17)、若干冷却单元(11)和控制器(9)；
所述自增压液氮罐(25)、第一杜瓦罐(19)和第二杜瓦罐(17)均装有液氮；
所述第一杜瓦罐(19)内还设有第一冷凝盘管(20)和第二冷凝盘管(21)；所述第二杜瓦罐(17)内还设有第三冷凝盘管(16)；
所述自增压液氮罐(25)出口与第一杜瓦罐(19)内第一冷凝盘管(20)入口相连；所述第一冷凝盘(20)管出口与气液分离器(18)液相入口相连，所述气液分离器(18)气相出口与第一杜瓦罐(19)内第二冷凝盘管(21)入口相连，第二冷凝盘管(21)出口与气液分离器(18)液相入口相连；气液分离器(18)液相出口与第二杜瓦罐(17)内第三冷凝盘管(16)入口相连；所述第三冷凝盘管(16)出口与冷却单元(11)连接，冷却单元(11)与激光器散热箱(12)表面连接；
所述冷却单元(11)包括板状分流器(26)、流量调节阀(27)、电磁阀(28)、旋流雾化喷头(29)、冷板(31)和温度传感器；所述板状分流器(26)的每条分流管道上分别设有流量调节阀(27)、电磁阀(28)和旋流雾化喷头(29)；所述冷板(31)位于旋流雾化喷头(29)正下方，冷板(31)下表面与激光器散热箱(12)表面连接；所述温度传感器用于采集冷板(31)的温度并传递给控制器(9)；
所述控制器(9)分别与流量调节阀(27)、电磁阀(28)和温度传感器连接，当所述冷板(31)温度低于预设温度值，控制器(9)控制电磁阀(28)关闭，当冷板(31)温度高于预设温度值，控制器(9)控制流量调节阀(27)增大开度。


2.根据权利要求1所述的用于变功率低温激光器高效散热的开式液氮喷雾冷却系统，其特征在于，所述冷却单元(11)有多个，第三冷凝盘管(16)出口通过管路分流器(14)与冷却单元(11)连接；所述管路分流器(14)分成多条支路后分别与所述冷却单元(11)连接；每条支路上均设有截止阀(13)。


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【专利技术属性】
技术研发人员：田加猛，张闫，王军锋，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32