[發(fā)明專利]一種蓄冷式循環(huán)流體冷卻裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210180417.1
• 申請日: 2012-06-04
• 公開（公告）號: CN102721246A
• 公開（公告）日: 2012-10-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉剛;陳念江;唐曉軍;姜東升;趙鴻;吳軍勇
• 申請（專利權(quán)）人: 中國電子科技集團(tuán)公司第十一研究所
• 主分類號: F25D16/00
• 分類號: F25D16/00;F25B1/00;F25D29/00;F25D23/00
• 代理公司: 工業(yè)和信息化部電子專利中心 11010
• 代理人: 張紅玉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及制冷以及控溫領(lǐng)域，特別涉及一種蓄冷式循環(huán)流體冷卻裝置。

背景技術(shù)

目前隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的機(jī)械、電子和光學(xué)裝置必須需要冷卻系統(tǒng)，尤其是大功率激光領(lǐng)域，例如，大功率半導(dǎo)體激光器、光纖激光器以及固體激光器等，一般都要采用循環(huán)流體冷卻器，這些激光器向高平均功率發(fā)展存在的一個最大問題是超大制冷量的散熱問題，目前，高性能的半導(dǎo)體激光器電光效率為大約50%，光纖激光器為大約30～40%，固體激光器的電光效率為大約10～20%或者更低，除了輸出的激光能量，其余能量基本轉(zhuǎn)化成為熱能。因此，獲得一定能量的激光必然伴隨產(chǎn)生約一倍以上乃至十倍以上的熱能，對于大功率激光器（譬如萬瓦、十萬瓦以及以上的激光器）來說，產(chǎn)生的無用熱量是很驚人的，可以達(dá)到十萬瓦、百萬瓦量級，必須采用各種高效散熱器將熱量從各種激光工作介質(zhì)中導(dǎo)出，進(jìn)一步利用冷卻系統(tǒng)將熱量傳遞到周圍環(huán)境中去。

另外，超大功率的激光器等電子器件的一個特點是往往并不需要持續(xù)工作，經(jīng)常是大功率短時間工作一段時間然后間歇相對很長的一段時間，因此熱負(fù)荷也是短時間內(nèi)突然增大，然后短時間內(nèi)突然降至幾乎為零，而目前的制冷系統(tǒng)都無法適用于這種工作狀況，一般是按照最大發(fā)熱功率來設(shè)計制冷裝置。于是，超大功率的電子器件必須要相應(yīng)的超大功率冷卻系統(tǒng)，往往造成冷卻系統(tǒng)的體積、重量和耗電量居高不下。

已有的對電子器件進(jìn)行冷卻的制冷設(shè)備一般采取兩種設(shè)計方案：一種是啟停式，另一種是熱氣旁路式，由于最常用的載冷劑是水，以下僅以水為例來進(jìn)行簡單描述。

啟停式制冷設(shè)備輸出冷卻水的控制方式較簡單，溫度控制完全是通過控制制冷壓縮機(jī)的啟與停來實現(xiàn)的，包括一個大容積的恒溫箱，在輸出冷卻水溫度偏高的時候開啟制冷壓縮機(jī)，此時水溫開始下降，將水箱內(nèi)的冷卻水冷卻到所需要的溫度，用該冷卻水去冷卻熱負(fù)荷，當(dāng)輸出冷卻水下降到一定溫度時，即水箱內(nèi)冷卻水不需要降溫時，關(guān)閉制冷壓縮機(jī)，水箱接受返回的被熱負(fù)荷加熱的回水，因而溫度上升，當(dāng)上升到一定值時，制冷壓縮機(jī)再次啟動，如此往復(fù)。由此可見，啟停式循環(huán)冷卻水的溫度控制是一個較大的上下范圍。由于制冷壓縮機(jī)在每次停下后，需要間隔一段才能啟動(一般3至5分鐘)，因而在制冷壓縮機(jī)停止工作其間，只有靠水箱中的大量水繼續(xù)帶走熱量，水溫會緩慢升高，因而溫度控制精度較差，一般為±2～3℃，而且必須有一個非常大的恒溫箱，因而其體積龐大，耗水量也大。

熱氣旁路式是目前比較先進(jìn)的方案，它是針對變化不大的熱負(fù)荷長時間持續(xù)工作而設(shè)計的，溫度控制是通過“熱氣旁路”（Hot?Gas?Bypass）的技術(shù)來實現(xiàn)的。溫控系統(tǒng)控制一個節(jié)流裝置（或者一對電磁閥），當(dāng)水箱內(nèi)溫度高于設(shè)置溫度時，該裝置打開，此時從制冷壓縮機(jī)出來的高壓熱蒸汽通過冷凝器冷卻后，進(jìn)入蒸發(fā)器，吸收水中的熱量，從而使水溫降低；當(dāng)溫度低于設(shè)置溫度時，可調(diào)節(jié)流裝置（或者電磁閥）關(guān)閉，此時從制冷壓縮機(jī)出來的高壓熱蒸汽不能通過冷凝器進(jìn)入蒸發(fā)器，只能在冷凝器前通過壓力平衡裝置（或者另一個電磁閥）進(jìn)入蒸發(fā)器。由于此時蒸發(fā)器進(jìn)入和出來的都是熱氣，因而對水起加熱作用，此時即是處于“熱氣旁路”狀態(tài)。制冷壓縮機(jī)不用啟停，只靠可調(diào)節(jié)流裝置和壓力平衡裝置（或者一對電磁閥）對恒溫水箱里的水交替制冷和加熱，控制輸出冷卻水的溫度。

由于“熱氣旁路”式循環(huán)冷卻器的控溫性能優(yōu)于啟停式，因而目前已被普遍采用。但是“熱氣旁路”式循環(huán)冷卻器為了維持制冷溫度穩(wěn)定，即使在熱負(fù)荷很小甚至為零的情況下制冷壓縮機(jī)總是全負(fù)荷的工作，因此能耗也非常高，不過這種方式對壓縮機(jī)比較有利。

另外，現(xiàn)有的變頻式制冷設(shè)備雖然是可以變化制冷量的，但主要是針對熱負(fù)荷緩慢變化長時間持續(xù)工作而設(shè)計的，因為變頻器的頻率改變也是需要一定時間的，一般不能適用于大功率電子器件的冷卻，尤其是激光器等熱負(fù)荷急劇變化的設(shè)備的冷卻。當(dāng)然，變頻式制冷設(shè)備也不具備冷量蓄積的功能。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種蓄冷式循環(huán)流體冷卻裝置，能夠利用相對較小的體積、重量、制冷量以及電消耗來平衡相對大得多的瞬時熱負(fù)荷。