激光设备冷却系统设计和改进

1、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

2、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畜冷系统、释冷系统。冷却系统的工作原理：当启动蓄冷系统

3、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10C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

4、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20C，冷却液体选用体积浓度为 40%J CH2（ OH CH2 （OH （乙二醇）溶液，乙二醇的冰点为零下 25C，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20C,供水流量则为 500L/min。蓄

5、冷水箱的热量计算公式为：Q=MCT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10C时，蓄冷水箱温度到达20C,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1C,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

6、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=KA (Ti-To)K=ZR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Ti、To表示蓄冷水箱围护结构内外的计算温度a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

7、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 C时，蓄冷水箱 内的冷却液体每小时升高0.15 C，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 10C，环境温度为50Co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

8、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,超调十扰；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

9、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rniriuMPi '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 十练.激光设备冷却系统