CN101944702B - 用于高功率固体激光器的双流体喷嘴雾化冷却封闭系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于高功率固体激光器的双流体喷嘴雾化冷却封闭系统，其结构如下：压缩机排气管上一开孔经由第二控制阀与热交换器气相进口相连；热交换器气相出口与双流体喷嘴气室相连；压缩机排气管与冷凝器输入端相连；冷凝器输出端与储液器输入端相连；储液器输出端经由第一控制阀与双流体喷嘴的液室相连；双流体喷嘴的喷头伸入热沉之内；热沉经由排气管道和排液管道与热交换器气液两相进口相连；热交换器过热蒸汽出口与压缩机吸气管相连。本发明的封闭冷却系统实现了制冷系统和喷雾系统的有机结合；压缩机排气管中引入气体避免了从外部引入第二种流体的弊端；省去了气泵，简化了系统；喷嘴取代了节流装置；可满足热面更低的温度需求。

Description

用于高功率固体激光器的双流体喷嘴雾化冷却封闭系统

技术领域

本发明涉及一种用于高功率固体激光器的双流体喷嘴雾化冷却封闭系统，特别适用于制冷与电子器件冷却等领域。

背景技术

激光二极管泵浦固体激光器(DPL)以其高效率、高光束质量、结构紧凑、长寿命等优点引起人们极大兴趣。近年来，随着高功率二极管激光器的相继研制成功，促进了DPL的发展及在军事、工业、医疗、科研等领域的应用。随着固体激光器功率增大，器件产生的热负荷越来越大，散热密度也越来越高因此，如何及时消除因功率耗散所转化的热量，解决散热冷却问题是研制大功率固体激光器必须攻克的关键技术之一。

喷雾冷却系统具有换热系数大、温度均匀性好、过热度小、临界热流密度高和低冷却液流量等特点，在高功率固体激光器冷却中具有较好的应用前景。图1为现有技术中的以水和空气为工质的双流体喷雾冷却系统，其结构为：水泵11出口端经由第一控制阀4与双流体喷嘴6的液室相连；气泵12出口端经由第二控制阀5与双流体喷嘴6的气室相连；双流体喷嘴6安置在热沉7换热面上部一定高度；热沉7底部开孔与回液管路相连。上述系统主要存在以下问题：(1)开式循环下受标准大气压下水的沸点影响无法满足换热面低温度需求；(2)开式循环需要不断补充循环工质；(3)需要引入两种工质，系统结构复杂。

发明内容

本发明目的在于为解决上述不足，而提供一种将制冷系统和喷雾系统有机结合，具有能够满足需求、结构简单、性能稳定等特点的用于高功率固体激光器的双流体喷嘴雾化冷却封闭系统。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的用于高功率固体激光器的双流体喷嘴雾化封闭冷却系统，其包含压缩机1、冷凝器2、储液器3、双流体喷嘴6、热沉7、热交换器8以及第一控制阀4和第二控制阀5；

所述压缩机1排气管上一开孔经由第二控制阀5与所述热交换器8气相进口相连；所述热交换器8气相出口与所述双流体喷嘴6气室相连；所述压缩机1排气管与所述冷凝器2输入端相连；所述冷凝器2输出端与所述储液器3输入端相连；所述储液器3输出端经由第一控制阀4与双流体喷嘴6的液室相连；所述双流体喷嘴6的喷头伸入所述热沉7之内；所述热沉7经由排气管道和排液管道与所述热交换器8气液两相进口相连；所述热交换器8过热蒸汽出口与所述压缩机1吸气管相连。

所述储液器3输出端经由第一控制阀4与所述热交换器8液相进口相连，所述热交换器8的液相出口与所述双流体喷嘴6的液室相连。

所述热沉7底部经由第三控制阀9与液泵10的进口相连，所述液泵10的出口与所述储液器3回液端相连。所述的液泵10为柱塞式液泵、隔膜式液泵、离心式液泵、齿轮式液泵或电磁式液泵。

所述压缩机1可为活塞式压缩机、涡旋式压缩机、螺杆式压缩机或滚动转子式压缩机。

所述的冷凝器2可为风冷式冷凝器、水冷式冷凝器或蒸发冷却式换热器。

所述的双流体喷嘴6可为液柱式喷嘴、蒸发管喷嘴、液膜式喷嘴、射流式喷嘴或气泡式喷嘴。

所述的第一控制阀4、第二控制阀5和第三控制阀9可为手动截止阀、手动调节阀、电动截止阀或电动调节阀。

所述的热交换器8可为板式热交换器、壳管式热交换器或套管式热交换器。

本发明的用于高功率固体激光器的双流体喷嘴雾化冷却封闭系统，其压缩机1排气管上的开孔引部分高压制冷剂气体作为气源，经热交换器8进入双流体喷嘴6的气室；其余高压制冷剂气体经冷凝器2冷却后进入储液器3；储液器3中流出的高压制冷剂液体进入双流体喷嘴液室6；制冷剂气、液经双流体喷嘴6节流、雾化后喷射到热沉7的换热面进行沸腾换热；换热后的制冷剂气、液经热交换器8过热后进入压缩机1，进行下一个循环。

在压缩机引气段和热交换器8的连接管路间以及储液器3和双流体喷嘴6液室的连接管路间分别安装第一控制阀4和第二控制阀5用于调整气液流量比；整个系统封闭。

为了进一步保证压缩机吸气干度并进一步降低液源的温度，可以将储液器3流出的液态制冷剂引入热交换器8与其内部的低温低压气液两相制冷剂换热后流入双流体喷嘴6。

为了保证压缩机吸气干度和液源的充分利用，还可以将热沉7内流出的液态制冷剂用液泵10加压后输送回储液器3；热沉7内流出的气态制冷剂经热交换器8与压缩机1流出的高温气态制冷剂换热后流回压缩机1。

本发明的用于高功率固体激光器的双流体喷嘴雾化冷却封闭系统具有下述优点：(1)制冷系统与喷雾系统有机结合，省去了气泵；(2)应用制冷循环，可以提供更低的喷嘴进液温度，增加换热能力；(3)应用制冷循环，可以满足更低的换热面温度需求(可以达到冰点以下)；(4)压缩机排气管引气实现了同一流体用于双流体雾化喷嘴；(5)压缩机同时是液源和气源的供压装置，省去了气泵；(6)热沉顶部排气、底部排液利于热沉内部流体流动，避免了出现死区。

附图说明

图1为现有技术中以水和空气为工质的双流体喷雾冷却系统结构及原理示意图；

图2为本发明(一实施例)结构及原理示意图；

图3为本发明(另一实施例)结构及原理示意图；

图4为本发明(再一实施例)结构及原理示意图；

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步描述本发明。

实施例1

图2给出的本发明的一实施例的结构示意图，其结构为：

所述压缩机1排气管上一开孔经由第二控制阀5与所述热交换器8气相进口相连；所述热交换器8气相出口与所述双流体喷嘴6气室相连；所述压缩机1排气管与所述冷凝器2输入端相连；所述冷凝器2输出端与所述储液器3输入端相连；所述储液器3输出端经由第一控制阀4与双流体喷嘴6的液室相连；所述双流体喷嘴6的喷头伸入所述热沉7之内；所述热沉7经由排气管道和排液管道与所述热交换器8气液两相进口相连；所述热交换器8过热蒸汽出口与所述压缩机1吸气管相连。

其工作流程如下：

由压缩机1排气管上的一开孔引部分高压气体作为气源经第二控制阀5、热交换器8后进入双流体喷嘴6的气室，其余高压气体经冷凝器2冷凝后流入储液器3，从储液器3流出的液体制冷剂经第一控制阀4后进入双流体喷嘴6的液室与气源进行混合，混合后的气、液流体经双流体喷嘴6雾化、节流后喷射到热沉7的热面进行换热，换热后的气体从热沉7的顶部通道流出，剩余液体从热沉7的底部流出，流出的气体在液体的夹带下一同进入热交换器8换热，换热后变成过热蒸汽进入压缩机1，进行下一个循环。本实施例的第一控制阀4和第二控制阀5均为截止阀。

实施例2

为了进一步保证压缩机1的吸气干度并进一步降低液源的温度，图3给出的本发明的另一实施例方案，其结构为：在实施例1的基础上，增加了下述结构：即所述储液器3输出端经由第一控制阀4与所述热交换器8液相进口相连，所述热交换器8的液相出口与所述双流体喷嘴6的液室相连。

其工作流程如下：

由压缩机1排气管上的一开孔引部分高压气体作为气源经第二控制阀5、热交换器8后进入双流体喷嘴6的气室，其余高压气体经冷凝器2冷凝后流入储液器3，从储液器3流出的制冷剂液体经第一控制阀4、热交换器8过冷后进入双流体喷嘴6液室与气源进行混合，混合后气、液流体经双流体喷嘴6雾化、节流后喷射到热沉7的热面进行换热，换热后气体从热沉7顶部通道流出，剩余液体从热沉底部流出，气体在液体夹带下一同进入热交换器8换热，换热后变成过热蒸汽进入压缩机1，进行下一个循环。

实施例3

为了保证压缩机吸气干度和液源的充分利用，图4给出的本发明的又一种实施例方案，其结构为：在实施例1基础上，增加了下述结构：即所述热沉7顶部开孔经制冷剂管道与所述热交换器8气相进口相连；所述热交换器8过热蒸汽出口与所述压缩机1吸气管相连；所述热沉7底部开口经第三控制阀9与液泵10进口端相连；液泵10出口端与储液器3回液口相连。

其工作流程如下：

压缩机1排气管上引部分高压气体作为气源经第二控制阀5、热交换器8后进入双流体喷嘴6气室，其余高压气体经冷凝器3冷凝后流入储液器3，从储液器3流出的制冷剂液体经第一截止阀4流入双流体喷嘴6液室与气源进行混合混合，制冷剂气、液两种流体经喷嘴6雾化、节流后喷射到热沉7的热面进行换热，换热后液体从热沉底部流出经第三截止阀9、液泵10加压后输送到储液器3，气体从热沉7顶部通道流出进入热交换器8换热，换热后变成过热蒸汽进入压缩机1，进行下一个循环。

本发明的用于高功率固体激光器的双流体喷嘴雾化冷却封闭系统，其压缩机1可以为活塞式、涡旋式、螺杆式或滚动转子式，其排气管上开口引高压气体用作为双流体喷嘴气源，同时为喷雾提供动力。

本发明的用于高功率固体激光器的双流体喷嘴雾化冷却封闭系统，其冷凝器2为风冷式冷凝器、水冷式冷凝器或蒸发冷却式换热器。

本发明的用于高功率固体激光器的双流体喷嘴雾化冷却封闭系统，其双流体喷嘴6为液柱式喷嘴、蒸发管喷嘴、液膜式喷嘴、射流式喷嘴或气泡式喷嘴。

本发明的用于高功率固体激光器的双流体喷嘴雾化冷却封闭系统，其第一控制阀4、第二控制阀5和第三控制阀9为手动截止阀、手动调节阀、电动截止阀或电动调节阀。

本发明的用于高功率固体激光器的双流体喷嘴雾化冷却封闭系统，其热交换器8可为板式热交换器、壳管式热交换器或套管式热交换器。

本发明的用于高功率固体激光器的双流体喷嘴雾化冷却封闭系统，其液泵10可以为柱塞式液泵、隔膜式液泵、离心式液泵、齿轮式液泵或电磁式液泵。

本发明的用于高功率固体激光器的双流体喷嘴雾化冷却封闭系统具有下述优点：(1)制冷系统与喷雾系统有机结合，省去了气泵；(2)应用制冷循环，可以提供更低的喷嘴进液温度，增加换热能力；(3)应用制冷循环，可以满足更低的换热面温度需求(可以达到冰点以下)；(4)压缩机排气管引气实现了同一流体用于双流体雾化喷嘴；(5)压缩机同时是液源和气源的供压装置，省去了气泵；(6)热沉顶部排气、底部排液利于热沉内部流体流动，避免了出现死区。

Claims (9)

1.一种用于高功率固体激光器的双流体喷嘴雾化冷却封闭系统，其包含压缩机(1)、冷凝器(2)、储液器(3)、双流体喷嘴(6)、热沉(7)、热交换器(8)以及第一控制阀(4)和第二控制阀(5)；

所述压缩机(1)排气管上一开孔经由第二控制阀(5)与所述热交换器(8)气相进口相连；所述热交换器(8)气相出口与所述双流体喷嘴(6)气室相连；所述压缩机(1)排气管与所述冷凝器(2)输入端相连；所述冷凝器(2)输出端与所述储液器(3)输入端相连；所述储液器(3)输出端经由第一控制阀(4)与双流体喷嘴(6)的液室相连；所述双流体喷嘴(6)的喷头伸入所述热沉(7)之内；所述热沉(7)经由排气管道和排液管道与所述热交换器(8)气液两相进口相连；所述热交换器(8)过热蒸汽出口与所述压缩机(1)吸气管相连。

2.一种用于高功率固体激光器的双流体喷嘴雾化冷却封闭系统，其包含压缩机(1)、冷凝器(2)、储液器(3)、双流体喷嘴(6)、热沉(7)、热交换器(8)以及第一控制阀(4)和第二控制阀(5)；

所述压缩机(1)排气管上一开孔经由第二控制阀(5)与所述热交换器(8)气相进口相连；所述热交换器(8)气相出口与所述双流体喷嘴(6)气室相连；所述压缩机(1)排气管与所述冷凝器(2)输入端相连；所述冷凝器(2)输出端与所述储液器(3)输入端相连；所述储液器(3)输出端经由第一控制阀(4)与所述热交换器(8)液相进口相连，所述热交换器(8)的液相出口与所述双流体喷嘴(6)的液室相连；所述双流体喷嘴(6)的喷头伸入所述热沉(7)之内；所述热沉(7)经由排气管道和排液管道与所述热交换器(8)气液两相进口相连；所述热交换器(8)过热蒸汽出口与所述压缩机(1)吸气管相连。

3.按权利要求1所述的用于高功率固体激光器的双流体喷嘴雾化冷却封闭系统，其特征在于，所述热沉(7)底部经由第三控制阀(9)与液泵(10)进液口相连，液泵(10)出液口与所述储液器(3)回液端相连，所述热沉(7)顶部经由回气管道与所述热交换器(8)的气液两相进口相连。

4.按权利要求1、2或3所述的用于高功率固体激光器的双流体喷嘴雾化冷却封闭系统，其特征在于：所述压缩机(1)为活塞式压缩机、涡旋式压缩机、螺杆式压缩机或滚动转子式压缩机。

5.按权利要求1、2或3所述的用于高功率固体激光器的双流体喷嘴雾化冷却封闭系统，其特征在于：所述的冷凝器(2)为风冷式冷凝器、水冷式冷凝器或蒸发冷却式换热器。

6.按权利要求1、2或3所述的用于高功率固体激光器的双流体喷嘴雾化冷却封闭系统，其特征在于：所述的双流体喷嘴(6)为液柱式喷嘴、蒸发管喷嘴、液膜式喷嘴、射流式喷嘴或气泡式喷嘴。

7.按权利要求3所述的用于高功率固体激光器的双流体喷嘴雾化冷却封闭系统，其特征在于：所述的第一控制阀(4)、第二控制阀(5)和第三控制阀(9)为手动截止阀、手动调节阀、电动截止阀或电动调节阀。

8.按权利要求1、2或3所述的用于高功率固体激光器的双流体喷嘴雾化冷却封闭系统，其特征在于：所述的热交换器(8)为板式热交换器、壳管式热交换器或套管式热交换器。

9.按权利要求3所述的用于高功率固体激光器的双流体喷嘴雾化冷却封闭系统，其特征在于：所述的液泵(10)为柱塞式液泵、隔膜式液泵、离心式液泵、齿轮式液泵或电磁式液泵。

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