CN102721246B - 一种蓄冷式循环流体冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于间歇工作大功率热负荷的循环流体冷却装置，其中，在蓄冷流体回路（210）中，顺序连接有蓄冷水箱（212）、蓄冷循环水泵（211）、蓄冷流体旁通流量控制器（214）、蓄冷流体旁路（213），并在蓄冷循环水泵（211）出口处和蒸发器（104）的入口处并联有蓄冷流体流量控制器（215）和混合恒温箱（223）；在恒温流体回路（220）中，顺序连接有恒温循环水泵（221）、恒温流体控制阀（224）、恒温流体旁通（222）、混合恒温箱（223），并在恒温循环水泵（221）的出口处和混合恒温箱（223）的入口处并联有冷却水输出截止阀（403）、热负荷（400）和冷却水返回截止阀（404）；其中，恒温流体回路（220）与蓄冷流体回路（210）共用同一混合恒温箱（223）。本发明利用相对较小的体积、重量、制冷量以及电消耗来平衡相对大得多的瞬时热负荷。

Description

一种蓄冷式循环流体冷却装置

技术领域

本发明涉及制冷以及控温领域，特别涉及一种蓄冷式循环流体冷却装置。

背景技术

目前随着电子技术的不断发展，越来越多的机械、电子和光学装置必须需要冷却系统，尤其是大功率激光领域，例如，大功率半导体激光器、光纤激光器以及固体激光器等，一般都要采用循环流体冷却器，这些激光器向高平均功率发展存在的一个最大问题是超大制冷量的散热问题，目前，高性能的半导体激光器电光效率为大约50%，光纤激光器为大约30～40%，固体激光器的电光效率为大约10～20%或者更低，除了输出的激光能量，其余能量基本转化成为热能。因此，获得一定能量的激光必然伴随产生约一倍以上乃至十倍以上的热能，对于大功率激光器（譬如万瓦、十万瓦以及以上的激光器）来说，产生的无用热量是很惊人的，可以达到十万瓦、百万瓦量级，必须采用各种高效散热器将热量从各种激光工作介质中导出，进一步利用冷却系统将热量传递到周围环境中去。

另外，超大功率的激光器等电子器件的一个特点是往往并不需要持续工作，经常是大功率短时间工作一段时间然后间歇相对很长的一段时间，因此热负荷也是短时间内突然增大，然后短时间内突然降至几乎为零，而目前的制冷系统都无法适用于这种工作状况，一般是按照最大发热功率来设计制冷装置。于是，超大功率的电子器件必须要相应的超大功率冷却系统，往往造成冷却系统的体积、重量和耗电量居高不下。

已有的对电子器件进行冷却的制冷设备一般采取两种设计方案：一种是启停式，另一种是热气旁路式，由于最常用的载冷剂是水，以下仅以水为例来进行简单描述。

启停式制冷设备输出冷却水的控制方式较简单，温度控制完全是通过控制制冷压缩机的启与停来实现的，包括一个大容积的恒温箱，在输出冷却水温度偏高的时候开启制冷压缩机，此时水温开始下降，将水箱内的冷却水冷却到所需要的温度，用该冷却水去冷却热负荷，当输出冷却水下降到一定温度时，即水箱内冷却水不需要降温时，关闭制冷压缩机，水箱接受返回的被热负荷加热的回水，因而温度上升，当上升到一定值时，制冷压缩机再次启动，如此往复。由此可见，启停式循环冷却水的温度控制是一个较大的上下范围。由于制冷压缩机在每次停下后，需要间隔一段才能启动(一般3至5分钟)，因而在制冷压缩机停止工作其间，只有靠水箱中的大量水继续带走热量，水温会缓慢升高，因而温度控制精度较差，一般为±2～3℃，而且必须有一个非常大的恒温箱，因而其体积庞大，耗水量也大。

热气旁路式是目前比较先进的方案，它是针对变化不大的热负荷长时间持续工作而设计的，温度控制是通过“热气旁路”（Hot Gas Bypass）的技术来实现的。温控系统控制一个节流装置（或者一对电磁阀），当水箱内温度高于设置温度时，该装置打开，此时从制冷压缩机出来的高压热蒸汽通过冷凝器冷却后，进入蒸发器，吸收水中的热量，从而使水温降低；当温度低于设置温度时，可调节流装置（或者电磁阀）关闭，此时从制冷压缩机出来的高压热蒸汽不能通过冷凝器进入蒸发器，只能在冷凝器前通过压力平衡装置（或者另一个电磁阀）进入蒸发器。由于此时蒸发器进入和出来的都是热气，因而对水起加热作用，此时即是处于“热气旁路”状态。制冷压缩机不用启停，只靠可调节流装置和压力平衡装置（或者一对电磁阀）对恒温水箱里的水交替制冷和加热，控制输出冷却水的温度。

由于“热气旁路”式循环冷却器的控温性能优于启停式，因而目前已被普遍采用。但是“热气旁路”式循环冷却器为了维持制冷温度稳定，即使在热负荷很小甚至为零的情况下制冷压缩机总是全负荷的工作，因此能耗也非常高，不过这种方式对压缩机比较有利。

另外，现有的变频式制冷设备虽然是可以变化制冷量的，但主要是针对热负荷缓慢变化长时间持续工作而设计的，因为变频器的频率改变也是需要一定时间的，一般不能适用于大功率电子器件的冷却，尤其是激光器等热负荷急剧变化的设备的冷却。当然，变频式制冷设备也不具备冷量蓄积的功能。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种蓄冷式循环流体冷却装置，能够利用相对较小的体积、重量、制冷量以及电消耗来平衡相对大得多的瞬时热负荷。

本发明的适用于间歇工作大功率热负荷的循环流体冷却装置，包括制冷系统、载冷蓄冷循环系统和控制系统，在载冷蓄冷循环系统中包括恒温流体回路220和蓄冷流体回路210，其中，在蓄冷流体回路210中，顺序连接有蓄冷水箱212、蓄冷循环水泵211、蓄冷流体旁通流量控制器214、蓄冷流体旁路213，并在蓄冷循环水泵211出口处和蒸发器104的入口处并联有蓄冷流体流量控制器215和混合恒温箱223；在恒温流体回路220中，顺序连接有恒温循环水泵221、恒温流体控制阀224、恒温流体旁通222、混合恒温箱223，并在恒温循环水泵221的出口处和混合恒温箱223的入口处并联有冷却水输出截止阀403、热负荷400和冷却水返回截止阀404；其中，恒温流体回路220与蓄冷流体回路210共用同一混合恒温箱223。

其中，在所述制冷系统100中，顺序地由制冷压缩机101、制冷剂循环110、冷凝器102、节流装置103、切换电磁阀108和蒸发器104构成回路，并在制冷压缩机101的出口处和节流装置103的出口处连接有热气旁路105，在热气旁路105中设置有切换电磁阀107；其中，制冷系统100与恒温流体回路220共用一个蒸发器104。

其中，如果是风冷散热，进一步在冷凝器102旁设置散热风机106。

其中，当热负荷400为零时，蓄冷流体流量控制器215不开启，恒温流体回路220内流体正常循环，保证输出的恒温流体401的温度不变，制冷系统100仍持续工作，蓄冷流体旁通流量控制器214开启，按照事先设定的蓄冷箱212的温度，将所述蓄冷箱内的低温蓄冷工作物质温度降低，此时，低温蓄冷工作物质沿a-b-e-f流动。

其中，当热负荷400不为零时，返回的流体402的温度升高，混合恒温箱223的温度随之升高，恒温流体传感器304感应到输出温度的提高，控制系统300控制蓄冷流体流量控制器215开启，根据热负荷的大小决定开启的程度，将一定比例的低温蓄冷工作物质加入到混合恒温箱223中。

其中，载冷蓄冷循环系统中的载冷剂和蓄冷工作物质是同一种流体，即循环流体和蓄冷工作物质可任意比例混合，用于快速均衡温度。

进一步地，蓄冷水箱和混合恒温箱相互独立控制温度，蓄冷水箱依靠蒸发器获得温度较低的蓄冷工作物质并进行贮存，而冷却热负荷所需要的流体从混合恒温箱中提取输出，蓄冷水箱的工作物质可随时补充到混合恒温箱中，蓄冷水箱工作物质的温度能独立调节到较低的温度，以进行短时间的工作贮存冷量。

进一步地，载冷剂采用水，或者适用于各种不同工作温度的在工作温区内不发生相变的流体以及流体混合物。

进一步地，当蓄冷箱内的冷量被消耗接近完毕时，即蓄冷箱温度升高达到一个极限时，控制系统可报警并提前发出控制信号关闭大功率电子设备，起到保护作用。

进一步地，蓄冷箱和混合恒温箱分置设计，分别进行保温处理，减少外界环境温度变化对混合恒温箱和蓄冷箱的影响，减少蓄冷箱和混合恒温箱之间通过间壁的传热损失。

本发明的有益效果是：依照本发明的蓄冷式循环流体冷却装置，可以利用相对较小的体积、重量、制冷量以及电消耗来平衡相对大得多的瞬时热负荷，适用于超大功率激光器以及其它大功率电子设备，超大功率的热负荷峰值越高，占空比越大，越能体现出该发明的优势；利用载冷剂的显热来储存冷量，不需要发生相变，因此不需要相变蓄冷所必须的搅拌器等复杂装置，即使需要也可以简单得多；载冷剂常采用水或者含水的混合液，水及其含水的载冷剂的比热和密度相对很大，液体的混合换热相对很容易迅速完成，对温度响应快，适合于超大功率激光器以及其它大功率电子设备瞬时产生的超大热负荷；对于混合恒温箱，一般温度控制精度要求比较高，由于本发明的蓄冷箱和混合恒温箱分置的设计方式，以及混合恒温箱具有相对小得多的热容量，其温度控制精度也很容易做到比较高的水平，对于蓄冷箱，虽然需要控制其温度恒定，但是温度控制精度可以比较宽松，只要需要满足蓄冷要求即可。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的电子设备的热负荷和大功率激光等超大功率设备热负荷的对比示意图；

图2为现有的热气旁路循环流体冷却装置原理示意图；

图3为本发明的适用于间歇工作大功率热负荷的循环流体冷却装置原理示意图。

具体实施方式

以下，参考附图1~3详细描述本发明的蓄冷式循环流体冷却装置。

本发明的组成包括有制冷系统100、载冷蓄冷循环系统200、控制系统300。所述制冷系统100包括制冷剂循环110、制冷压缩机101、冷凝器102、节流装置103、蒸发器104、热气旁路105，切换电磁阀107和108，如果是风冷散热，需包括散热风机106。

载冷蓄冷循环系统200包括蓄冷流体回路210和恒温流体回路220，蓄冷流体回路210包括蓄冷循环水泵211、蓄冷箱212、蓄冷流体旁通213、蓄冷流体旁通流量控制器214、蓄冷流体流量控制器215，恒温流体回路220包括恒温循环水泵221、恒温流体旁通222、混合恒温箱223、恒温流体控制阀224等。

控制系统300包括有冷凝器传感器301、蒸发器传感器302、蓄冷流体传感器303、恒温流体传感器304等。

输出控制阀403、返回控制阀404和恒温流体控制阀224共同控制输出的恒温流体401和返回的流体402的压力和流量，达到合适的要求，用以冷却热负荷400；控制系统300通过信号控制线500发出信号控制大热负荷设备的开启和关闭，在蓄冷箱内的冷量被消耗接近完毕时，即蓄冷箱温度升高达到一个极限时，控制系统300可报警并提前发出控制信号关闭大热负荷电子设备，起到保护作用。

为便于阐述，先描述当热负荷400为零的时候系统怎样工作，此时，蓄冷流体流量控制器215不开启，恒温流体回路220内流体正常循环，保证输出的恒温流体401的温度不变，而所述制冷系统100仍持续工作，蓄冷流体旁通流量控制器214开启，按照事先设定的蓄冷箱212的温度，将所述蓄冷箱内的低温蓄冷工作物质温度降低，此时，低温蓄冷工作物质沿a-b-e-f流动。蓄冷箱的温度一般是远低于恒温流体回路220所需要的输出温度的，但是高于载冷剂的凝固点，蓄冷流体回路即是利用蓄冷箱内的低温蓄冷工作物质的总热容为系统蓄积冷量。

当热负荷400达到高水平的时候，返回的流体402的温度必然升高，混合恒温箱223的温度随之升高，恒温流体传感器304感应到输出温度的提高，于是控制系统300控制蓄冷流体流量控制器215开启，根据热负荷的大小决定开启的程度，将一定比例的低温蓄冷工作物质加入到混合恒温箱223中，保证输出的恒温流体401的温度不变，如果加入低温蓄冷工作物质的比例过高，同样会被恒温流体传感器304感应到，因而降低蓄冷流体流量控制器215的开度。此时，低温蓄冷工作物质沿a-b-e-f和a-b-c-d-e-f两个回路流动，只是通过蓄冷流体旁通流量控制器214和蓄冷流体流量控制器215控制其分配比例。

总之，无论热负荷400负荷很小、中止工作，还是热负荷急剧提高的时候，所述制冷系统100都消耗相对较小的电能持续工作，为所述蓄冷箱212内制造足量的低温蓄冷工作物质。当热负荷400的热负荷瞬时增大到一个高水平的时候，蓄冷箱212内的低温工作物质被迅速加入到混合恒温箱223，混合后进入冷却热负荷的恒温流体回路210中，使得恒温流体回路210的冷却能力在短时间内迅速提高，当然，由于蓄冷箱的容积有限，也只能为大的热负荷提供时间有限的大功率冷却。因此制冷系统100可以利用相对较小的体积、重量、制冷量以及耗电量来平衡相对大得多的瞬时/短时热负荷。

从需要的电能消耗、体积重量方面进行对比：

例如，以水为载冷剂，在最大热负荷为100kW，但是每次只工作60秒的工作状况时，假设两次工作中间可以间隔40分钟（2400秒），如果采用常规的循环水制冷设备，虽然只工作60秒，其制冷系统名义制冷量也必须为100kW，一台100kW的循环水冷却装置的自身水箱也是庞大的，对于启停式，为了保证控温精度在3℃以内，所需要的水箱内水质量为100kW×60秒÷4200（J/kg℃）÷3℃=4800kg，即水箱容积不小于4800升。对于热气旁路式，根据工程经验，一般情况下水箱容积也需要达到大约500升。

而采用本发明的蓄冷式循环流体冷却装置，则理论制冷量可以只需要100kW×60秒÷2400秒=2.5kW，为了保证有足量的蓄冷水，假设输出的循环水为25℃，水的蓄冷温度为5℃，则需要的蓄冷水质量为100kW×60秒÷4200（J/kg℃）÷(25－5)℃=72kg，即蓄冷水箱的有效容积大于72升就可以满足要求，比启停式制冷设备低两个数量级，比热气旁路式制冷设备低一个数量级。

一台包括72升蓄冷水箱和一定容积的混合水箱的2.5kW循环水冷却装置与启停式或者热气旁路式100kW冷却装置相比较，其体积、重量，尤其是耗电量的节省是不言自明的。

综上所述，依照本发明的蓄冷式循环流体冷却装置，具有如下优点：

1、可以利用相对较小的体积、重量、制冷量以及电消耗来平衡相对大得多的瞬时热负荷，适用于超大功率激光器以及其它大功率电子设备，超大功率的热负荷峰值越高，占空比越大，越能体现出该发明的优势。

2、利用载冷剂的显热来储存冷量，不需要发生相变，因此不需要相变蓄冷所必须的搅拌器等复杂装置，即使需要也可以简单得多。

3、载冷剂常采用水或者含水的混合液，水及其含水的载冷剂的比热和密度相对很大，液体的混合换热相对很容易迅速完成，对温度响应快，适合于超大功率激光器以及其它大功率电子设备瞬时产生的超大热负荷。

4、对于混合恒温箱，一般温度控制精度要求比较高，由于本发明的蓄冷箱和混合恒温箱分置的设计方式，以及混合恒温箱具有相对小得多的热容量，其温度控制精度也很容易做到比较高的水平，对于蓄冷箱，虽然需要控制其温度恒定，但是温度控制精度可以比较宽松，只要需要满足蓄冷要求即可。

以上是为了使本领域普通技术人员理解本发明，而对本发明所进行的详细描述，但可以想到，在不脱离本发明的权利要求所涵盖的范围内还可以做出其它的变化和修改，这些变化和修改均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种适用于间歇工作大功率热负荷的循环流体冷却装置，包括制冷系统、载冷蓄冷循环系统和控制系统，其特征在于，在载冷蓄冷循环系统中包括恒温流体回路（220）和蓄冷流体回路（210），其中，

在蓄冷流体回路（210）中，顺序连接有蓄冷箱（212）、蓄冷循环水泵（211）、蓄冷流体旁通流量控制器（214）、蓄冷流体旁路（213），并在蓄冷循环水泵（211）出口处和蒸发器（104）的入口处并联有蓄冷流体流量控制器（215）和混合恒温箱（223）；

在恒温流体回路（220）中，顺序连接有恒温循环水泵（221）、恒温流体控制阀（224）、恒温流体旁通（222）、混合恒温箱（223），并在恒温循环水泵（221）的出口处和混合恒温箱（223）的入口处并联有冷却水输出截止阀（403）、热负荷（400）和冷却水返回截止阀（404）；其中，恒温流体回路（220）与蓄冷流体回路（210）共用同一混合恒温箱（223）。

2.如权利要求1所述的循环流体冷却装置，其特征在于，在所述制冷系统（100）中，顺序地由制冷压缩机（101）、制冷剂循环（110）、冷凝器（102）、节流装置（103）、切换电磁阀（108）和蒸发器（104）构成回路，并在制冷压缩机（101）的出口处和节流装置（103）的出口处连接有热气旁路（105），在热气旁路（105）中设置有切换电磁阀（107）；其中，制冷系统（100）与恒温流体回路（220）共用一个蒸发器（104）。

3.如权利要求2所述的循环流体冷却装置，其特征在于，如果是风冷散热，进一步在冷凝器（102）旁设置散热风机（106）。

4.如权利要求1至3中任一项所述的循环流体冷却装置，其特征在于，当热负荷（400）为零时，蓄冷流体流量控制器（215）不开启，恒温流体回路（220）内流体正常循环，保证输出的恒温流体（401）的温度不变，制冷系统（100）仍持续工作，蓄冷流体旁通流量控制器（214）开启，按照事先设定的蓄冷箱（212）的温度，将所述蓄冷箱内的低温蓄冷工作物质温度降低。

5.如权利要求1至3中任一项所述的循环流体冷却装置，其特征在于，当热负荷（400）不为零时，返回的流体（402）的温度升高，混合恒温箱（223）的温度随之升高，恒温流体传感器（304）感应到输出温度的提高，控制系统（300）控制蓄冷流体流量控制器（215）开启，根据热负荷的大小决定开启的程度，将一定比例的低温蓄冷工作物质加入到混合恒温箱（223）中。

6.如权利要求5所述的循环流体冷却装置，其特征在于，载冷蓄冷循环系统中的载冷剂和蓄冷工作物质是同一种流体，即循环流体和蓄冷工作物质可任意比例混合，用于快速均衡温度。

7.如权利要求5所述的循环流体冷却装置，其特征在于，蓄冷箱和混合恒温箱相互独立控制温度，蓄冷箱依靠蒸发器获得温度较低的蓄冷工作物质并进行贮存，而冷却热负荷所需要的流体从混合恒温箱中提取输出，蓄冷箱的工作物质可随时补充到混合恒温箱中，蓄冷箱工作物质的温度能独立调节到较低的温度，以进行短时间的工作贮存冷量。

8.如权利要求5所述的循环流体冷却装置，其特征在于，载冷剂采用适用于各种不同工作温度的在工作温区内不发生相变的流体以及流体混合物。

9.如权利要求5所述的循环流体冷却装置，其特征在于，当蓄冷箱内的冷量被消耗接近完毕时，即蓄冷箱温度升高达到一个极限时，控制系统可报警并提前发出控制信号关闭大功率电子设备，起到保护作用。

10.如权利要求5所述的循环流体冷却装置，其特征在于，蓄冷箱和混合恒温箱分置设计，分别进行保温处理，减少外界环境温度变化对混合恒温箱和蓄冷箱的影响，减少蓄冷箱和混合恒温箱之间通过间壁的传热损失。