CN105428971A - 一种激光器多温区精密控温系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种激光器多温区精密控温系统及其控制方法，该方案包括有低精度温区热负载、高精度温区热负载、低精度温区冷却器、高精度温区冷却器、TEC半导体制冷模块、压缩机单元、压缩机回路和控制系统；低精度温区冷却器和高精度温区冷却器通过压缩机回路与压缩机单元连通；低精度温区热负载贴在低精度温区冷却器上；高精度温区热负载贴在TEC半导体制冷模块的冷面；高精度温区冷却器贴在TEC半导体制冷模块的热面。该方案可适用于不同热负荷的多温区激光器的散热需求，具有能效比高、体积小、重量轻、适用于多种机动平台、可扩展性良好的显著优点，特别是在一些苛刻的环境条件下也能满足激光器散热控温要求。

Description

一种激光器多温区精密控温系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及的是激光器技术应用领域，尤其是一种激光器多温区精密控温系统及其控制方法。
背景技术
随着激光技术的不断进步，激光器性能不断提升的同时其应用范围也不断扩展。飞机、汽车、轮船等机动平台的特殊条件使激光器及其温控系统的体积、重量、功耗受到十分严格的限制。某些激光器的多温区温控要求更加大了激光器温控难度。激光器的控温冷却技术成为制约激光器性能提升及应用扩展的关键因素之一。
目前电子设备普遍使用风冷、半导体制冷以及压缩机蒸发循环复合单相液体制冷。风冷是飞机上最基本最常用的冷却系统。但其换热效率较低，需要运行平台提供环控风，同时散热能力扩展具有局限性，伴随热负荷的增加，体积规模功耗显著增大。半导体制冷技术应用于控温精度要求高、热负荷低的电子器件。该技术结构简单，无需制冷剂，无污染，启动快，控制灵活，在失重和超重状态下均可工作。但该技术制冷效率低，功耗高，制冷能力随环境温度与制冷片冷端温差增大而减小，不适用于环境温度变化范围大、体积功耗限制严格的环境。蒸气压缩制冷在应对高热流密度电子芯片和功率原件的散热问题上具有极大的潜力和应用前景。高温环境下压缩机能耗比较低，功耗增加，不适用于能耗限制严格的应用条件。
发明内容
本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种激光器多温区精密控温系统及其控制方法的技术方案，该方案可适用于不同热负荷的多温区激光器的散热需求，具有能效比高、体积小、重量轻、适用于多种机动平台、可扩展性良好的显著优点，特别是在一些苛刻的环境条件下也能满足激光器散热控温要求。
本方案是通过如下技术措施来实现的：
一种激光器多温区精密控温系统，包括有低精度温区热负载、高精度温区热负载、低精度温区冷却器、高精度温区冷却器、TEC半导体制冷模块、压缩机单元、压缩机回路和控制系统；低精度温区冷却器和高精度温区冷却器通过压缩机回路与压缩机单元连通；低精度温区热负载贴在低精度温区冷却器上；高精度温区热负载贴在TEC半导体制冷模块的冷面；高精度温区冷却器贴在TEC半导体制冷模块的热面。
作为本方案的优选：激光器低精度温区冷却器上设置有电加热器。
作为本方案的优选：TEC半导体制冷模块的冷面对高精度温区热负载进行冷却和精密温控，高精度温区热负载的热量通过热面传递给高精度温区冷却器。
作为本方案的优选：压缩机回路的蒸发温度等于高精度温区热负载的目标温度且不高于低精度温区热负载的目标温度。
一种激光器多温区精密控温系统的控制方法，包括有以下步骤：
a.根据激光器总热负载情况以及温控要求，选择适当的压缩机单元；
b.根据激光器高精度温区热负载情况以及温控要求，选择适当的TEC半导体制冷模块；
c.系统启动后，根据半导体制冷模块热面和低精度温区热负载的温度情况控制压缩机的启停和制冷量以及电加热器的功率，通过调节压缩机制冷量将TEC半导体制冷模块热面的热量带走并将TEC半导体制冷模块热面温度控制在以高精度温区热负载控温要求的精度范围内，通过调节压缩机制冷量及电加热器功率将低精度温区热负载的温度控制在目标范围内；
d.系统启动后，根据高精度温区热负载的温度情况控制TEC半导体制冷模块的制冷量，将高精度温区热负载的废热带走并将其温度控制在要求的精度范围内，该步骤与步骤c同步进行。
作为本方案的优选：步骤c和步骤d中控制TEC半导体制冷模块制冷量的方法为PID控制或模糊控制。
本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于该方案对不同温控要求的热负载采用不同温区分别控温的方法，在提高能效比的同时有利于系统体积、重量以及功耗的降低和成本控制；对高精度温区热负载采用压缩机复合TEC半导体制冷的方法，在保证控温精度高、控温稳定性好的同时具有较高的能效比和较强的环境适应性，系统组件较少有利于系统体积重量和功耗的减轻，适用于多种机动平台。通过压缩机和TEC半导体制冷模块制冷量的选型，可适用不同热负荷的激光器，可扩展性良好。
由此可见，本发明与现有技术相比，具有实质性特点和进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中，1为TEC半导体制冷片，2为激光器高精度温区热负载，3激光器高精度温区冷却器，4为激光器低精度温区热负载，5为激光器低精度温区冷却器，6为压缩机单元，7为压缩机回路。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例
选择激光器系统总负荷220W，其中激光器热负荷120W，电源热负荷100W，要求激光器表面温度10～35℃可调且温精度高于±0.2℃，电源温度低于60℃即可。
根据热负荷选择压缩机单元蒸发温度低于15℃且制冷量大于250W。选择选择大和9500/241/100B型TEC半导体制冷片两片。激光器冷却器和电源冷却器根据热负荷设计。TEC半导体制冷片冷面与激光器贴合热面与激光器冷却器贴合。
（1）系统启动后，根据TEC半导体制冷模块热面和电源的温度情况控制压缩机的启停和制冷量以及电加热器的功率，通过激光器冷却器将TEC半导体制冷片热面带走通过电源冷却器（电加热器）将电源的热量带走，并将TEC半导体制冷片温度控制在10～35℃，控温精度±5℃，将电源温度控制在60℃以下。该步骤与步骤（2）同时进行；
（2）系统启动后，根据激光器的温度情况控制TEC半导体制冷模块的制冷量，将激光器废热带走并将其温度控制在10～35℃，控温精度±0.2℃。
经本实施例操作，激光器可长时间连续工作，激光器表面温度控制范围10℃～35℃，控温精度±0.2℃。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (6)

1.一种激光器多温区精密控温系统，其特征是：包括有低精度温区热负载、高精度温区热负载、低精度温区冷却器、高精度温区冷却器、TEC半导体制冷模块、压缩机单元、压缩机回路和控制系统；所述低精度温区冷却器和高精度温区冷却器通过压缩机回路与压缩机单元连通；所述的低精度温区热负载贴在低精度温区冷却器上；所述的高精度温区热负载贴在TEC半导体制冷模块的冷面；所述的高精度温区冷却器贴在TEC半导体制冷模块的热面。
2.根据权利要求1所述的一种激光器多温区精密控温系统，其特征是：所述激光器低精度温区冷却器上设置有电加热器。
3.根据权利要求1所述的一种激光器多温区精密控温系统，其特征是：所述的TEC半导体制冷模块的冷面对高精度温区热负载进行冷却和精密温控，高精度温区热负载的热量通过热面传递给高精度温区冷却器。
4.根据权利要求1所述的一种激光器多温区精密控温系统，其特征是：所述压缩机回路的蒸发温度等于高精度温区热负载的目标温度且不高于低精度温区热负载的目标温度。
5.一种激光器多温区精密控温系统的控制方法，其特征是：包括有以下步骤：
a.根据激光器总热负载情况以及温控要求，选择适当的压缩机单元；
b.根据激光器高精度温区热负载情况以及温控要求，选择适当的TEC半导体制冷模块；
c.系统启动后，根据半导体制冷模块热面和低精度温区热负载的温度情况控制压缩机的启停和制冷量以及电加热器的功率，通过调节压缩机制冷量将TEC半导体制冷模块热面的热量带走并将TEC半导体制冷模块热面温度控制在以高精度温区热负载控温要求的精度范围内，通过调节压缩机制冷量及电加热器功率将低精度温区热负载的温度控制在目标范围内；
d.系统启动后，根据高精度温区热负载的温度情况控制TEC半导体制冷模块的制冷量，将高精度温区热负载的废热带走并将其温度控制在要求的精度范围内，该步骤与步骤c同步进行。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征是：所述步骤c和步骤d中控制TEC半导体制冷模块制冷量的方法为PID控制或模糊控制。
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