激光器循环冷却系统及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种激光器循环冷却系统及其控制方法，该系统包括低温制冷系统、相变蓄冷回路系统、单相蓄冷回路系统和控制系统；控制系统分别连接所述低温制冷系统、相变蓄冷回路系统以及单相蓄冷回路系统；所述低温制冷系统包括压缩机和冷凝器，所述压缩机出口连接所述冷凝器入口，所述冷凝器出口分别连接第一电磁阀和第二电磁阀；所述第一电磁阀出口连接所述相变蓄冷回路系统；所述第二电磁阀出口连接所述单相蓄冷回路系统。本发明由于相变蓄冷回路系统中采用相变材料潜热吸收激光器光学模块废热的方式，在工作过程中无动力消耗，降低了循环冷却系统整体在线运行功耗。
【专利说明】
激光器循环冷却系统及其控制方法
技术领域
[0001]本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种激光器循环冷却系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002]光纤激光器具有转换效率高、光束质量好等特点，在激光加工、通信、医疗和国防等领域都具有重要的应用。近年来，尽管单根光纤激光的功率水平不断提升，但由于热损伤、非线性效应和热透镜效应等各种因素的制约，单根光纤激光器的功率输出必然存在一定极限，此时，多路光纤激光相干、非相干或者合束等方式将是发展低成本、高功率激光输出的重要技术途径。光纤激光器的功率水平一旦达到千瓦级水平，其热管理必须采取液冷的方式，然而，传统的实时液冷系统，其装置体积和重量规模较大、功耗较高，不利于工程实际应用。此外，对于多路光纤激光合束系统而言，其光学模块需要较高的温控精度要求;而驱动电源和准直器的散热没有温控精度要求，但需要采取特殊的防凝露设计，对此传统的循环冷却系统并不能够解决多温区激光器的温控问题。
【发明内容】
[0003]本发明克服了现有技术的不足，提供一种激光器循环冷却系统及其控制方法。
[0004]为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案:
[0005]—种激光器循环冷却系统，它包括低温制冷系统、相变蓄冷回路系统、单相蓄冷回路系统和控制系统;控制系统分别连接所述低温制冷系统、相变蓄冷回路系统以及单相蓄冷回路系统;所述低温制冷系统包括压缩机和冷凝器，所述压缩机出口连接所述冷凝器入口，所述冷凝器出口分别连接第一电磁阀和第二电磁阀；所述第一电磁阀出口连接所述相变蓄冷回路系统;所述第二电磁阀出口连接所述单相蓄冷回路系统。
[0006]更进一步的技术方案是相变蓄冷回路系统包括:顺序连接的三通合流阀、相变蓄冷回路加热元件、缓冲罐、相变蓄冷回路循环栗、光学模块热负载和相变蓄冷器;所述三通合流阀的第一端与相变蓄冷回路加热元件连接，第二端与光学模块热负载出口以及相变蓄冷器第二入口连接，第三端与相变蓄冷器第二出口连接;所述相变蓄冷器第一入口连接所述第一电磁阀出口。
[0007]更进一步的技术方案是相变蓄冷回路系统还包括相变蓄冷回路旁通调节阀，所述变蓄冷回路旁通调节阀一端与所述相变蓄冷回路循环栗出口以及光学模块热负载入口连接，所述变蓄冷回路旁通调节阀另一端与所述光学模块热负载出口、三通合流阀第二端以及相变蓄冷器第二入口连接。
[0008]更进一步的技术方案是单相蓄冷回路系统包括储液罐、单相蓄冷回路加热元件、单相蓄冷回路循环栗、驱动电源热负载、准直器热负载;所述储液罐第一入口连接所述第二电磁阀出口，所述储液罐第一出口连接所述压缩机，所述储液罐第二入口分别与驱动电源热负载出口、准直器热负载出口连接;所述储液罐第二出口连接所述单相蓄冷回路加热元件入口，所述单相蓄冷回路加热元件出口连接单相蓄冷回路循环栗入口，所述单相蓄冷回路循环栗出口分别与所述驱动电源热负载入口、准直器热负载入口连接。
[0009]更进一步的技术方案是单相蓄冷回路系统还包括单相蓄冷回路旁通调节阀，所述单相蓄冷回路旁通调节阀一端分别与所述单相蓄冷回路循环栗出口、驱动电源热负载入口、准直器热负载入口连接;所述单相蓄冷回路旁通调节阀另一端分别与所述储液罐第二入口、驱动电源热负载出口、准直器热负载出口连接。
[0010]更进一步的技术方案是相变蓄冷器内填充有相变储能材料。
[0011 ]更进一步的技术方案是三通合流阀为电动执行三通合流阀。
[0012]更进一步的技术方案是相变蓄冷回路系统和单相蓄冷回路系统共用一套低温制冷系统。
[0013]更进一步的技术方案是提供一种激光器循环冷却系统控制方法，所述的控制方法包括以下步骤:
[0014]步骤(I)、控制系统根据相变蓄冷器内的相变材料温度和储液罐中的冷却液温度状态判断是否需要开启低温制冷系统对相变蓄冷器和储液罐进行制冷;若相变材料温度高于设定值则执行步骤(2);若储液罐中冷却液温度不在设定范围则执行步骤(3);
[0015]步骤(2)、控制系统开启低温制冷系统中的压缩机和第一电磁阀，直至相变材料温度低于设定值后关闭第一电磁阀；
[0016]步骤(3)、保持单相蓄冷回路系统中的单相蓄冷回路循环栗开启，若储液罐中冷却液温度高于设定温度范围上限阈值，控制系统开启低温制冷系统中的压缩机和第二电磁阀，直至储液罐中的冷却液温度低于设定值后关闭第二电磁阀；若储液罐中冷却液温度低于设定温度范围下限阈值，控制系统开启单相回路系统加热元件，直至储液罐中冷却液温度达到设定值后关闭单相回路系统加热元件。
[0017]步骤(4)、在完成步骤(I)后，控制系统根据进入光学模块热负载的冷却液温度状态进行判断，若进入光学模块热负载的冷却液温度不在设定范围则执行步骤(5);
[0018]步骤(5)、若进入光学模块热负载的冷却液温度高于设定温度范围上限阈值，控制系统开启相变蓄冷回路系统的相变蓄冷回路循环栗，并实时调节三通合流阀开度，直至进入光学模块热负载的冷却液温度低于设定值;若进入光学模块热负载的冷却液温度低于设定温度范围下限阈值，控制系统开启相变蓄冷回路系统中相变蓄冷回路循环栗和相变蓄冷回路加热元件，直至储液罐中冷却液温度达到设定值后关闭单相蓄冷回路加热元件。
[0019]更进一步的技术方案是控制系统采用PID控制方式对相变蓄冷回路系统中三通合流阀的开度进行调节。
[0020]与现有技术相比，本发明的有益效果是:本发明由于相变蓄冷回路系统中采用相变材料潜热吸收激光器光学模块废热的方式，在工作过程中无动力消耗，降低了循环冷却系统整体在线运行功耗。与传统的流体显热吸收废热方式相比，大幅度减小了系统体积规模和重量，从而能够灵活地应用于不同机动平台；PID实时调节三通合流阀开度方式能够实现光学模块高精度温度控制需求。在单相蓄冷回路系统中可以方便地根据环境湿度对应的露点温度设定储液罐中的冷却液工作温度，以避免在激光器工作过程中驱动电源电路板和准直器的冷凝结露问题，提高了循环冷却系统的可靠性和安全性。本方案针对高功率激光器特点，对不同模块采取不同温控方式，有效解决多温区激光器散热问题，具有扩展性好、结构紧凑、体积小、重量轻和功耗低的显著优点。
【附图说明】
[0021]图1为本发明一个实施例激光器循环冷却系统结构原理示意图。
[0022]附图标记说明:I低温制冷系统，2相变蓄冷回路系统，3单相蓄冷回路系统，4三通合流阀，5相变蓄冷回路加热元件，6缓冲罐，7相变蓄冷回路循环栗，8相变蓄冷回路旁通调节阀，9光学模块热负载，10相变蓄冷器，11单相蓄冷回路加热元件，12单相蓄冷回路循环栗，13单相蓄冷回路旁通调节阀，14驱动电源热负载，15准直器热负载，16储液罐，17冷凝器，18第一电磁阀，19第二电磁阀，20压缩机
【具体实施方式】
[0023]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。
[0024]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。
[0025]下面结合附图及实施例对本发明的【具体实施方式】进行详细描述。
[0026]实施例1
[0027]如图1所示，根据本发明的一个实施例，本实施例激光器循环冷却系统，它包括低温制冷系统1、相变蓄冷回路系统2、单相蓄冷回路系统3和控制系统;控制系统分别连接所述低温制冷系统、相变蓄冷回路系统以及单相蓄冷回路系统;具体的，低温制冷系统包括压缩机20和冷凝器17，压缩机出口连接冷凝器入口，所述冷凝器出口分别连接第一电磁阀18和第二电磁阀19。优选的，变蓄冷回路系统和单相蓄冷回路系统共用一套低温制冷系统。
[0028]具体的，相变蓄冷回路系统包括:顺序连接的三通合流阀4、相变蓄冷回路加热元件5、缓冲罐6、相变蓄冷回路循环栗7、相变蓄冷回路旁通调节阀8、光学模块热负载9和相变蓄冷器10;优选的，相变蓄冷器内填充有相变储能材料。优选的，三通合流阀为电动执行三通合流阀。所述三通合流阀的第一端与相变蓄冷回路加热元件连接，第二端与光学模块热负载出口以及相变蓄冷器第二入口连接，第三端与相变蓄冷器第二出口连接;所述相变蓄冷器第一入口连接所述第一电磁阀出口。相变蓄冷器第一出口连接第二电磁阀出口。所述变蓄冷回路旁通调节阀一端与所述相变蓄冷回路循环栗出口以及光学模块热负载入口连接，所述变蓄冷回路旁通调节阀另一端与所述光学模块热负载出口、三通合流阀第二端以及相变蓄冷器第二入口连接。
[0029]进一步的，单相蓄冷回路系统包括储液罐16、单相蓄冷回路加热元件11、单相蓄冷回路循环栗12、单相蓄冷回路旁通调节阀13、驱动电源热负载14、准直器热负载15;所述储液罐第一入口连接所述第二电磁阀出口，所述储液罐第一出口连接所述压缩机，所述储液罐第二入口分别与驱动电源热负载出口、准直器热负载出口连接;所述储液罐第二出口连接所述单相蓄冷回路加热元件入口，所述单相蓄冷回路加热元件出口连接单相蓄冷回路循环栗入口，所述单相蓄冷回路循环栗出口分别与所述驱动电源热负载入口、准直器热负载入口连接。单相蓄冷回路旁通调节阀一端分别与所述单相蓄冷回路循环栗出口、驱动电源热负载入口、准直器热负载入口连接;所述单相蓄冷回路旁通调节阀的另一端分别与所述储液罐第二入口、驱动电源热负载出口、准直器热负载出口连接。
[0030]本实施例能够有效解决传统循环冷却系统弊端，本实施例可适用于不同功率的多温区激光器散热需求，具有扩展性好、结构紧凑、体积小、重量轻和功耗低的显著优点，特别适用于应用环境要求较为苛刻的运行平台。
[0031]实施例2
[0032]根据本发明的另一个实施例，本实施例公开一种激光器循环冷却系统控制方法，具体的，该控制方法包括以下步骤:
[0033]步骤(I)、控制系统根据相变蓄冷器内的相变材料温度和储液罐中的冷却液温度状态判断是否需要开启低温制冷系统对相变蓄冷器和储液罐进行制冷;若相变材料温度高于设定值则执行步骤(2);若储液罐中冷却液温度不在设定范围则执行步骤(3);
[0034]步骤(2)、控制系统开启低温制冷系统中的压缩机和第一电磁阀，直至相变材料温度低于设定值后关闭第一电磁阀；
[0035]步骤(3)、保持单相蓄冷回路系统中的单相蓄冷回路循环栗开启，若储液罐中冷却液温度高于设定温度范围上限阈值，控制系统开启低温制冷系统中的压缩机和第二电磁阀，直至储液罐中的冷却液温度低于设定值后关闭第二电磁阀；若储液罐中冷却液温度低于设定温度范围下限阈值，控制系统开启单相回路系统加热元件，直至储液罐中冷却液温度达到设定值后关闭单相回路系统加热元件。
[0036]步骤(4)、在完成步骤(I)后，控制系统根据进入光学模块热负载的冷却液温度状态进行判断，若进入光学模块热负载的冷却液温度不在设定范围则执行步骤(5);
[0037]步骤(5)、若进入光学模块热负载的冷却液温度高于设定温度范围上限阈值，控制系统开启相变蓄冷回路系统的相变蓄冷回路循环栗，并实时调节三通合流阀开度，直至进入光学模块热负载的冷却液温度低于设定值;若进入光学模块热负载的冷却液温度低于设定温度范围下限阈值，控制系统开启相变蓄冷回路系统中相变蓄冷回路循环栗和相变蓄冷回路加热元件，直至储液罐中冷却液温度达到设定值后关闭单相蓄冷回路加热元件。
[0038]优选的是，本实施例中控制系统采用PID控制方式对相变蓄冷回路系统中三通合流阀的开度进行调节。本实施例中PID实时调节三通合流阀开度方式能够实现光学模块高精度温度控制需求。在单相蓄冷回路系统中可以方便地根据环境湿度对应的露点温度设定储液罐中的冷却液工作温度，以避免在激光器工作过程中驱动电源电路板和准直器的冷凝结露问题，提高了循环冷却系统的可靠性和安全性。
[0039]在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一个实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。
[0040]尽管这里参照发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。
【主权项】
1.一种激光器循环冷却系统，它包括低温制冷系统、相变蓄冷回路系统、单相蓄冷回路系统和控制系统;其特征在于:控制系统分别连接所述低温制冷系统、相变蓄冷回路系统以及单相蓄冷回路系统;所述低温制冷系统包括压缩机和冷凝器，所述压缩机出口连接所述冷凝器入口，所述冷凝器出口分别连接第一电磁阀和第二电磁阀；所述第一电磁阀出口连接所述相变蓄冷回路系统;所述第二电磁阀出口连接所述单相蓄冷回路系统。2.根据权利要求1所述的激光器循环冷却系统，其特征在于所述的相变蓄冷回路系统包括:顺序连接的三通合流阀、相变蓄冷回路加热元件、缓冲罐、相变蓄冷回路循环栗、光学模块热负载和相变蓄冷器;所述三通合流阀的第一端与相变蓄冷回路加热元件连接，第二端与光学模块热负载出口以及相变蓄冷器第二入口连接，第三端与相变蓄冷器第二出口连接;所述相变蓄冷器第一入口连接所述第一电磁阀出口。3.根据权利要求2所述的激光器循环冷却系统，其特征在于所述的相变蓄冷回路系统还包括相变蓄冷回路旁通调节阀，所述变蓄冷回路旁通调节阀一端与所述相变蓄冷回路循环栗出口以及光学模块热负载入口连接，所述变蓄冷回路旁通调节阀另一端与所述光学模块热负载出口、三通合流阀第二端以及相变蓄冷器第二入口连接。4.根据权利要求1所述的激光器循环冷却系统，其特征在于所述的单相蓄冷回路系统包括储液罐、单相蓄冷回路加热元件、单相蓄冷回路循环栗、驱动电源热负载、准直器热负载;所述储液罐第一入口连接所述第二电磁阀出口，所述储液罐第一出口连接所述压缩机，所述储液罐第二入口分别与驱动电源热负载出口、准直器热负载出口连接;所述储液罐第二出口连接所述单相蓄冷回路加热元件入口，所述单相蓄冷回路加热元件出口连接单相蓄冷回路循环栗入口，所述单相蓄冷回路循环栗出口分别与所述驱动电源热负载入口、准直器热负载入口连接。5.根据权利要求4所述的激光器循环冷却系统，其特征在于所述的单相蓄冷回路系统还包括单相蓄冷回路旁通调节阀，所述单相蓄冷回路旁通调节阀一端分别与所述单相蓄冷回路循环栗出口、驱动电源热负载入口、准直器热负载入口连接;所述单相蓄冷回路旁通调节阀另一端分别与所述储液罐第二入口、驱动电源热负载出口、准直器热负载出口连接。6.根据权利要求2所述的激光器循环冷却系统，其特征在于所述的相变蓄冷器内填充有相变储能材料。7.根据权利要求2所述的激光器循环冷却系统，其特征在于所述的三通合流阀为电动执行三通合流阀。8.根据权利要求1所述的激光器循环冷却系统，其特征在于所述的相变蓄冷回路系统和单相蓄冷回路系统共用一套低温制冷系统。9.一种激光器循环冷却系统控制方法，其特征在于，所述的控制方法包括以下步骤: 步骤(I)、控制系统根据相变蓄冷器内的相变材料温度和储液罐中的冷却液温度状态判断是否需要开启低温制冷系统对相变蓄冷器和储液罐进行制冷;若相变材料温度高于设定值则执行步骤(2);若储液罐中冷却液温度不在设定范围则执行步骤(3); 步骤(2)、控制系统开启低温制冷系统中的压缩机和第一电磁阀，直至相变材料温度低于设定值后关闭第一电磁阀； 步骤(3)、保持单相蓄冷回路系统中的单相蓄冷回路循环栗开启，若储液罐中冷却液温度高于设定温度范围上限阈值，控制系统开启低温制冷系统中的压缩机和第二电磁阀，直至储液罐中的冷却液温度低于设定值后关闭第二电磁阀;若储液罐中冷却液温度低于设定温度范围下限阈值，控制系统开启单相回路系统加热元件，直至储液罐中冷却液温度达到设定值后关闭单相回路系统加热元件。 步骤(4)、在完成步骤(I)后，控制系统根据进入光学模块热负载的冷却液温度状态进行判断，若进入光学模块热负载的冷却液温度不在设定范围则执行步骤(5); 步骤(5)、若进入光学模块热负载的冷却液温度高于设定温度范围上限阈值，控制系统开启相变蓄冷回路系统的相变蓄冷回路循环栗，并实时调节三通合流阀开度，直至进入光学模块热负载的冷却液温度低于设定值;若进入光学模块热负载的冷却液温度低于设定温度范围下限阈值，控制系统开启相变蓄冷回路系统中相变蓄冷回路循环栗和相变蓄冷回路加热元件，直至储液罐中冷却液温度达到设定值后关闭单相蓄冷回路加热元件。10.根据权利要求9所述的激光器循环冷却系统控制方法，其特征在于，所述的控制系统采用PID控制方式对相变蓄冷回路系统中三通合流阀的开度进行调节。
【文档编号】H01S3/042GK105870764SQ201510801675
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2015年11月19日
【发明人】杨波, 刘军, 王永振, 闫峰, 王姣, 袁晓蓉, 王楚
【申请人】中国工程物理研究院应用电子学研究所, 中国久远高新技术装备公司