CN101325307A - 用于高度紧凑激光束源的气体冷却型激光器件 - Google Patents

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Abstract

在空气冷却型激光器件(1)中，其具有消耗光学和消耗非光学部件(3，6)并具有导热材料、特别是金属的外壳壁(9，10)，所述外壳壁中的一个或多个设有通风道(15)，根据本发明，至少一个消耗部件、优选至少一个光学部件(3)和至少一个消耗非光学部件(6)，特别优选所有消耗部件(3，6)安装在导热材料、特别是金属的板(8)上，而板(8)以导热方式与设有通风道(15)的至少一个外壳壁(9，10)相连。

Description

用于高度紧凑激光束源的气体冷却型激光器件
技术领域
本发明涉及一种具有损耗型光学和损耗型非光学部件和具有导热材料的外壳壁的气体冷却型激光器件，所述导热材料特别是一种金属，在所述外壳壁中的一个或多个设置有通风通道。
背景技术
这种类型的空气冷却型激光器件例如从US 5901167中已经成为已知的。
在工业激光器材料加工的很多领域中，一直希望具有紧凑的激光器件，其中消耗的热量通过简单的气体或空气冷却来传递。与经常采用的水冷却相比，气体或空气冷却具有以下优点：大大减少了冷却电路中的部件数量，结果是，显著地减少了激光器件出现故障的风险。对于激光器件的激光束源，空气冷却对于消除潜在的水泄漏很重要，并且还提高了激光器件的可靠性。
在已知的水冷型激光器件中，激光束源位于激光头中，并且其电源单元位于分离的电源装置中，其中还设置中心冷却电路。激光头中消耗的功率与电源装置中产生的功率损耗一起通过水回路转移到冷却单元并在那里经热交换器传递给周围环境。在用于这种结构的水冷却中，通常只有一个部位进行热交换，即电源装置。由于水因其热容量而是相对好的热传递介质，因此可以非常有效地将热量从激光头传递出去并且其结构体积可以构成为相对紧凑。
与这种系统相比，通过气体或空气将热量从激光头对流传递出去基本上是无效的，尽管相对于其紧凑性而言其具有优点。在已知的空气冷却型激光设备中，通常使用具有高耐热传递性的常规的肋型金属冷却元件。这些冷却元件通常只有一个冷却表面和大的结构体积。然而，大的结构体积和用于安装这些冷却元件的受限选项限制了激光头的紧凑性且实质上限制了设计选项。一方面，使用商业上的冷却元件用于激光头通常抑制了冷却效率，另一方面抑制了紧凑性和设计自由度。
从开篇引证的US 5901167已知一种空气冷却型气体激光器件，其中光学和电子部件容纳在激光器件中的两个空间分离的、分开的外壳中。用于电子部件的电子外壳设置在用于光学部件的光学外壳上方。光学外壳和电子外壳具有横向水平的冷却肋。经风扇提供空气，空气在激光器件内、在用于光学外壳和电子外壳的两个分离冷却回路之间分开。一个冷却回路通过形成在电子外壳的横向冷却肋和激光器件的横向盖子之间的水平通风道引导，并且另一冷却回路通过形成在光学外壳的横向冷却肋和横向盖子之间的水平通风道引导。电子部件组装在由塑料制成的分离的薄电路板上的电子外壳内，尽管薄电路板附着到电子外壳上，其自身只传导少量热量。因此电子部件的热量主要经位于电子外壳中的空气传递给空气冷却型电子外壳。
此外，从US 2005/0123011A1中可知一种类似的空气冷却型气体激光器件，其中光学和电子外壳在设备中并排设置并彼此邻接。光学外壳和电子外壳具有横向水平的冷却肋。由风扇提供的空气流沿着激光器件的水平长轴流动，并取决于风扇方向首先穿过形成在电子外壳的横向冷却肋和激光器件的横向盖子之间的水平通风道，然后穿过形成在光学外壳的横向冷却肋和横向盖子之间的水平通风道，或者反之。
发明内容
本发明的目的在于通过至少IP-54级保护的简单实施设计用于开篇引证的这种气体冷却型激光器件的更有效的冷却，甚至得到更紧凑的结构。
根据本发明，这个目的是通过以下方式实现的，其中至少一个消耗部件，优选至少一个消耗光学部件和至少一个消耗光学部件，特别是所有消耗元件都安装在热传导材料的板上，所述材料特别是金属，该板与设有通风道的至少一个外壳壁按照导热方式连接。在操作时，通风道连接到风扇，风扇优选设置在激光器件中。
本发明的主要优点在于：激光束源的消耗光学元件，如Q-开关、激光晶体和束堆(dump)、以及激光束源的消耗电子功率部件都安装在同一板上，并且从这些消耗部件传递到该板中的热量经该板非常有效地向外传递到气体冷却外壳壁。这里，消耗元件可以只安装在板的一面或者安装在板的两面。
在本发明的优选实施例中，板按照导热方式附着到设有通风道的至少一个外壳壁上，特别是，它设置在设有通风道的两个外壳壁之间，并按照导热方式附着到它们上，从而从消耗部件传递到板中的热量被直接传递到气体冷却外壳壁中。
优选地，消耗光学部件和消耗非光学部件分别设置在板的不同面和/或分别在不同的隔间中，这些隔间设置在板的同一面上并由板限制。
在本发明的非常优选的实施例中，通风道在外壳壁内布置。这种外壳壁的内部引导空气冷却可以实现特别紧凑的结构，同时，实现保护的更高的IP等级，例如IP-54和更高，此外，实现了激光外壳中的均匀的温度分布。而且，按照这种方式装配的激光器件相对于改变的环境条件是稳定的，并且在很多取向可以直立。此外，通风道还可以设置在板内，它们同样可以连接到风扇。
如果通风道的几何形状形成为使得流过通风道的气体或空气在板的区域中达到其最大流速，以便将热量有效地传递到外部，则这是特别有利的。为此，通风道例如可以构成为文氏管(venturi nozzle)喷嘴的形式。气体或空气流可以被调整为薄片状或激流状。
板、特别是设有通风道的外壳壁在每种情况都可以是彼此连接在一起以形成外壳的分离壁，或者可以由单片金属制成。该板和彼此相对的两个壁(特别设有通风道)，可以有利地形成H或U形横截面。这种H形横截面结构例如可以由立方体铝制造，并在其彼此相对的两个面的每个中研磨较大的空腔。这里，一个空腔可以形成用于激光束源的光学部件(例如激光谐振器和束成形器)的光学隔间，并且另一空腔可以形成用于激光束源的电源单元的电源隔间。激光器件的所有消耗部件优选安装在公用于这个H形横截面结构的两个隔间的中心板上。H形横截面结构的其它优点是伴随这种形状的整个激光器外壳的抗扭刚度以及激光器外壳中的均匀温度分布。
附图说明
本发明的其它优点可以从权利要求、说明书文字说明和附图中提取出来。上述的和下面的特征可以单独使用或按照任意组合方式组合使用。所示和所述的实施例不应该被理解为对本发明的限制，而只是用于解释本发明。
图1示出从上面看到的盖上盖子(图1a)和除去盖子(图1b)的根据本发明的激光器件的透视图以及从底部看到的除去底座的激光器件的透视图(图1c)；
图2示意性地示出穿过图1的激光器件的长度方向截面；和
图3示出根据本发明的激光器件的另一实施例的类似于图2的视图。
具体实施方式
图1和2所示的激光器件1具有其中设置了激光束源4的所有光学部件3的下部光学隔间2、以及上部电源隔间5，在电源隔间5中设置了电源单元的所有电子功率部件6和/或用于激光束源4的控制单元(电子设备)7。在所示实施例中，激光束源4是二极管-泵送固态激光器(例如Nd:YAG或Nd:YVO4)，其光学部件3如具有输出镜、后部镜和设置在它们之间的激光晶体的激光谐振器，如果需要的话，Q开关、束堆和束成形器都设置在光学隔间2中。
光学隔间2和电源隔间5被公共阻隔壁(板)8彼此分开，阻隔壁8设置在光学隔间2和电源隔间5的两个侧壁9、10之间，并按照导热方式附着到它们上。在公共阻隔壁8的底面上至少安装激光束源4的所有消耗光学部件3，例如Q开关、激光晶体和束堆，并在上侧上至少安装所有消耗电子功率部件6，所述消耗电子功率部件中的每个与板8热接触。所有的光学和电子部件3、6优选安装在公共阻隔壁上。从消耗部件3、6传递到公共阻隔壁8中的热量(热流箭头11)经阻隔壁8非常有效地向外传导到空气或气体冷却侧壁9、10(热流箭头12)。公共阻隔壁8和侧壁9、10由导热材料制成，优选由金属如铝制成。
两个隔间2、5的公共阻隔壁8和侧壁9、10可以由一块金属制造，例如由立方体铝制成，其中从两个面的每一个研磨到其中成为较大的空腔，结果是这个被研磨的部分具有H形横截面，并将公共阻隔壁8作为中心板。下部空腔形成用于激光谐振器和束成形器的光学隔间2并用底板13关闭，而上部空腔形成用于电源和/或控制器件7的电源隔间5并用盖板14封闭。H形横截面的其它优点是伴随着这种形状的整个外壳的抗扭刚度。
在彼此相对的两个侧壁9、10内布置垂直通风道15，在每种情况下它们都由一系列连续的平行垂直孔形成。风扇16优选设计成放射状风扇，其位于盖板14中，该风扇虹吸空气或其它气体(空气/气体流箭头17)。两个侧壁9、10的每个的通风道15在每种情况下经过在盖板14中布置的并相对于通风道15成横向的并在向下方向打开的分布通道18连接到风扇16。被风扇16吸进的空气或气体经分布通道18被压到通风道15(空气/气体流箭头19)中，并在那里加热，最后经空气出口在侧壁9的下端流出。换言之，从两个隔间2、5传递到公共阻隔壁8的热量通过侧壁9、10中的内部引导的空气冷却被散掉。对于最佳热传导，公共阻隔壁8应该几乎与光学隔间2和电源隔间5的设有通风道15的侧壁9、10一样厚。
如图1所示，激光器件1也具有用于聚焦和/或偏转在光学隔间2中产生的并经输出镜从光学隔间2去耦合的激光束的光学附加部件(opticalattachment)20。
如图2中的虚线所示，电源隔间5例如可由阻隔壁21分割成至少两个分离的隔间5a、5b。
图3中所示的激光器件1不同于图1和2的激光器件之处只在于：这里公共阻隔壁8和设有通风道15的两个侧壁9、10形成U形横截面。这种U形横截面结构可以由一块金属制造，例如由立方体铝构成，并且从一面在其中研磨了较大的空腔，结果是这个被研磨的部分具有U形横截面，并将公共阻隔壁8作为底板。所有消耗光学和电子部件3、6都设置在公共阻隔壁8的内侧上，特别是在公共隔间22中，或者如虚线所示，每个处于分离隔间2、5中，分离隔间2、5被阻隔壁21彼此分离.
总之，根据本发明的激光器件具有带有整体空气或气体冷却系统的紧凑外壳，允许对激光器件进行冷却而与取向无关，这实现了至少保护的IP-54等级的简单实施，在激光外壳中产生均匀的温度分布，并使激光器件对变化环境条件如环境温度、湿度和对流等不敏感。这对于工业激光器件是非常重要的，因为实际激光束源通过整体空气冷却系统从热环境影响去耦合，如谐振器板的热变形。因此，即使不同的环境条件，激光器件的规定激光器参数可以保持不变。相应地，激光器件的外壳是多功能的，因为它同时也使冷却元件、用于各种光学和电子部件的附着平台，并提供外壳的内部和环境条件之间的边界。

Claims (13)

1、一种气体冷却型激光器件(1)，其具有消耗部件、特别是消耗光学和消耗非光学部件(3，6)并具有导热材料、特别是金属的外壳壁(9，10)，所述外壳壁中的一个或多个设有通风道(15)，其特征在于：至少一个消耗部件，优选至少一个消耗光学部件(3)和至少一个消耗非光学部件(6)，特别优选所有消耗元件(3，6)都安装在导热材料的板(8)上，所述导热材料特别是金属，该板与设有通风道(15)的至少一个外壳壁(9，10)以导热方式连接。
2、根据权利要求1所述的气体冷却型激光器件，其特征在于所述消耗元件(3，6)安装在所述板(8)的仅仅一面或两面上。
3、根据权利要求1或2所述的气体冷却型激光器件，其特征在于所述板(8)与设有通风道(15)的至少一个外壳壁(9，10)以导热方式连接，特别是其被设置在具有通风道(15)的两个外壳壁(9，10)之间并以导热方式与这两个壁连接。
4、根据前述任一权利要求所述的气体冷却型激光器件，其特征在于在所述板(8)的一面或者在所述板(8)的两面分别设置一个或多个隔间(2，5，5a，5b，22)，这些隔间由所述板(8)来限定。
5、根据前述任一权利要求所述的气体冷却型激光器件，其特征在于消耗光学部件(3)和消耗非光学部件(6)分别设置在所述板(8)的不同面上或者分别设置在不同隔间(2，5，5a，5b)中。
6、根据前述任一权利要求所述的气体冷却型激光器件，其特征在于所述通风道(15)设置在所述外壳壁(9，10)内。
7、根据前述任一权利要求所述的气体冷却型激光器件，其特征在于外壳壁(9，10)的通风道(15)在每种情况下都由一系列平行通道形成。
8、根据前述任一权利要求所述的气体冷却型激光器件，其特征在于将所述通风道(15)的几何形状形成为使得通过它们的气流在所述板(8)的区域中达到其最大流速。
9、根据前述任一权利要求所述的气体冷却型激光器件，其特征在于所述板(8)和设有通风道(15)的一个或多个外壳壁(9，10)用材料装配件连接在一起，特别是它们由一块材料制造。
10、根据前述任一权利要求所述的气体冷却型激光器件，其特征在于所述板(8)和彼此相对的、特别是设有通风道(15)的两个外壳壁(9，10)形成H或U形横截面。
11、根据前述任一权利要求所述的气体冷却型激光器件，其特征在于所述板(8)至少与设有通风道(15)的外壳壁(9，10)一样厚。
12、根据前述任一权利要求所述的气体冷却型激光器件，其特征在于每个外壳壁(9，10)的通风道(15)在每种情况下经至少一个分布通道(18)连接到风扇(16)，所述分布通道(18)横向运行到所述通风道(15)。
13、根据前述任一权利要求所述的气体冷却型激光器件，其特征在于所述通风道(15)所连接到的风扇(16)。
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