CN101494352A - 全固态激光器水、风混合制冷方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全固态激光器水、风混合制冷方法及装置，该装置包括水冷却部件、风冷却部件和温度/电源控制电路，其中水冷却部件利用冷却水对激光晶体或非线性光学晶体直接制冷，温度/电源控制电路实时监测和控制冷却水温度，并控制风冷却部件对冷却水实施制冷。本发明具有水冷系统的温度控制精度高、制冷效果好的优点，又具有风冷系统的体积小、结构紧凑、易操作、成本低等优点，可广泛应用于高、中、低不同输出功率、不同波长的全固态激光器的冷却。

Description

全固态激光器水、风混合制冷方法及装置

技术领域

本发明涉及全固态激光器冷却技术，特别涉及一种综合了水冷却技术和风冷却技术各自优点，适用于高、中、低不同输出功率、不同波长的全固态激光器的水、风混合制冷方法及装置。

背景技术

近年来，全固态激光器以其可输出激光波长范围广、输出功率高、稳定性好、光束质量好、绿色环保等优点，倍受青睐，国内外发展十分迅速。目前，全固态激光器的冷却方式分为传统的水冷却和风冷却两种。传统的水冷却方式的优点是温度控制精度高(温控精度±0.1℃)、能够达到高输出功率激光器制冷量的要求，但是存在需要使用高耗能(500-5000瓦)的压缩机、水冷箱体积庞大(0.1-1.5立方米)、笨重(20-100公斤)、功耗高、价格昂贵(5000-30000元人民币)、噪音大、结构复杂等缺点，不利于便携移动尤其是无法满足军事快速、灵活作战的后勤保障要求；传统的风冷却方式的优点是体积小(0.008-0.012立方米)、功耗低(100-200瓦)、重量轻(2-5公斤)、成本低(200-500元)、易操作、无噪音、无需液态冷却液等优点，但是存在温度控制精度差(温控精度±3-5℃)、不能满足高质量、高输出功率技术要求等缺点。以传统风冷为冷却方式的全固态激光器，虽然系统简单灵活、成本低、移动方便，但是温度控制的稳定性差，不能满足中高功率、高光束质量、高稳定性的激光输出要求，因此极大的限制了全固态激光器的应用范围。

发明内容

本发明目的是提供一种适用于全固态激光器的紧凑型水、风混合制冷装置，以克服现有全固态激光器单独使用水冷却方式或风冷却方式所出现的不足。

本发明另一目的是提供一种水、风混合制冷方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种全固态激光器水、风混合制冷方法，包括如下步骤：设定温度\电源控制电路的标定温度，通过TEC半导体致冷模块对冷却水制冷，达到标定温度的冷却水再对激光晶体或非线性光学晶体实施冷却。风冷却部件利用水冷却部件的循环水将激光晶体或非线性光学晶体(11)产生的热量吸收后传递至小型水箱(1)；在温度\电源控制电路的实时监测和控制下，风冷却部件对小型水箱(1)中的冷却水实施精密温度控制下的风冷却，最终将激光晶体或非线性光学晶体(11)产生的大量热量传递到外部空气中，从而完成对全固态激光器的水、风混合制冷过程。

当冷却水实际温度过高或者过低时，温度\电源控制电路改变TEC半导体致冷模块驱动直流电源的极性，使TEC半导体致冷模块对水实现致冷或加热，同时散热片将TEC半导体致冷模块的制热面产生的热量传递至空气中，并利用小型风扇加速散热片的散热，使实际温度水温与标定水温相一致，温控精度为±0.1℃。

一种全固态激光器水、风混合制冷装置，包括水冷却部件、风冷却部件和温度\电源控制电路，其中水冷却部件利用冷却水对激光晶体或非线性光学晶体直接制冷，温度\电源控制电路实时监测和控制冷却水温度，并控制风冷却部件对冷却水实施制冷，所述的冷却水为无固体沉淀物的液态水。

水冷却部件由激光晶体\非线性光学晶体(11)、水管(9)、小型水泵(14)、小型水箱(1)连接构成，利用在其内部循环、且达到标定温度的冷却水对激光晶体\非线性光学晶体(11)实施水冷却。

风冷却部件由TEC半导体致冷模块(2)、散热片(3)、小型风扇(4)、温度传感器(5)连接构成。TEC半导体致冷模块(2)衔接小型水箱(1)和散热片(3)，TEC半导体致冷模块(2)的制冷面与小型水箱(1)的水平面紧密结合，同时其制热面与散热片(3)的水平面紧密结合。当吸收了由激光晶体\非线性光学晶体(11)产生大量热量的冷却水的温度超过标定温度时的，TEC半导体致冷模块(2)开始工作，其制冷面快速冷却小型水箱(1)中的冷却水，同时散热片(3)将TEC半导体致冷模块(2)的制热面产生的热量传递至空气中，并利用小型风扇(4)加速散热片(3)的散热，直至小型水箱(1)中的冷却水温度达到标定温度，TEC半导体致冷模块(2)停止工作。

TEC半导体致冷模块(2)设置于小型水箱(1)与散热片(3)之间，小型水箱(1)中的冷却水的标定温度通过温度传感器(5)由电源控制电路(7)实施预先设定，冷却水的实时温度通过温度传感器(5)由温度\电源控制电路(7)实施监测，温度\电源控制电路(7)显示冷却水的实际温度和标定温度。

所述的TEC半导体致冷模块(2)单个体积为40×40×4mm³，额定电压为14V，额定制冷功率为72W，冷热面最大温差60℃，多个TEC半导体致冷模块(2)彼此之间通过串联的方式，由温度\电源控制电路(7)输出的直流电源驱动。

温度设定\电源控制部件由温度\电源控制电路(7)、温度传感器(5)、电源数据线(6)构成。小型水箱(1)中的冷却水的标定温度通过温度传感器(5)由温度\电源控制电路(7)实施预先设定；温度\电源控制电路(7)通过电源数据线(6)与温度传感器(5)连接，以实施监测小型水箱(1)中冷却水的温度，并控制TEC半导体致冷模块(2)的工作状态(开始和停止)、工作电流大小和制冷时间长短；通过温度\电源控制电路(7)可以显示冷却水实际温度和标定温度，标定温度可以设置在16-28℃范围之内。

通过改变小型水箱(1)的容积、散热片的有效散热面积、TEC半导体致冷模块(2)的数量、小型水泵(14)的抽运功率，可以对高、中、低不同输出功率级别的全固态激光器实施有效的风、水混合冷却。

本发明的突出技术特征及优点为：(1)在温度设定\电源控制部件的精密监测和控制下，采用TEC半导体模块对水快速风冷却、再利用达到标定温度的冷却水对激光晶体或非线性光学晶体实施冷却的水、风混合制冷模式，取代了利用TEC半导体模块直接对激光晶体或非线性光学晶体实施冷却的传统风冷却模式和利用在大型压缩机制冷下的冷却水对激光晶体或非线性光学晶体实施冷却的传统水冷却模式；(2)本发明利用小型的风冷却部件代替传统水冷却系统中的大型制冷压缩机对冷却水实施高效、快速冷却。与采用传统水冷却模式的激光器相比，采用本发明的激光器整体结构更加紧凑，体积更小、功耗更低、冷却水更少；(3)本发明采用水、风混合制冷模式，先利用风冷却部件对冷却水实施制冷，再利用达到标定温度的冷却水直接对激光晶体或非线性光学晶体实施冷却。与采用传统风冷却模式的激光器相比，由于水的比热容最大，在同样受热或冷却的情况下，水温变化最小，散热却是最好的，故采用本发明的激光器中激光晶体或非线性光学晶体表面的散热效率高，散热均匀，温度变化小，有效的降低了激光晶体或非线性光学晶体的热效应，较大的提高了其激光振荡转换效率、非线性转换效率及其使用寿命，制冷效果、温度控制精度等技术指标则达到了采用传统水冷却模式的激光器技术水平；(4)整个水、风混合制冷系统具有温控精度高(±0.1℃)、体积小(0.01-0.015立方米)、功耗低(100-500瓦)、重量轻(3-5公斤)、成本低(400-1000元)、易操作、无噪音、冷缺水需要量小(0.01-0.1立方米)等优点；(5)本发明专利兼有水冷、风冷的优点，即具有水冷系统的温度控制精度高、制冷效果好的优点，又具有风冷系统的体积小、结构紧凑、易操作、成本低等优点，可广泛应用于高、中、低不同输出功率、不同波长的全固态激光器的冷却；(6)采用本发明的激光器具有输出功率高、光束质量好、转换效率高、结构紧凑、操作简单、携带方便、价格低廉，在激光医疗、激光工业应用、激光军事作战、激光信息产业等领域应用性强等优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明的内容作进一步详细说明。

将激光晶体\非线性光学晶体(11)、小型水泵(14)、矩形小型水箱(1)依次通过耐压水管(9)连接起来，由小型水泵(14)抽运循环构成一个冷却水循环系统。利用在其内部循环、且达到标定温度的冷却水对激光晶体\非线性光学晶体(11)实施水冷却，无沉淀沙粒的液态水即可作为冷却水使用；

通过加涂优质导热硅脂，使TEC半导体致冷模块(2)的制冷面与小型水箱(1)的水平面紧密结合，TEC半导体致冷模块(2)的制热面与散热片(3)的水平面紧密结合，并用绝热尼龙螺丝固定，防治TEC半导体致冷模块(2)的制冷面与制热面直接导热。同时利用小型风扇(4)加速散热片(3)的散热，以保证气流高速、均匀、流畅的流动。

小型水箱(1)中的冷却水的标定温度通过温度传感器(5)由温度\电源控制电路(7)实施预先设定；温度\电源控制电路(7)通过电源数据线(6)与温度传感器(5)连接，以实施监测矩形小型水箱(1)中冷却水的温度，并控制TEC半导体致冷模块(2)的工作状态、工作电流大小和制冷时间长短；通过温度\电源控制电路(7)，可以显示冷却水实际温度和标定温度，标定温度可以设置在16-28℃范围之内。

本装置使用的TEC半导体致冷模块(2)单个体积为40×40×40mm³，额定电压为14V，额定制冷功率为72W，冷热面最大温差可达60℃以上，数量为2-10个；多个TEC半导体致冷模块(2)的制冷面、制热面朝向一致，彼此之间通过串联的方式，由同一温度\电源控制电路(7)输出的直流电源驱动。当实际冷却水温度过高或者过低时，温度\电源控制电路(7)改变TEC半导体致冷模块(2)驱动直流电源的极性，使TEC半导体致冷模块(2)与对小型水箱(1)相接触的面可实现致冷和加热两种功能

通过适当的增大小型水箱(1)的容积、增大散热片的有效散热面积、增加TEC半导体致冷模块(2)的数量、提高小型水泵(14)的抽运功率等方法，可以对高、中、低不同输出功率级别的全固态激光器实施有效的风、水混合冷却。

工作过程：全固态激光器产生激光振荡时，激光晶体或非线性光学晶体(11)的热效应产生的大量热量被循环冷却水吸收。当冷却水温度超过标定温度时，在温度\电源控制电路的实时监测和控制下，TEC半导体致冷模块(2)开始工作，与小型水箱(1)紧密接触的TEC半导体致冷模块(2)的制冷面开始对小型水箱(1)实施冷却(即对冷却水实施冷却)，同时散热片(3)将TEC半导体致冷模块(2)的制热面产生的热量传递至空气中，并利用小型风扇(4)加速散热片(3)的散热，直至小型水箱(1)中冷却水的温度达到标定温度，TEC半导体致冷模块(2)即立刻停止工作；达到标定温度的冷却水在小型水泵的抽运下，从小型水箱(1)经小型水泵(14)快速回流到激光晶体或非线性光学晶体(11)表面，并对其实施水冷却。上述整个过程即为在温度设定\电源控制部件的精密监测和控制下，采用TEC半导体模块(2)对水快速风冷却、再利用达到标定温度的冷却水对激光晶体或非线性光学晶体(11)实施冷却的水、风混合制冷过程，温度控制精度在标定温度16-28℃范围内，可以达到±0.1℃。

Claims (9)

1、一种全固态激光器水、风混合制冷方法，其特征在于包括如下步骤：设定温度\电源控制电路的标定温度，通过TEC半导体致冷模块对冷却水制冷，达到标定温度的冷却水再对激光晶体或非线性光学晶体实施冷却。

2、根据权利要求1所述的全固态激光器水、风混合制冷方法，其特征在于：当冷却水实际温度过高或者过低时，温度\电源控制电路改变TEC半导体致冷模块驱动直流电源的极性，使TEC半导体致冷模块对水实现致冷或加热，同时散热片将TEC半导体致冷模块产生的热量传递至空气中，并利用小型风扇加速散热片的散热，使实际水温与标定水温相一致，温控精度为±0.1℃。

3、一种全固态激光器水、风混合制冷装置，其特征在于：包括水冷却部件、风冷却部件和温度\电源控制电路，其中水冷却部件利用冷却水对激光晶体或非线性光学晶体直接制冷，温度\电源控制电路实时监测和控制冷却水温度，并控制风冷却部件对冷却水实施制冷。

4、根据权利要求3所述的全固态激光器水、风混合制冷装置，其特征在于：水冷却部件由激光晶体\非线性光学晶体(11)、水管(9)、小型水泵(14)、小型水箱(1)连接构成。

5、根据权利要求3所述的全固态激光器水、风混合制冷装置，其特征在于：风冷却部件由TEC半导体致冷模块(2)、散热片(3)、小型风扇(4)、温度传感器(5)连接构成。

6、根据权利要求3所述的全固态激光器水、风混合制冷装置，其特征在于：所述的冷却水为无固体沉淀物的液态水。

7、根据权利要求5所述的全固态激光器水、风混合制冷装置，其特征在于：所述的TEC半导体致冷模块(2)单个体积为40×40×4mm³，额定电压为14V，额定制冷功率为72W，冷热面最大温差60℃，多个TEC半导体致冷模块(2)彼此之间通过串联的方式，由温度\电源控制电路(7)输出的直流电源驱动。

8、根据权利要求4或5所述的全固态激光器水、风混合制冷装置，其特征在于：TEC半导体致冷模块(2)设置于小型水箱(1)与散热片(3)之间，小型水箱(1)中的冷却水的标定温度通过温度传感器(5)由电源控制电路(7)实施预先设定，冷却水的实时温度通过温度传感器(5)由温度\电源控制电路(7)实施监测，温度\电源控制电路(7)显示冷却水的实际温度和标定温度。

9、根据权利要求8所述的全固态激光器水、风混合制冷装置，其特征在于：通过改变小型水箱(1)的容积、散热片的有效散热面积、TEC半导体致冷模块(2)的数量、小型水泵(14)的抽运功率，可以对高、中、低不同输出功率级别的全固态激光器实施有效的风、水混合冷却。

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