CN103176240A - 用于光纤的冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光纤的冷却装置，包括：壳体和多个光纤夹持组件。具体而言，所述壳体内具有环形冷却流体通路且所述环形冷却流体通路具有冷却流体进口和冷却流体出口；所述多个光纤夹持组件沿所述壳体的周向间隔布置在所述环形冷却流体通路内且用于夹持所述光纤，所述光纤夹持组件具有供所述冷却流体通过的通槽。根据本发明实施例的用于光纤的冷却装置，提高了冷却装置的冷却性能，使光纤快速冷却，避免温度过高损坏光纤或影响光纤的信号传输，提高了光纤的使用寿命和信号传输的稳定性。

Description

用于光纤的冷却装置

技术领域

本发明涉及信号传输设备制造技术领域，特别涉及一种用于光纤的冷却装置。

背景技术

高功率高能量光纤激光器和光纤放大器，在工业加工、军事和医疗等领域都有着广泛的应用前景。近些年随着大模场光纤应用于高功率激光系统中。光纤激光器的输出能力显著提升。

伴随光纤激光器输出能力的提高，光纤进行激光转化的过程中由于量子亏损导致的热效应也越来越显著。光纤热效应会导致热透镜效应，热致能量损耗，光纤热损伤等问题。传统克服光纤热效应的方法有很多，例如强制对流冷却换热（风冷，水冷），耦合传导换热（导热硅胶耦合热沉）等等。通过设计换热的条件促进光纤与环境的换热过程。

在传统的用于光纤的冷却装置中，将光纤埋入冷却凹槽然后用导热材料填充缝隙。随着功率不断提高，传统换热方法的瓶颈逐渐显现。即光纤涂覆层的热损伤温度阈值（100度左右）远远低于光纤石英包层的热损伤温度阈值（数百度至1000度）。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的一个目的在于提出一种冷却效果好的用于光纤的冷却装置。

根据本发明实施例的用于光纤的冷却装置，包括：壳体和多个光纤夹持组件。具体而言，所述壳体内具有环形冷却流体通路且所述环形冷却流体通路具有冷却流体进口和冷却流体出口；所述多个光纤夹持组件沿所述壳体的周向间隔布置在所述环形冷却流体通路内且用于夹持所述光纤，所述光纤夹持组件具有供所述冷却流体通过的通槽。

根据本发明实施例的用于光纤的冷却装置，冷却流体可以由冷却流体进口输入该冷却装置并由冷却流体出口输出，用于在环形冷却流体通路内形成流动的冷却流体以冷却放置于冷却装置内的光纤。由此，流动的冷却流体对光纤进行冷却，提高了冷却装置的冷却性能，使光纤快速冷却，避免温度过高损坏光纤或影响光纤的信号传输，提高了光纤的使用寿命和信号传输的稳定性。

另外，根据本发明上述实施例的用于光纤的冷却装置，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述壳体包括：基体和盖板。具体而言，所述基体具有基体通孔和设在所述基体的表面上且围绕所述基体通孔的环形凹槽；所述盖板覆盖在所述基体的上表面上且封闭所述环形凹槽以形成所述环形冷却流体通路。由此，使壳体的结构简单，便于壳体的成型和装配，提高了壳体的成型效率。

进一步地，根据本发明的一个实施例，所述基体和所述盖板均为圆形，所述盖板具有与所述基体通孔对齐的盖板通孔。由此，使壳体为环形壳体，便于在壳体内形成圆环形的环形冷却流体通路，便于光纤盘绕在环形冷却流体通路内，避免光纤过渡弯折，便于光纤的安装，提高了光纤的装配效率。此外，圆环形的壳体外形美观，提高了壳体的外观的美观性。

此外，根据本发明的一个实施例，所述光纤夹持组件包括下夹持块和上夹持块，所述上夹持块安装在所述下夹持块的上表面上，所述下夹持块的上表面和所述上夹持块的下表面中的至少一个上设有用于容纳和夹持所述光纤的多个夹持槽，所述多个夹持槽沿所述环形冷却流体通路的径向间隔开，所述通槽形成在所述上夹持块和所述下夹持块中的至少一个内。由此，使光纤夹持组件的结构简单，便于光纤夹持组件夹持光纤，提高了光纤的装配效率，结构简单，成型方便，夹持效果好。

有利地，根据本发明的一个实施例，所述夹持槽形成在所述下夹持块的上表面上，所述上夹持块和所述下夹持块均形成有所述通槽。由此，使光纤安装方便。

进一步地，根据本发明的一个实施例，所述通槽为长圆形。由此，进一步地提高冷却流体与光纤夹持组件的换热面积。

此外，根据本发明的一个实施例，所述环形冷却流体通路内设有用于在所述环形冷却流体通路内产生冷却流体湍流的湍流发生件。由此，提高了冷却流体的换热效率。

此外，根据本发明的一个实施例，所述环形冷却流体通路的壁面设有耐高温金属材料层且经过防腐处理。由此，提高了壳体的性能，避免冷却流体侵蚀壳体的内表面或因高温造成的壳体损坏，提高了壳体的使用寿命。

此外，根据本发明的一个实施例，所述光纤外面包覆有涂覆层，所述涂覆层与所述光纤夹持组件之间设有导热材料层。

进一步地，根据本发明的一个实施例，所述光纤与所述光纤夹持组件之间设有导热材料层。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明的一个实施例的用于光纤的冷却装置的剖面示意图；

图2是本发明的一个实施例的用于光纤的冷却装置的壳体的剖面示意图；

图3是本发明的一个实施例的用于光纤的冷却装置的光纤夹持组件的剖面示意图；

图4是本发明的一个实施例的用于光纤的冷却装置的光纤夹持组件与所述光纤配合的局部示意图；

图4a是图4的俯视图；

图5是本发明的另一实施例的用于光纤的冷却装置的光纤夹持组件与所述光纤配合的局部示意图；

图5a是图5的俯视图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

高功率高能量光纤激光器和光纤放大器，在工业加工、军事和医疗等领域都有着广泛的应用前景。近些年随着大模场光纤应用于高功率激光系统中。光纤激光器的输出能力显著提升。伴随光纤激光器输出能力提高，光纤进行激光转化的过程中由于量子亏损导致的热效应也越来越显著。光纤热效应会导致热透镜效应，热致能量损耗，光纤热损伤等问题。传统克服光纤热效应的方法有很多，例如强制对流冷却换热（风冷，水冷），耦合传导换热（导热硅胶耦合热沉）等等。通过设计换热的条件促进光纤与环境的换热过程。传统的光纤冷却装置需要将光纤埋入冷却凹槽然后用导热材料填充缝隙完成冷却。随着功率不断提高，传统换热方法的瓶颈逐渐显现。即光纤涂覆层的热损伤温度阈值（100度左右）远远低于光纤石英包层的热损伤温度阈值（数百度至1000度）。本发明的目的在于提出一种换热效率的且大幅度提高光纤热损伤阈值的用于光纤的冷却装置。

下面参照附图详细描述本发明实施例的用于光纤的冷却装置。

如图1至图5所示，根据本发明实施例的用于光纤的冷却装置，包括：壳体10和多个光纤夹持组件20。

具体而言，壳体10内具有环形冷却流体通路101，冷却流体通路101具有冷却流体进口102和冷却流体出口103，冷却流体由冷却流体进口102输入环形冷却流体通路101内，并由冷却流体出口103排出，使环形冷却流体通路101具有流动的冷却流体，用于带走光纤的热量。多个光纤夹持组件20沿壳体10的周向间隔布置在环形冷却流体通路101内，光纤夹持组件20用于夹持光纤，用于使光纤盘绕在环形冷却流体通路101内。其中光纤夹持组件20具有供冷却流体通过的通槽201，用于增加光纤夹持组件20与冷却流体的接触面积，进一步地提高该冷却装置的冷却效率。

根据本发明实施例的用于光纤的冷却装置，冷却流体可以由冷却流体进口102输入该冷却装置并由冷却流体出口103输出，用于在环形冷却流体通路101内形成流动的冷却流体以冷却放置于冷却装置内的光纤。由此，流动的冷却流体对光纤进行冷却，提高了冷却装置的冷却性能，使光纤快速冷却，避免温度过高损坏光纤或影响光纤的信号传输，提高了光纤的使用寿命和信号传输的稳定性。

图2为本发明的一个实施例的壳体10的示意图，参照图2，壳体10包括：基体11和盖板12。具体而言，基体11具有基体通孔和设在基体11的表面上且围绕基体通孔的环形凹槽，基体通孔用于方便该冷却装置的加工和装配，以提高基体11的成型效率和装配效率。盖板12覆盖在基体11的上表面（即如图2所示向上方向的表面）上，用于封闭环形凹槽以形成环形冷却流体通路101。由此，使壳体10的结构简单，便于壳体10的成型和装配，提高了壳体的成型效率。

此外，本发明的壳体10也可以包括上壳体和下壳体，其中，下壳体的上表面形成环形槽，上壳体的下表面形成环形槽，该上壳体设在该下壳体上，以形成环形冷却流体通路101。当然本发明的壳体10也可以为现有技术的其它形式的壳体，这对于本领域的普通技术人员是可以理解的。

进一步地，基体11和盖板12均为圆形，盖板12具有与基体通孔对齐的盖板通孔。由此，使壳体10为环形壳体，便于在壳体10内形成圆环形的环形冷却流体通路101，便于光纤盘绕在环形冷却流体通路101内，避免光纤过渡弯折，便于光纤的安装，提高了光纤的装配效率。此外，圆环形的壳体10外形美观，提高了壳体10的外观的美观性。

图3为本发明的一个实施例的光纤夹持组件20的示意图，参照图3，光纤夹持组件20包括下夹持块21和上夹持块22，下夹持块21安装在上夹持块22的上表面（即如图3所示的向上方向的表面）上，下夹持块21的上表面和上夹持块22的下表面（即如图3所示的向下方向的表面）中的至少一个上设有用于容纳和夹持光纤的多个夹持槽202。换言之，光纤夹持组件20的下夹持块21的上表面设有夹持槽202，而上夹持块22的下表面与下夹持块21的上表面上的夹持槽202配合用于夹持光纤；或者光纤夹持组件20的上夹持块22的下表面设有夹持槽202，而下夹持块21的上表面与上夹持块22的下表面上的夹持槽202配合用于夹持光纤；还可以在下夹持块21的上表面以及上夹持块22的下表面均形成夹持槽202，而上夹持块22和下夹持块21相互配合以夹持光纤。进一步地，多个夹持槽202沿环形冷却流体通路101的径向间隔开，通槽201形成在上夹持块22和下夹持块21中的至少一个内。由此，使光纤夹持组件20的结构简单，便于光纤夹持组件20夹持光纤，提高了光纤的装配效率，结构简单，成型方便，夹持效果好。

其中，在本发明的一个具体实施例中，夹持槽202形成在下夹持块21的上表面上，在安装光纤时，将光纤盘绕在下夹持块21上，并使光纤位于夹持槽202内，在光纤与下夹持块21配合完成后，使上夹持块22配合在下夹持块21上，完成光纤的安装。结构简单，光纤安装方便。此外，上夹持块22和下夹持块21均形成有通槽201。进一步地提高冷却流体与光纤夹持组件20的接触面积，进一步地提高光纤夹持组件20的换热面积，提高了该冷却装置的冷却效率。

此外，通槽201为长圆形。用于进一步地提高冷却流体与光纤夹持组件20的换热面积。当然，本发明的通槽201可以是长方形或其他形状。

在冷却流体流动过程中，层流时流体在环形冷却流体通路101作有规律的分层流动，而湍流时流体各部分之间发生强烈的混合，因而湍流的换热能力强于层流。由此，如图1所述，在本发明的一些具体示例中，环形冷却流体通路101内设有用于在环形冷却流体通路101内产生冷却流体湍流的湍流发生件30。以提高冷却流体的换热效率。

如图1所示，湍流发生件30为沿环形冷却流体通路101的轴向布置的两列阻流柱，且每列阻流柱均沿环形冷却流体通路101的径向布置，且两列阻流柱相互交错布置，冷却流体在经过湍流发生件30时，将产生强烈的混合而形成湍流。

现有技术中还具有其它形式的湍流发生件30，在此不再进行详细说明。

有利地，在本发明中，环形冷却流体通路101的壁面设有耐高温金属材料层且经过防腐处理。由此，提高了壳体10的性能，避免冷却流体侵蚀壳体10的内表面或因高温造成的壳体10损坏，提高了壳体10的使用寿命。

此外，光纤没有被光纤夹持组件20夹持的一段的表面没有涂覆涂覆层，光纤被光纤夹持组件20夹持的一段分为涂覆有涂覆层和未涂覆涂覆层两种形式。

图4为本发明的一个实施例的光纤夹持组件20夹持光纤40的示意图，参照图4，光纤40外面包覆有涂覆层41，涂覆层41与光纤夹持组件20之间设有导热材料层42。由此，在光纤40被光纤夹持组件20夹持的一段设置涂覆层41，避免光纤夹持组件20影响光纤40内传输的信号，提高了光纤传输信号的稳定性，避免信号损失，在在光纤40没有被光纤夹持组件20夹持的一段不设置涂覆层41，使光纤40直接被冷却流体冷却，提高了光纤40的冷却效率。此外，在光纤夹持组件20与涂覆层41之间设置导热材料层42，提高了光纤40与光纤夹持组件20的换热性能，进一步地提高了对光纤40的冷却效率。

进一步地，根据本发明的一个实施例，光纤40与光纤夹持组件20之间设有导热材料层43。由此，光纤40的各段均没有涂覆涂覆层，增加了光纤40与冷却流体的换热效率。此外，光纤40的与光纤夹持组件20之间设置导热材料层43，进一步的提高了光纤40与光纤夹持组件20之间的换热效率，避免光纤夹持组件20影响光纤40内的信号传输，使光纤40快速冷却且传输稳定。

如图1至图5所示，根据本发明的一些具体示例，该光纤的冷却装置包括壳体10和多个光纤夹持组件20，其中，壳体包括基体11和盖板12，基体11上设有环形凹槽，盖板12盖设在基体11上并封闭环形凹槽形成冷却流体通路101。冷却流体通路101具有冷却流体进口102和冷却流体出口103。冷却流体由进水口4进入冷却流体通路101并沿如图1所示的箭头方向在冷却流体通路101内流动，并有冷却流体出口103排出以形成冷却流体循环通路，冷却流体通路101内设置有光纤夹持组件20用于夹持光纤。

光纤夹持组件20应用于被冷却光纤的加持，光纤夹持组件20上按照预定距离间隔分布着夹持槽202以形成夹持轨道，夹持轨道由上夹持块22和下夹持块21相互扣合夹持光纤。在光纤夹持组件20的作用下，光纤在冷却流体通路101内环形盘绕。光纤夹持组件20包括多个，通过多个光纤夹持组件20完成光纤的轨道切换。最终形成光纤的螺旋盘绕。

光纤的输入，输出采用全密封的方式，在本发明不进行详细说明。这对于本领域的普通技术热源是可以理解的。

传统光纤冷却主要通过风冷，传导冷却，微通道冷却，水冷等方式。这些方式的共同特点在于容易对光纤形成污染，因此，目前所知的光纤冷却技术通常必须保留光纤涂覆层以保证引入的冷却条件不会影响光纤的正常工作状态。而对于光纤热效应导致的光纤损伤来说，涂覆层的失效温度一般在100度左右，而包层的失效温度高达1000度的数量级。这导致了传统冷却方式受限于涂覆层的损伤温度阈值而难以延伸到高功率、超高功率领域。

为了克服这个问题，本发明提出了一种应用于光纤冷却的处理工艺，即整段或者阶段性的去除光纤涂覆层工艺。使得光纤的热敏感段的损伤阈值由100度提高数倍。

为了克服去除涂覆层带来的影响，必须考虑增强冷却装置的对流换热能力。

在本发明中，光纤在冷却流体通路101内分为夹持段与自由端，如图1所示，布置于光纤夹持组件20之内的光纤视为光纤夹持段。没有被光纤夹持组件20夹持的光纤视为光纤自由段。两者的区别在于光纤自由度段直接接触冷却流体，散热过程为对流换热过程与辐射换热过程。光纤夹持段不接触冷却流体，散热过程为传导散热过程。下面分别对两个光纤区域的光纤加强散热进行详细说明：

如图4所示，采用阶段性涂覆层去除工艺，保证光纤夹持组件20夹持住带有外表面涂覆有涂覆层41的光纤40，在涂覆层41与光纤夹持组件20之间设置具有高导热性能的导热材料层42。在本实施例中，光纤夹持组件20直接被冷却流体冷却。能够保证较低的温度。

由于光纤夹持组件20几乎覆盖了冷却流体通路101全部的横向截面，因此在光纤夹持组件20上设置了允许冷却流体通过的通槽201，以保证流体能够在腔内正常流动。

此外，如图5所示，在本发明的另一些示例中，采用整段涂覆层去除工艺，光纤40的夹持段为去除涂覆层41的光纤40。

此时光纤布置必须依靠辅助布置定位工具（本实施例不加叙述），使得在光纤40通过光纤夹持组件20的过程中光纤40与光纤夹持组件20不接触。然后用高导热系数、低折射率的导热材料层42填充光纤40与光纤夹持组件20之间的缝隙。

对于封闭冷却腔体内的光纤自由段，其发生的是的对流换热过程，因此加强这一部分光纤散热效果是通过强化对流换热过程实现的。强化对流换热过程的途径有：

流体的流动状态：层流时流体微团沿着主流方向作有规律的分层流动，而湍流时流体各部分之间发生强烈的混合，因而湍流的换热能力强于层流。根据流体的这种特性，在冷却流体通路101内布置湍流发生件30，以使冷却流体以湍流的方式流经被冷却光纤。湍流发生件30结构简单，其结构特点为交叉分隔排列的阻流柱，多个湍流发生件30沿周向均匀布置冷却流体通路101内。当流体通过湍流发生件30时，流体产生强烈的混合而产生湍流。加强了换热过程。

流体的物性条件：流体的密度、动力黏度、导热率等不仅对流体的流动有影响，而且对流体中热量传递也有影响，因此流体的物理性质对流体换热有着很大的影响。选择同时满足上述条件的冷却流体时还必须满足具有较低折射率的光学条件。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种用于光纤的冷却装置，其特征在于，包括：

壳体，所述壳体内具有环形冷却流体通路且所述环形冷却流体通路具有冷却流体进口和冷却流体出口；及

多个光纤夹持组件，所述多个光纤夹持组件沿所述壳体的周向间隔布置在所述环形冷却流体通路内且用于夹持所述光纤，所述光纤夹持组件具有供所述冷却流体通过的通槽。

2.根据权利要求1所述的用于光纤的冷却装置，其特征在于，所述壳体包括：

基体，所述基体具有基体通孔和设在所述基体的表面上且围绕所述基体通孔的环形凹槽；

盖板，所述盖板覆盖在所述基体的上表面上且封闭所述环形凹槽以形成所述环形冷却流体通路。

3.根据权利要求2所述的用于光纤的冷却装置，其特征在于，所述基体和所述盖板均为圆形，所述盖板具有与所述基体通孔对齐的盖板通孔。

4.根据权利要求1所述的用于光纤的冷却装置，其特征在于，所述光纤夹持组件包括下夹持块和上夹持块，所述上夹持块安装在所述下夹持块的上表面上，所述下夹持块的上表面和所述上夹持块的下表面中的至少一个上设有用于容纳和夹持所述光纤的多个夹持槽，所述多个夹持槽沿所述环形冷却流体通路的径向间隔开，所述通槽形成在所述上夹持块和所述下夹持块中的至少一个内。

5.根据权利要求4所述的用于光纤的冷却装置，其特征在于，所述夹持槽形成在所述下夹持块的上表面上，所述上夹持块和所述下夹持块均形成有所述通槽。

6.根据权利要求5所述的用于光纤的冷却装置，其特征在于，所述通槽为长圆形。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的用于光纤的冷却装置，其特征在于，所述环形冷却流体通路内设有用于在所述环形冷却流体通路内产生冷却流体湍流的湍流发生件。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的用于光纤的冷却装置，其特征在于，所述环形冷却流体通路的壁面设有耐高温金属材料层且经过防腐处理。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的用于光纤的冷却装置，其特征在于，所述光纤外面包覆有涂覆层，所述涂覆层与所述光纤夹持组件之间设有导热材料层。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的用于光纤的冷却装置，其特征在于，所述光纤与所述光纤夹持组件之间设有导热材料层。

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