CN104218435B - 一种基于板条式激光器的高密度热流相变储热散热系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于板条式激光器的高密度热流相变储热散热系统，包括一体化层流结构、液体循环管路、相变储热散热装置和导热液体；一体化层流结构包括第一分流结构、第二分流结构、全反射板条和晶体板条；相变储热散热装置包括相变材料和相变材料固定结构；导热液体从液体循环管路中进入第一分流结构、晶体板条间缝隙和第二分流结构，将全反射板条与晶体板条的热量带走，导热液体从低温变为高温；导热液体相变储热散热装置中流过，相变材料吸收导热液体中热量，从固态变为液态，流经的导热液体从高温变为低温继续循环，激光器停止工作后，相变材料缓慢散热，由液态还原为固态；相变储热散热装置可重复使用，适用于Nd:YAG、Yb:YAG等多种板条式固体激光器。
Description
技术领域
一种基于板条式激光器的高密度热流相变储热散热系统，可用于Nd:YAG、Yb:YAG等板条式高功率激光器及其它高功率激光器系统，属于高能激光领域。
背景技术
高功率激光具有广泛用途，在军事上，高能激光可应用于地基、海基、机载、天基激光武器，多年来美国已经投入攻关了多个激光武器项目研究和试验；在民用中，高能激光器在工业加工、焊接、雕刻、清洁方面有广泛应用。自80年代至今，高能激光也一直是我国高度重视研究的方向之一，高能化学激光器、氧碘激光器已经具有成熟产品和广泛工业应用。随着技术的发展，固体激光器因其转换效率高、光束质量好、输出功率高有了快速发展，在高能激光器中板条式固体激光器成为高能激光器中新兴的研究方向，在较多应用方面正在慢慢取代化学激光器、氧碘激光器。
在军事或工业使用高功率板条式固体激光器中，其常规水冷散热方式体积庞大、搬运困难，对高功率固体激光器的车载、机载、天基平台的军事应用，特殊产品部位的焊接、清洁、雕刻等工业应用的移动作业具有较大限制条件。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种基于板条式高功率激光器的高密度热流相变储热散热系统，该相变储热散热系统专门针对板条式激光器，设计了一种与激光器增益池结构一体化设计的层流导热装置，储热散热系统可使高功率激光器或高峰值功率激光器脱离地面大型水冷设备，使高功率激光器的散热系统成为独立储热散热设备，适用于要求搬运方便的大型地面试验中，移动式工业加工、车载激光武器、机载激光武器、天基激光武器等多种平台的集成设计。
本发明的技术解决方案为:
一种基于板条式激光器的高密度热流相变储热散热系统，包括:一体化层流结构、液体循环管路、相变储热散热装置和导热液体；一体化层流结构又包括第一分流结构、第二分流结构、全反射板条和晶体板条；相变储热散热装置包括相变材料和相变材料固定结构；
一体化层流结构、液体循环管路和相变储热散热装置形成循环回路，导热液体在该循环回路中循环流动且导热液体的折射率为1～2。
晶体板条位于两个全反射板条之间，晶体板条的数量为正整数N，且全反射板条与相邻的晶体板条之间以及晶体板条与相邻的晶体板条之间均存在缝隙，激光器产生的激光在两个全反射板条之间反射传输，激光穿过晶体板条和所述缝隙；
第一分流结构和第二分流结构结构相同，均为一分M结构，M＝N+1；且第一分流结构和第二分流结构的分流端口与所述缝隙密封连接，使得导热液体从液体循环管路中进入第一分流结构，之后依次经过第一分流结构、所述缝隙和第二分流结构再次进入液体循环管路，将全反射板条与晶体板条的热量带走，导热液体从低温变为高温；
相变材料固定结构为蜂窝状结构，相变材料嵌在蜂窝状结构中，导热液体从嵌入相变材料的蜂窝状结构中流过，相变材料吸收导热液体中的热量，发生相变，从固态变为液态，流经相变储热散热装置的导热液体从高温变为低温继续循环，激光器停止工作后，相变材料缓慢散热，由液态还原为固态；
流入一体化层流结构的导热液体的温度低于全反射板条与晶体板条的温度。
所述导热液体的折射率n3满足n2<n3<n1，其中，n1为全反射板条的折射率，n2为晶体板条的折射率。所述相变材料为有机烷烃类，相变温度范围为5℃～30℃。
本发明与现有技术相比的优点在于:
(1)、本发明专门针对板条式高功率激光器，提出了一种与增益池一体化结构设计的、相变温度与激光器工作温度匹配的、可独立于地面大型水冷设备的新型相变储热散热系统设计方案。该储热散热方案采用相变材料在短时间内储存激光出光过程中产生大量热量，装置独立易于搬动。
(2)、本发明专门针对板条式高功率激光器，设计了一种与增益池一体化结构设计的层流散热结构，可置于增益池内部，提高了换热效率、减少了设备体积，且不影响激光的传输。
(3)、本发明针对板条式激光器常用增益池结构，设计了一种与全反射板条、晶体板条匹配的、密封性好的一分M分流结构，结构设计考虑了了与导热液体流体系数的匹配，最大化提高了散热效率。
(4)、本发明专门针对板条式高功率激光器，发明了一种与增益池板条折射率匹配的导热液体，激光器出光过程中，导热液体循环既可以吸收导走热量，又不影响激光的振荡放大。
(5)、本发明针对短时间内的高密度热流激光，设计了一种可易于搬动的、储热效率高集成化相变储热散热装置，其内填充的相变材料为有机烷烃，其相变温度与激光器工作温度匹配，储热效率和总储热量与激光器电光转换效率、工作时间匹配。
附图说明
图1为本发明中相变储热散热系统组成示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供了一种基于板条式激光器的高密度热流相变储热散热系统，包括：一体化层流结构1、液体循环管路2、相变储热散热装置3和导热液体4；一体化层流结构1又包括第一分流结构5、第二分流结构6、全反射板条7和晶体板条8；相变储热散热装置3包括相变材料9和相变材料固定结构10；
一体化层流结构1、液体循环管路2和相变储热散热装置3形成循环回路，一体化层流结构放置在板条式激光器增益池内部，导热液体4在该循环回路中循环流动且导热液体4的折射率为1～2。
晶体板条8位于两个全反射板条7之间，晶体板条8的数量为正整数N，且全反射板条7与相邻的晶体板条8之间以及晶体板条8与相邻的晶体板条8之间均存在缝隙，激光器产生的激光在两个全反射板条7之间反射传输，激光穿过晶体板条8和所述缝隙；
第一分流结构5和第二分流结构6结构相同，均为一分M结构，M＝N+1；且第一分流结构5和第二分流结构6的分流端口与所述缝隙密封连接，使得导热液体4从液体循环管路2中进入第一分流结构5，之后依次经过第一分流结构5、所述缝隙和第二分流结构6再次进入液体循环管路2，将全反射板条7与晶体板条8的热量带走，导热液体4从低温变为高温；
相变材料固定结构10为蜂窝状结构，相变材料9嵌在蜂窝状结构中，导热液体4从嵌入相变材料9的蜂窝状结构中流过，相变材料9吸收导热液体4中的热量，发生相变，从固态变为液态，流经相变储热散热装置3的导热液体4从高温变为低温继续循环，激光器停止工作后，相变材料9缓慢散热，由液态还原为固态。
相变储热散热系统可重复使用，适用于Nd:YAG、Yb:YAG等多种板条式固体激光器。
流入一体化层流结构1的导热液体4的温度低于全反射板条7与晶体板条8的温度。
依据不同尺寸的增益池要求，相变储热散热系统的增益池一体化层流结构将增益池内部分为M(M为大于1的正整数，一般为2～5)层。激光在增益池内振荡时，每次光路均穿过相变储热散热系统的增益池一体化层流结构和导热液体。导热液体4的折射率n3满足n2<n3<n1，其中，n1为全反射板条7的折射率，n2为晶体板条8的折射率。
所述相变材料9为有机烷烃类，相变温度范围为5℃～30℃，该温度的选择与激光器的工作温度匹配，且与换热效率、总储热量有直接关系。
本发明针对现有板条式高功率激光器在军事、民用应用方面受到的限制，创新性提出了一种与增益池一体化结构设计的、相变温度与激光器工作温度匹配的、可独立于地面大型水冷设备的新型相变储热换热系统设计方案。该相变储热散热系统专门针对Nd:YAG、Yb:YAG等多种板条式固体激光器，与增益池一体化结构设计的层流散热结构，可置于增益池内部，提高了换热效率、减小了设备体积；在激光器出光过程中，与增益池板条折射率匹配的导热液体循环可以吸收导走热量，又不影响激光的振荡放大；采用相变材料在短时间内储存激光出光过程中的大量热量。储热散热系统可使高功率板条式固体激光器(含高峰值功率激光器)脱离地面大型水冷设备，使其散热系统成为独立式、便携的储热散热设备，本发明该储热散热方案适用于要求搬运方便的特殊产品或特殊部位的焊接、清洁、雕刻等工业应用或大型地面试验中，也方便车载、机载、天基激光武器等多种军用平台的集成设计。
Claims (1)
1.一种基于板条式激光器的高密度热流相变储热散热系统，其特征在于包括：一体化层流结构(1)、液体循环管路(2)、相变储热散热装置(3)和导热液体(4)；一体化层流结构(1)又包括第一分流结构(5)、第二分流结构(6)、全反射板条(7)和晶体板条(8)；相变储热散热装置(3)包括相变材料(9)和相变材料固定结构(10)；
一体化层流结构(1)、液体循环管路(2)和相变储热散热装置(3)形成循环回路，导热液体(4)在该循环回路中循环流动且导热液体(4)的折射率为1～2；
晶体板条(8)位于两个全反射板条(7)之间，晶体板条(8)的数量为正整数N，且全反射板条(7)与相邻的晶体板条(8)之间以及晶体板条(8)与相邻的晶体板条(8)之间均存在缝隙，激光器产生的激光在两个全反射板条(7)之间反射传输，激光穿过晶体板条(8)和所述缝隙；
第一分流结构(5)和第二分流结构(6)结构相同，均为一分M结构，M＝N+1；且第一分流结构(5)和第二分流结构(6)的分流端口与所述缝隙密封连接，使得导热液体(4)从液体循环管路(2)中进入第一分流结构(5)，之后依次经过第一分流结构(5)、所述缝隙和第二分流结构(6)再次进入液体循环管路(2)，将全反射板条(7)与晶体板条(8)的热量带走，导热液体(4)从低温变为高温；
相变材料固定结构(10)为蜂窝状结构，相变材料(9)嵌在蜂窝状结构中，导热液体(4)从嵌入相变材料(9)的蜂窝状结构中流过，相变材料(9)吸收导热液体(4)中的热量，发生相变，从固态变为液态，流经相变储热散热装置(3)的导热液体(4)从高温变为低温继续循环，激光器停止工作后，相变材料(9)缓慢散热，由液态还原为固态；
流入一体化层流结构(1)的导热液体(4)的温度低于全反射板条(7)与晶体板条(8)的温度；
所述导热液体(4)的折射率n3满足n2<n3<n1，其中，n1为全反射板条(7)的折射率，n2为晶体板条(8)的折射率；
所述相变材料(9)为有机烷烃类，相变温度范围为5℃～30℃。
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