CN105322418B - 一种高功率射频板条co2激光器电极非均匀水冷网格结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高功率板条CO₂激光器平板电极的一种冷却水流道结构。采用在电极内部加工水冷槽作为冷却水的流道的技术方案，将水流道设计为非均匀网格，改进了现有U形、S形和蛇形流道结构，具有网格结构非均匀、散热效率高、散热均匀性好特点。本发明是在大量工程实践的基础上，提出的冷却水流道结构设计的最优方案，可推广用于大部分高发热金属器件的散热。

Description

一种高功率射频板条CO2激光器电极非均匀水冷网格结构

技术领域

本发明属于激光技术领域，针对新一代高功率射频板条CO₂激光器，设计一种专用水冷结构，实现电极最佳冷却，确保激光器稳定运行。

背景技术

高功率射频板条CO₂激光器是指功率在2000-5000瓦的激光器，该类激光器结构紧凑小巧，光束质量高，是目前所有千瓦级以上其它CO₂激光器均无法达到的，在中厚板切割和焊接领域具有重要应用，代表了CO₂激光器发展方向。射频板条CO₂激光器的波导电极，在冷却不充分或不均匀时都会导致电极表面出现热变形，严重影响激光光束质量、光电转换效率、输出功率。热问题一直是制约激光器朝高功率、高光束质量与高稳定性方向发展的重要因素，放电气体的温度上升对输出功率的影响有两个方面：(1)气体温度升高使CO₂分子的跃迁谱线加宽，从而导致激光受激截面减小；(2) 气体温升导致激光上能级粒子的消激发速率上升，下能级粒子的热激发速率增加，两者的结果导致反转粒子数密度下降，使小信号增益系数减小，从而使输出功率下降。

水冷是大功率激光器常用的冷却方法，高温的放电气体通过热传导的形式将热量传给电极壁，电极通过热传导的方式将热量再传给电极的水道表面，再通过水道中循环流动的冷却水与极板间的传导对流将热量带走。高功率射频板条CO₂激光器工作时单位时间发热较多，且激光器输出对电极表面的形变很敏感。因而，在工程实践中，采用在电极板内加工水冷槽的方案来达到散热冷却的目的。平板电极的冷却水流道散热是确保激光器长期稳定运行的重要环节，其水冷结构的设计有着重要意义。

现有水冷技术中，电极板内的水通道结构如图1所示，出口用金属焊接真空封接形成U型冷却水通道。冷却水由入水口进入，通过电极的水槽通道，由出水口流出，将放电区气体热量传导给电极板，由冷却水带走，实现放电区气体和电极板的冷却。由U型水道结构变化而来，如图2所示是一种S型结构，由10个水道构成，其中进水道和出水道没有完全打通，其它8个水道由金属焊接真空封接。

U型水冷道水道过少，且在电极板发热最多的中心地带没有水流道，冷却效果比较差。S型水流道是一种沿中心对称分布的结构，如果热量在极板平面分布不均匀，采用此结构则冷却效果会明显降低。现有水流道为均匀流道、均匀分布，并且流道较长，冷却效果不佳，会影响激光光束质量、光电转换效率、输出功率等参数。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种射频板条CO2激光器电极非均匀网格水冷结构，通过采用非均匀宽窄流道，确保板条电极冷却均匀。主要发明内容如下：

一种高功率板条CO₂激光器电极非均匀水冷网格结构，包括进水口、出水口和直线水流道，多个直线水流道平行开凿于电极板的内部，各直线水流道两端分别汇聚到进水口和出水口，其特征在于：

所述各个直线水流道的横截面尺寸是不相同的，在垂直于水流道方向上，越靠近电极板中间部位的直线水流道越细，越靠近电极板边缘的直线水流道越粗；进水口和出水口的截面积，均大于或等于各个直线水流道的截面积之和。

进一步的，所述的非均匀水冷网格结构电极板中部垂直于直线水流道方向设有一个均压水槽，其为连通各个直线水流道的直线水槽，水槽截面积与中间水流道的截面积相当，用于连通各个直线水流道，使各条直线水流道保持水压一致，使水流能够顺利通过各个直线水流道。。

进一步的，所述的非均匀水冷网格结构进水口与出水口分别设在直线水流道的两端，散热更加均匀。

进一步的，所述的非均匀水冷网格结构的均压水槽、直线水流道、进水口和出水口在金属电极内部铣出，尺寸因极板尺寸而定，散热效果更好。

采用这种设计结构，水流能够覆盖整个电极板，且不同水流道的直径不同，能够均匀地使电极板散热，电极板冷却更均匀，提高冷却效率，激光器工作更稳定，提高激光输出的稳定性。通过将多个流道设计成并联的方式，增大冷却水与金属电极的接触面积，使电极中心、边缘和对角得到均匀的冷却效果。基于本发明的思想，可以避免现有U形、S形、W形冷却水流道冷却不均匀问题，提升冷却效果，保证冷却的均匀性。此外，本发明的思想可以指导其他领域的高发热、高冷却要求的金属器件的散热水流道结构的设计。

附图说明

图1是U型冷却水流通道结构示意图；

图2是S型冷却水流道结构示意图；

图3是本专利设计的多通道的水流道结构示意图：1-均压水道，2-放电电极，3-直线水流道，4-中间水流道，5-进水口，6-出水口，7-均压水道切口面，8-水槽盖板；

图4是均压水槽部分放大图，中间有虚线的是直线水流道，阴影部分为电极板剖面，中间连通直线水流道的是均压水槽。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在平板大面积放电结构的激光器中，主要是通过放电气体的扩散来使气体得到冷却的。由放电气体扩散所散发出来的热量，传输到两个相距很近的金属电极上，然后被电极内流动的冷却液带走，包括工作气体和金属板的传热以及液体的流动传热。

为了实现有效的冷却，提高射频板条CO₂激光器的转换效率，一般采用平行相对布放的两电极板同时水冷方式的并联型水冷装置。本实施例涉及一种多通道的水流道结构，如图3所示。

该水流道的结构特点如下：一个进水口5与出水口6，7条直线水流道 3平行排布在电极板中，两端汇聚到进、出水口，在电极板中央垂直于水流道有一段均压水槽1。进水口5与出水口6设在直线水流道3的两端，相比于通常采用的靠边位置，这种设计使水流道长度更加均匀，减小水阻，使水流更加稳定；

考虑工程实践中存在的电极对角温度过高、最大温差过大、平均温度过高等问题，本实施例采用7个流道并联的方式，增大冷却水与金属电极的接触面积，使电极中心、边缘和对角得到均匀的冷却效果。

直线水流道3直径的分布遵循以下规律：中间水流道4直径最小，越靠近电极板边缘，直线水流道3直径越大。这种设计促使进水口进水时，由于水压原因，不会仅仅从中间水流道流过，而是会从所有直线水流道3流过，这样能够使电极板各个部位都能够散热；

电极板2中央垂直于水流道设计了一个均压水槽1，均压水槽1如图4，它连接着所有直线水流道3，在各个直线水流道3中的冷却水在电极板中央时，水流通过均压水槽1连通，其作用是使各条直线水流道3保持水压一致，避免水流“短路”。

为了保证各通道内冷却水的有效流通，要求冷却水入口截面积与冷却水出口的截面积大于或等于各通道的截面积之和。

本实施例中，直线水流道3总横截面宽度占电极宽度的36.4％，冷却水流道覆盖面较大。平板电极最大温差约为8℃，满足散热要求。采用这种设计结构，能够均匀地使电极板散热，电极板冷却更均匀，提高冷却效率，激光器工作更稳定，提高激光输出的稳定性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高功率板条CO₂激光器电极非均匀水冷网格结构，包括进水口(5)、出水口(6)和直线水流道(3)，多个直线水流道(3)平行开凿于电极板的内部，各直线水流道(3)两端分别汇聚到进水口(5)和出水口(6)，其特征在于：

各个所述直线水流道(3)的横截面尺寸是不相同的，在垂直于直线水流道(3)方向上，越靠近电极板中间部位的直线水流道(3)越细，越靠近电极板边缘的直线水流道(3)越粗；进水口(5)和出水口(6)的截面积，均大于或等于各个直线水流道(3)的截面积之和。

2.根据权利要求1所述的非均匀水冷网格结构，其特征在于，电极板(2)中部垂直于直线水流道(3)方向设有一个均压水槽(1)，其为连通各个直线水流道(3)的直线水槽，水槽截面积与中间水流道(4)的截面积相当，用于连通各个直线水流道(3)，使各条直线水流道(3)保持水压一致。

3.根据权利要求1或2所述的非均匀水冷网格结构，其特征在于，进水口(5)与出水口(6)分别设在直线水流道的两端。

4.根据权利要求1或2所述的非均匀水冷网格结构，其特征在于，均压水槽(1)、直线水流道(3)、进水口(5)和出水口(6)在金属电极内部铣出，尺寸因极板尺寸而定。