CN113375353A - 一种集成主动制冷的无水冷高功率激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高功率激光器技术领域，特别涉及一种集成主动制冷的无水冷高功率激光器。包括激光器和主动制冷系统；主动制冷系统包括依次连接且形成循环回路的压缩机、冷凝器、节流装置及毛细管，循环回路内设有制冷剂；毛细管设置于激光器的发热区域内，用于激光器的发热部件散热。本发明将主动制冷系统中实现蒸发作的毛细管与高功率光纤激光器的发热区域紧密集成在一起，从而利用主动制冷系统中的高效制冷能力，直接使用制冷剂对高功率激光器运行过程中产生的热量进行管理，确保高功率激光器中的精确控温。
Description
技术领域
本发明涉及高功率激光器技术领域，特别涉及一种集成主动制冷的无水冷高功率激光器。
背景技术
在高功率光纤激光器中，特别是工业加工应用的连续光纤激光器，输出功率越来越高，单腔结构的光纤激光器连续输出功率已经在500W-5000W范围，多模合束的光纤激光器输出功率达到了30kW以上。高功率光纤激光器的应用范围越来越广泛。
目前，高功率光纤激光器的电光效率在30％-45％范围；高功率直接半导体激光器系统的电光效率在50％左右，因此整个系统将有50％以上的电功率转换为热量。随着激光器系统输出功率的增加，产生的热量也越来越大，需要对激光器系统中产生的热量进行有效管理，以确保激光器系统的稳定可靠工作。高功率激光器系统使用过程中，需要配置一台制冷量大于激光器产生热量的水冷系统，给激光器进行有效的热量管理。但是单独的水冷系统，增加了激光器系统在使用时的体积，也增加了系统的复杂性，整个系统还需要冷却液，需要定期更换冷却液，以及在冬天使用时需要更换为特殊的防冻液的问题，增加了使用维护的成本。传统使用水冷机给激光器散热的方式，属于二次传热的热管理方式。即在水冷机系统中，通过压缩机、冷凝器、增发器等，先利用过制冷剂(如R410，R22等)对载冷剂(如水)进行冷却和精确控温，然后再通过载冷剂对激光器中的发热元器件散热，将激光器内部产生的热量带走。这种二次传热的方式，会导致制冷效率低，系统复杂等特点。
高功率激光器系统还有采用天然冷源的散热方式，是利用风扇将激光器中产生的热量和环境进行热交换，受环境温度影响很大，如果环境温度较高，无法有效地将激光器系统产生的热量与环境之间进行交换，导致激光器内部的温度很高，可能无法使用；如果环境温度较低，比如冬天环境时的0℃附近，该激光器也可能无法工作。因此天然冷源的散热方式，激光器系统的温度范围无法精确控制，特别是随着激光器系统功率的增加，控温的难度很大，甚至会导致激光器无法使用的情况。同时，该系统也存在使用冷却水(或冷却液)，需要定期更换冷却液，并在冬天使用防冻液等特殊要求，增加了使用维护的成本。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种集成主动制冷的无水冷高功率激光器，以解决传统高功率激光器系统采用水冷方式需要定期更换冷却液进行维护及采用风冷方式温度范围无法精确控制的问题。
本发明实施例提供一种集成主动制冷的无水冷高功率激光器，包括激光器和主动制冷系统；
所述主动制冷系统包括依次连接且形成循环回路的压缩机、冷凝器、节流装置及毛细管，所述循环回路内设有制冷剂；
所述毛细管设置于所述激光器的发热区域内，用于所述激光器的发热部件散热。
在一种可能的实现方式中，所述毛细管设置于所述激光器的发热部件上。
在一种可能的实现方式中，所述激光器的发热部件集成于冷却金属板上；
所述毛细管折叠铺设于所述冷却金属板上。
在一种可能的实现方式中，所述毛细管嵌设于所述冷却金属板上设有的凹槽内，且与所述冷却金属板焊接。
在一种可能的实现方式中，所述冷却金属板内平行设有多个通孔；
所述毛细管包括插设于各所述通孔内的多个毛细管体，多个毛细管体的端部通过连接部依次首尾相连，形成迂回折返的通路。
在一种可能的实现方式中，所述冷却金属板内的多个通孔交错布设，使相邻的两个毛细管体位于不同的竖直平面内。
在一种可能的实现方式中，所述毛细管位于所述冷却金属板内部的长度在2m-20m范围内。
在一种可能的实现方式中，所述毛细管的进口和出口位于所述冷却金属板的同一侧。
在一种可能的实现方式中，所述毛细管为铜管。
在一种可能的实现方式中，所述主动制冷系统还包括四通阀；
所述四通阀包括第一接口、第二接口、第三接口及第四接口，其中第一接口通过循环管路与所述压缩机的出口连通，第二接口通过循环管路与所述冷凝器连通，第三接口通过循环管路与所述毛细管连通，第四接口通过循环管路与所述压缩机的进口连通。
本发明的优点及有益效果是：本发明提供的一种集成主动制冷的无水冷高功率激光器，通过将压缩机、冷凝器、蒸发器等组成的主动制冷系统，集成到高功率激光器中，将主动制冷系统中实现蒸发作的毛细管与高功率光纤激光器的发热区域紧密集成在一起，从而利用主动制冷系统中的高效制冷能力，直接使用制冷剂对高功率激光器运行过程中产生的热量进行管理，确保高功率激光器中的精确控温。
本发明主要是无需额外的水冷机对激光器进行热管理，能够实现激光器系统的精确控温，确保激光器的长期可靠性和复杂环境的稳定使用，同时降低了整机系统的体积，还有效地避免使用冷却液所带来的定期维护的问题。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例中一种集成主动制冷的无水冷高功率激光器的结构示意图；
图2为本发明实施例中毛细管在水冷板中的布设示意图；
图3为图2的侧视图。
图中：1为压缩机，2为四通阀，3为冷凝器，4为节流装置，5为毛细管，51为毛细管体，52为连接部，6为冷却金属板，7为激光器，a为第一接口，b为第二接口，c为第三接口，d为第四接口。
具体实施方式
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。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供的一种集成主动制冷的无水冷高功率激光器，能够实现激光器系统的精确控温，确保激光器的长期可靠性和复杂环境的稳定使用，同时降低了整机系统的体积，还有效地避免使用冷却液所带来的定期维护的问题。参见图1至图3所示，该集成主动制冷的无水冷高功率激光器，包括激光器7和主动制冷系统；主动制冷系统包括依次连接且形成循环回路的压缩机1、冷凝器3、节流装置4及毛细管5，循环回路内设有制冷剂；毛细管5设置于激光器7的发热区域内，可以使毛细管5通过蒸发器的作用，在激光器7内部形成局部低温空气区域，给局部空间散热，从而使激光器7的发热部件散热。
参见图1所示，本发明的实施例中，主动制冷系统还包括四通阀2；四通阀2包括第一接口a、第二接口b、第三接口c及第四接口d，其中第一接口a通过循环管路与压缩机1的出口连通，第二接口b通过循环管路与冷凝器3连通，第三接口c通过循环管路与毛细管5连通，第四接口d通过循环管路与压缩机1的进口连通。
本发明的一实施例中，将毛细管5直接设置于激光器7的发热部件上，这种将主动制冷系统的毛细管5集成到激光器系统需要散热的部件上，从而有效地对高功率激光器运行过程中产生的热量进行管理，确保高功率激光器中特定区域的精确控温。
本发明的另一实施例中，激光器7的发热部件集成于冷却金属板6上，毛细管5折叠铺设于冷却金属板6上。
本发明的实施例中，毛细管5与冷却金属板6的结合方式可采用镶嵌式结构，在冷却金属板6的外表面根据毛细管5的形状开设凹槽，将毛细管5嵌设于冷却金属板6上的凹槽内，且毛细管5与冷却金属板6焊接。
具体实际操作中，还可以使用典型的铝基板埋铜管工艺，将毛细管5和冷却金属板6进行紧密配合。铝基板埋铜管工艺的主要操作如下：先将铝基板用CNC加工铣槽，再采用冲压机将已弯好形状的铜管压到铝基板上，再进行钎焊焊接，然后进行加工成水冷板。
参见图2所示，本发明的实施例中，毛细管5与冷却金属板6的结合方式还可采用埋入式结构，在冷却金属板6内平行设有多个通孔；毛细管5包括插设于各通孔内的多个毛细管体51，多个毛细管体51的端部通过连接部52依次首尾相连，形成迂回折返的通路。
进一步地，参见图3所示，冷却金属板6内的多个通孔交错布设，使相邻的两个毛细管体51位于不同的竖直平面内，这样可以减少两个毛细管体51之间的间距，增加冷却金属板6中可以排布毛细管5的长度。根据实际使用情况，也可以将毛细管5排布在同一平面上。
本实施例中，有十六条毛细管体51嵌入到冷却金属板6中。为了让毛细管体51与冷却金属板6紧密结合，减少热阻，可以采用先在冷却金属板6中单向打孔，在冷却金属板6中形成一个通孔，然后将毛细管体51填充到该过通内，相邻毛细管体51之间通过钎焊等工艺焊接起来，形成一个封闭的回路。
本发明的实施例中，毛细管5为铜管，起到蒸发器作用的毛细管5与激光器7内部需要散热的区域进行紧密结合，这种结合可以是将该毛细管5嵌入激光器7内的冷却金属板6的内部。为了提高有效地热交换，毛细管5在冷却金属板6内部的长度在2m-20m范围内，且毛细管5的进口和出口位于冷却金属板6的同一侧，以提高集成度，减小体积。
本发明的实施例中，压缩机1、四通阀2、冷凝器3和与激光器7内部的冷却金属板6集成在一起的毛细管5形成主动冷却系统，主动冷却系统内部的制冷剂可采用R410等，主动冷却系统内部的低压、低温制冷剂被压缩机1吸入并压缩为高压、高温的过热蒸气，再通过四通阀2排送至冷凝器3内；通过冷凝器3的风扇将外部空气流经冷凝器，从而带走制冷剂放出的热量，使高压、高温的制冷剂蒸发气结为高压液体；高压液体经过节流装置4减压、降温流入集成在激光器7内部的毛细管5内，并吸收激光器7内部的热量，然后制冷剂再流转到压缩机1内，进行往复循环，实现持续地将激光器7内部的热量带走，实现有效的热管理。
本实施例中，冷却金属板6为激光器的散热部件，为了提高导热效率，冷却金属板6的金属材质选择如铝合金高导热系数的材质。冷却金属板6上放置有激光器7中的泵浦半导体激光器、光纤合束器、掺镱双包层光纤、光纤光栅、包层光滤除器等发热元器件。主动冷却系统的毛细管5与冷却金属板6紧密结合，并且毛细管5来回多次穿过冷却金属板6，通过冷却回路折叠铺设，充分吸收热量，进而能充分发挥散热效果，以便有效地将冷却金属板6中的热量导出带走，也就是将激光器中产生的热量带走，从而实现高效地热管理，提高散热效率。
本实施例中，激光器可以是高功率的光纤激光器、直接半导体激光器，也可以是固体激光器；主动冷却系统中的制冷剂可以是R410等不同型号。
本发明提供的一种集成了主动制冷系统的无水冷高功率激光器，通过由压缩机、冷凝器、蒸发器及毛细管等组成的主动制冷系统，集成到高功率激光器中，从而有效地对高功率激光器运行过程中产生的热量进行管理，确保高功率激光器中的精确控温。本发明主要是解决了无需额外的水冷机对激光器进行有效热管理，降低了整机系统的体积和尺寸；本发明还能够实现激光器系统的精确控温，确保激光器的长期可靠性和复杂环境的稳定使用；本发明相比无主动制冷系统的一体化设计，能够解决无主动冷却的激光器系统中，控温范围受环境影响大，不利于系统稳定运行的问题；本发明还具有无需使用冷却液的特点，不需要冷却液的储液罐、水管等器件，减少了整个系统的体积；减少了对水冷系统需要定期更换冷却液，以及冬天使用防冻液等使用维护要求，减少了使用维护成本。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种集成主动制冷的无水冷高功率激光器，其特征在于，包括激光器(7)和主动制冷系统；
所述主动制冷系统包括依次连接且形成循环回路的压缩机(1)、冷凝器(3)、节流装置(4)及毛细管(5)，所述循环回路内设有制冷剂；
所述毛细管(5)设置于所述激光器(7)的发热区域内，用于所述激光器(7)的发热部件散热。
2.根据权利要求1所述的集成主动制冷的无水冷高功率激光器，其特征在于，所述毛细管(5)设置于所述激光器(7)的发热部件上。
3.根据权利要求1所述的集成主动制冷的无水冷高功率激光器，其特征在于，所述激光器(7)的发热部件集成于冷却金属板(6)上；
所述毛细管(5)折叠铺设于所述冷却金属板(6)上。
4.根据权利要求3所述的集成主动制冷的无水冷高功率激光器，其特征在于，所述毛细管(5)嵌设于所述冷却金属板(6)上设有的凹槽内，且与所述冷却金属板(6)焊接。
5.根据权利要求3所述的集成主动制冷的无水冷高功率激光器，其特征在于，所述冷却金属板(6)内平行设有多个通孔；
所述毛细管(5)包括插设于各所述通孔内的多个毛细管体(51)，多个毛细管体(51)的端部通过连接部(52)依次首尾相连，形成迂回折返的通路。
6.根据权利要求5所述的集成主动制冷的无水冷高功率激光器，其特征在于，所述冷却金属板(6)内的多个通孔交错布设，使相邻的两个毛细管体(51)位于不同的竖直平面内。
7.根据权利要求3所述的集成主动制冷的无水冷高功率激光器，其特征在于，所述毛细管(5)位于所述冷却金属板(6)内部的长度在2m-20m范围内。
8.根据权利要求3所述的集成主动制冷的无水冷高功率激光器，其特征在于，所述毛细管(5)的进口和出口位于所述冷却金属板(6)的同一侧。
9.根据权利要求1所述的集成主动制冷的无水冷高功率激光器，其特征在于，所述毛细管(5)为铜管。
10.根据权利要求1所述的集成主动制冷的无水冷高功率激光器，其特征在于，所述主动制冷系统还包括四通阀(2)；
所述四通阀(2)包括第一接口(a)、第二接口(b)、第三接口(c)及第四接口(d)，其中第一接口(a)通过循环管路与所述压缩机(1)的出口连通，第二接口(b)通过循环管路与所述冷凝器(3)连通，第三接口(c)通过循环管路与所述毛细管(5)连通，第四接口(d)通过循环管路与所述压缩机(1)的进口连通。
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