CN113437624A - 用于一体机风冷固体激光器的内主动控温散热模组及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于一体机风冷固体激光器的内主动控温散热模组及方法，包括模组座，所述模组座顶部设置有用于安装激光器的冷却底板，所述模组座内设置有与冷却底板底部连接的半导体制冷片和铝翅散热器，所述模组座一侧侧壁中部设置有风扇组，所述模组座另一侧侧壁上设置有与风扇组对应设置的出风口，所述模组座上设置有用于控制风扇组工作的供电接口，所述模组座内设置有温控板，所述模组座上设置有用于与温控板连接的通信接口；本发明利用铝翅片散热器、大风量风扇及半导体制冷片对冷却底板进行散热，同时加装温度反馈，通过温控板实现精准控温，使置于冷却底板上的小功率固体激光器温度达到动态稳定状态。
Description
技术领域
本发明属于用激光束加工，例如焊接，切割，打孔的技术领域，具体是适用于小功率风冷固体激光器的一体机的紧凑型被动冷却模组。
背景技术
全固态激光器中对激光晶体冷却方式大体可分为三种方式：“液冷、半导体制冷、风冷传导散热”。
其中液冷可以通过控制液体温度和流量来达到较好的冷却效果，其以恒温水作为冷却方式，需要一台单独的激光水冷机提供冷却；增加的激光水冷机除了在成本方面没有优势，还会在湿度要求较高的环境下无法满足要求。
半导体(TEC)制冷需要在半导体制冷片基础上加散热片风扇制冷的方式，这种方式制冷温度精度控制的较好，但要增加温控电路等相关设备，增加了激光器整体体积，并且半导体制冷所用的半导体制冷片可使用时间较短，长时间使用半导体制冷片易损坏，不适合工业产品的实际应用。
水冷和半导体制冷的方式一般制冷温度低于室温，在实际使用中常常会使晶体表面局部温度低于室温，遇空气中的冷空气易结雾，在激光器运行时容易损坏晶体表面，缩减激光器使用寿命；另外在端面泵浦激光器中，由于各种制冷方式的局限性，只能依赖侧面制冷，激光晶体沿激光运行垂直的切面上中间到边缘有较高的温度差，随之而引起的热透镜效应使激光束输出光模式变差。
全风冷散热工业激光器的优点是结构简单，运行稳定，使用寿命长，特别适用于较差环境下的长时间运行，高稳定使用；并且全风冷散热方式可以减小激光棒沿光路垂直方向切面中间到边缘的温度差，减轻热透镜效应对激光输出光束带来的不利影响，进而改善激光器光束输出质量。
中国发明专利申请号为ZL200910253670,专利名称为：全风冷散热的双泵浦双晶体激光器，该专利公开了一种全风冷散热的双泵浦双晶体激光器其包含风冷散热装置、第一激光晶体、第二激光晶体、第一激光晶体夹具、第二激光晶体夹具和带有散热出口的壳体，其中，风冷散热装置主要由风扇和散热片组成，所述的第一激光晶体夹具和第二激光晶体夹具上设有用于夹持激光晶体的安置槽孔，所述的第一激光晶体夹具和第二激光晶体夹具固定在散热片上，所述的安置槽孔纵向剖面为菱形，菱形对角线与放置在安置槽孔上的激光晶体的C轴一致，所述的第一和第二激光晶体外形与安置槽孔相匹配，所述的安置槽孔出口横切面呈喇叭形状，其工作时，激光晶体产生的热能以热传导方式通过激光晶体的四个接触面传导到晶体夹具上，晶体夹具再将热传导到激光器外壳的底板上，传导出的热量由激光器外壳下部的风扇直接吹底板下方的散热片，将热量最终带出激光器，传到周围空气中，已达到对激光晶体的有效冷却。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于一体机风冷固体激光器的内主动控温散热模组及方法，该用于一体机风冷固体激光器的内主动控温散热模组及方法利用铝翅片散热器、大风量风扇及半导体制冷片对冷却底板进行散热，同时加装温度反馈，通过温控板实现精准控温，使置于冷却底板上的小功率固体激光器温度达到动态稳定状态。
为了达到上述目的，本发明一种用于一体机风冷固体激光器的内主动控温散热模组及方法，包括模组座，所述模组座顶部设置有用于安装激光器的冷却底板，所述模组座内设置有与冷却底板底部连接的半导体制冷片和铝翅散热器，所述模组座一侧侧壁中部设置有风扇组，所述模组座另一侧侧壁上设置有与风扇组对应设置的出风口，所述模组座上设置有用于控制风扇组工作的供电接口，所述模组座内设置有温控板，所述模组座上设置有用于与温控板连接的通信接口。
进一步，所述温控板设置为1对且对称设置在冷却底板的底部。
进一步，所述半导体制冷片和铝翅散热器连接在冷却底板底部中间位置，所述半导体制冷片冷端与冷却底板相贴，热端与铝翅散热器相贴。
进一步，所述半导体制冷片和铝翅散热器设置在1对温控板之间。
进一步，所述模组座包括两侧的长侧板以及前端和后端短侧板，所述长侧板和短侧板均通过螺栓固定在冷却底板四周边缘处。
进一步，所述风扇组设置为4-6个风扇，所述风扇通过安装螺栓固定在长侧板内侧侧壁上，所述长侧板上设置有与风扇一一对应设置的进风孔。
进一步，所述铝翅散热器设置为均布在冷却底板上的铝翅散热片，相邻的铝翅散热片之间设置有散热通道，所述散热通道均布在进风孔和出风口之间。
进一步，所述模组座上设置有将其固定在激光器机架上的固定支脚。
本发明还公开了一种用于一体机风冷固体激光器的内主动控温散热模组及方法的散热控制方法，其步骤在于，
1)将激光器置于冷却模组的冷却底板上，激光器工作时产生热量，传递给冷却底板；
2)温控板开始工作，检测冷却底板实时温度；
3)在温控板的控制下，半导体制冷片工作，从冷却底板吸热，对铝翅散热器放热；
4)铝翅散热器温度升高，风扇对铝翅散热器提供高流量冷空气，从而为铝翅散热器散热；
5)温控板接收温度探测器的实时状态，根据设定平衡温度值，控制半导体制冷片的工作电流以实现对冷却底板的恒温控制。
本发明的有益效果在于：
1、本发明用于一体机风冷固体激光器的内主动控温散热模组及方法利用铝翅片散热器、大风量风扇及半导体制冷片对冷却底板进行散热，同时加装温度反馈，通过温控板实现精准控温，使置于冷却底板上的小功率固体激光器温度达到动态稳定状态。
2、本发明用于一体机风冷小功率固体激光器的内置循环被动冷却模组及方法中所述风扇型号：AFB0624SH；电流：0.18A；风量：38CFM；所述铝翅散热器的比热容为900KJ/kg·K，本实施例中铝翅散热器的比热容为900KJ/kg·K,而铜翅散热器的比热容为386KJ/kg·K，铝翅散热器是铜翅散热器的三倍；比热容高的介质，在上升或者下降1摄氏度时，所吸收或者散发的热量也就越多；铝翅散热器：散热器热阻小，风翅间距，表面积适宜，风量大风扇对齐进行散热，半导体制冷片的最大散热量：57W(TH50℃)；半导体制冷片最大温差：72℃(75℃)；采用本实施例后固定激光器中心温度控制在30.2度±0.4度。
附图说明
图1是本发明用于一体机风冷固体激光器的内主动控温散热模组及方法的左侧结构示意图；
图2是本发明用于一体机风冷固体激光器的内主动控温散热模组及方法的右侧结构示意图。
图3是本发明用于一体机风冷固体激光器的内主动控温散热模组及方法的底部方向结构示意图；
图4是本发明用于一体机风冷固体激光器的内主动控温散热模组及方法实施后的温度检测图。
附图标记：1-模组座，2-冷却底板，3-铝翅散热器，4-固定支脚，5-通信接口，6-供电接口，7-出风口，8-风扇；9-安装螺栓；10-温控板；11-半导体制冷片。
具体实施方式
下面结合实施例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明的发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
如图1-4为本发明用于一体机风冷固体激光器的内主动控温散热模组及方法的结构示意图，本发明一种用于一体机风冷固体激光器的内主动控温散热模组及方法，包括模组座1，所述模组座1顶部设置有用于安装激光器的冷却底板2，所述模组座1内设置有与冷却底板2底部连接的半导体制冷片11和铝翅散热器3，所述模组座1一侧侧壁中部设置有风扇组，所述模组座1另一侧侧壁上设置有与风扇组对应设置的出风口7，所述模组座1上设置有用于控制风扇组工作的供电接口6，所述模组座1内设置有温控板10，所述模组座1上设置有用于与温控板10连接的通信接口5。
本实施例利用铝翅片散热器3、大风量风扇及半导体制冷片11对冷却底板2进行散热，同时加装温度反馈，通过温控板实现精准控温，使置于冷却底板上的小功率固体激光器温度达到动态稳定状态。
优选的实施方式，所述温控板10设置为1对且对称设置在冷却底板2的底部，通过加装温度反馈，对输入电流的控制，可实现对半导体制冷片高精度的温度控制。
优选的实施方式，所述半导体制冷片11和铝翅散热器3连接在冷却底板1底部中间位置，所述半导体制冷片11冷端与冷却底板2相贴，热端与铝翅散热器3相贴，本实施例通过铝翅散热器上方装有6个半导体制冷片，半导体制冷片上方为冷却底板，半导体制冷片冷端与冷却底板相贴，热端与铝翅散热器相贴，通过加装温度反馈，对输入电流的控制，可实现对半导体制冷片高精度的温度控制；同时风扇对铝翅散热器降温，从而为制冷片的热端散热，这种主动散热的方式可以降低热端温度，那么冷端温度也会相应的下降，从而达到更低的温度，该模组采用半导体制冷片自动降温及外部主动散热方式相结合的手段，实现该冷却模组的自动控制。
优选的实施方式，所述半导体制冷片11和铝翅散热器3设置在1对温控板10之间。
优选的实施方式，所述模组座1包括两侧的长侧板以及前端和后端短侧板，所述长侧板和短侧板均通过螺栓固定在冷却底板2四周边缘处。
优选的实施方式，所述风扇组设置为4-6个风扇8，所述风扇8通过安装螺栓9固定在长侧板内侧侧壁上，所述长侧板上设置有与风扇8一一对应设置的进风孔，本实施例左侧安装大风量风扇，中间安装铝翅散热器，右侧为热风出风口，实现冷热风的循环。
优选的实施方式，所述铝翅散热器3设置为均布在冷却底板上的铝翅散热片，相邻的铝翅散热片之间设置有散热通道，所述散热通道均布在进风孔和出风口之间。
优选的实施方式，所述模组座1上设置有将其固定在激光器机架上的固定支脚4。
本发明还公开了一种用于一体机风冷固体激光器的内主动控温散热模组及方法的散热控制方法，其步骤在于，
1)将激光器置于冷却模组的冷却底板上，激光器工作时产生热量，传递给冷却底板；
2)温控板开始工作，检测冷却底板实时温度；
3)在温控板的控制下，半导体制冷片工作，从冷却底板吸热，对铝翅散热器放热；
4)铝翅散热器温度升高，风扇对铝翅散热器提供高流量冷空气，从而为铝翅散热器散热；
5)温控板接收温度探测器的实时状态，根据设定平衡温度值，控制半导体制冷片的工作电流以实现对冷却底板的恒温控制。
本实施例中风扇型号为：AFB0624SH；电流：0.18A；风量：38CFM；铝翅散热器的比热容为900KJ/kg·K，本实施例中铝翅散热器的比热容为900KJ/kg·K,而铜翅散热器的比热容为386KJ/kg·K，铝翅散热器是铜翅散热器的三倍；比热容高的介质，在上升或者下降1摄氏度时，所吸收或者散发的热量也就越多；铝翅散热器：散热器热阻小，风翅间距，表面积适宜，风量大风扇对齐进行散热，半导体制冷片的最大散热量：57W(TH50℃)；半导体制冷片最大温差：72℃(75℃)；采用本实施例后固定激光器中心温度控制在30.2度±0.4度。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (9)
1.一种用于一体机风冷固体激光器的内主动控温散热模组，其特征在于：包括模组座，所述模组座顶部设置有用于安装激光器的冷却底板，所述模组座内设置有与冷却底板底部连接的半导体制冷片和铝翅散热器，所述模组座一侧侧壁中部设置有风扇组，所述模组座另一侧侧壁上设置有与风扇组对应设置的出风口，所述模组座上设置有用于控制风扇组工作的供电接口，所述模组座内设置有温控板，所述模组座上设置有用于与温控板连接的通信接口。
2.根据权利要求1所述的一种用于一体机风冷固体激光器的内主动控温散热模组，其特征在于：所述温控板设置为1对且对称设置在冷却底板的底部。
3.根据权利要求2所述的一种用于一体机风冷固体激光器的内主动控温散热模组，其特征在于：所述半导体制冷片和铝翅散热器连接在冷却底板底部中间位置，所述半导体制冷片冷端与冷却底板相贴，热端与铝翅散热器相贴。
4.根据权利要求3所述的一种用于一体机风冷固体激光器的内主动控温散热模组，其特征在于：所述半导体制冷片和铝翅散热器设置在1对温控板之间。
5.根据权利要求1～4任一项所述的一种用于一体机风冷固体激光器的内主动控温散热模组，其特征在于：所述模组座包括两侧的长侧板以及前端和后端短侧板，所述长侧板和短侧板均通过螺栓固定在冷却底板四周边缘处。
6.根据权利要求5所述的一种用于一体机风冷固体激光器的内主动控温散热模组，其特征在于：所述风扇组设置为4-6个风扇，所述风扇通过安装螺栓固定在长侧板内侧侧壁上，所述长侧板上设置有与风扇一一对应设置的进风孔。
7.根据权利要求6所述的一种用于一体机风冷固体激光器的内主动控温散热模组，其特征在于：所述铝翅散热器设置为均布在冷却底板上的铝翅散热片，相邻的铝翅散热片之间设置有散热通道，所述散热通道均布在进风孔和出风口之间。
8.根据权利要求1所述的一种用于一体机风冷固体激光器的内主动控温散热模组，其特征在于：所述模组座上设置有将其固定在激光器机架上的固定支脚。
9.一种利用权利要求1～8任一项所述的用于一体机风冷固体激光器的内主动控温散热模组的散热控制方法，其特征在于：其步骤在于，
1)将激光器置于冷却模组的冷却底板上，激光器工作时产生热量，传递给冷却底板；
2)温控板开始工作，检测冷却底板实时温度；
3)在温控板的控制下，半导体制冷片工作，从冷却底板吸热，对铝翅散热器放热；
4)铝翅散热器温度升高，风扇对铝翅散热器提供高流量冷空气，从而为铝翅散热器散热；
5)温控板接收温度探测器的实时状态，根据设定平衡温度值，控制半导体制冷片的工作电流以实现对冷却底板的恒温控制。
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