CN115663571B - 激光器的低功耗散热冷却装置及冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种激光器的低功耗散热冷却装置及冷却方法，其包括散热基座，散热基座具有一用于安置激光器发热部件的安装导热面、及设置于安装导热面下方基座座体中并于激光器工作时吸热的相变吸热腔、以及设置于相变吸热腔相对安装导热面的另一侧基座座体中并于激光器停止工作时散热的冷却散热通道；其中，相变吸热腔中填充有相变材料，冷却散热通道的两端连接于冷却系统的冷却液循环管路中，且冷却散热通道中设有多个自相变吸热腔外壁延伸至冷却散热通道内的散热翅片；通过相变材料进行吸热，不仅能够快速吸收瞬时高热流冲击热量，还能够控制激光器始终保持在稳定的温度范围内工作；相变材料吸收的热量通过冷却散热通道经冷却介质带走，实现散热。

Description

激光器的低功耗散热冷却装置及冷却方法

技术领域

本发明涉及激光器冷却技术领域，特别是涉及一种激光器的低功耗散热冷却装置及冷却方法。

背景技术

激光因其亮度极高、相干性强、方向性好及通过透镜后可高度集中等特点在各领域广泛应用，如加工、医疗和科学研究领域。在工业领域，激光打标、划线、切割、钻孔、材料去除、表面处理及特殊材料加工等有着广泛的应用。随着激光装置功率不断提升，热耗散功率随之增加，若不能及时消除耗散功率转化的热量，激光装置温度剧增，激光器的阈值电流升高，效率降低，激光波长发生严重温漂，从而影响材料性能并缩短其使用寿命。并且，伴随激光器的小型化、轻量化、集成化等设计，激光器内部的散热空间进一步缩小，热流密度会进一步升高。

而现有技术中，激光器一般采用多组带有冷却水循环水道的水冷板分别对光学器件和电气部件进行散热。采用水冷板冷却的方式，有几个不足之处：

一，为了满足大功率激光器的散热需求，需要不断增大冷却液流量，导致整个散热系统的泵、管路、液冷板体积、重量增大，而且散热功耗也逐渐增大；

二，冷却液流量增大，导致整个散热系统内部压力过大，散热系统接头处的泄露几率增加，一旦泄露，将是对激光器致命的伤害；

三，采用液冷板液冷的散热方式，进出口存在温差，导致激光模温度不均一，影响激光器的波长性能。

激光器的功率越大，发热量越大，需要散热的功耗继而越大，当激光器的功率水平一旦达到千瓦级水平，其热管理必须采取液冷的方式，然而，传统的实时液冷系统，其装置体积和重量规模较大、功耗较高，不利于工程实际应用。

申请号为CN201710283197.8的专利申请，采用的技术方案是提供一种热容冷却液体激光器，包括：泵浦源、第一谐振腔镜、第二谐振腔镜、液体增益管、相变材料层、冷却流道、液泵、第一流道管和第二流道管；其中，泵浦源发出的泵浦光能够照射至液体增益管；第一谐振腔镜和第二谐振腔镜设置于液体增益管的两侧；液体增益管与第一流道管的相连通，液体增益管与第二流道管相连通；第一流道管的另一端与冷却流道的一端相连通，第二流道管的另一端与冷却流道的另一端相连通；液泵设置于第一流道管或第二流道管的内部；相变材料层设置于冷却流道的外部；液体增益管、冷却流道、第一流道管和第二流道管内装有液体增益物质。

上述文件公开了采用相变材料吸收液体增益物质中的热量，控制液体激光器在短时间内工作温度保持基本不变，维持液体激光器正常工作。但是其仅公开了激光器产生的热量由液体增益物质经冷却管道传导给相变材料，但是在该方案中，相变材料吸收热量却没有给出相变材料散热的方案，热量被相变材料吸收后必须将热量释放出去才能进行下一次吸热，且液体增益物质无法快速吸收激光器工作时产生的瞬时高热流冲击，极大的影响了激光器的使用寿命，因此，亟待提供一种能够对相变材料进行散热并能解决高热流冲击对激光器影响的激光器冷却散热装置。

发明内容

为了克服现有的激光器冷却技术的不足，本发明提供一种激光器的低功耗散热冷却装置及冷却方法，能够对相变材料进行散热并能解决高热流冲击对激光器影响。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种激光器的低功耗散热冷却装置，其包括：散热基座，所述散热基座具有一用于安置激光器发热部件的安装导热面、及设置于所述安装导热面下方基座座体中并于激光器工作时吸热的相变吸热腔、以及设置于所述相变吸热腔相对安装导热面的另一侧基座座体中并于激光器停止工作时散热的冷却散热通道；其中，所述相变吸热腔中填充有相变材料，所述冷却散热通道的两端连接于冷却系统的冷却液循环管路中，且所述冷却散热通道中设有多个自相变吸热腔外壁延伸至冷却散热通道内的散热翅片。

优选的，所述散热基座包括至少一导热板，所述散热基座至少一侧内凹形成容置腔，所述导热板密封盖设于所述内凹容置腔上，与所述容置腔合围形成相变吸热腔。

优选的，所述相变吸热腔内设有尺寸与其配合设置的泡沫石墨，所述相变材料填充于所述泡沫石墨中，所述泡沫石墨的上、下表面分别与导热板、容置腔腔体底面呈水平面接触。

优选的，所述泡沫石墨的上、下表面分别与导热板、容置腔腔体底面焊接在一起。

优选的，采用低温钎焊将所述泡沫石墨的上、下表面分别与导热板、容置腔腔体底面焊接在一起。

优选的，所述相变吸热腔相对导热板的另一侧腔壁形成为冷却散热通道的其中一侧腔壁。

优选的，所述散热基座包括上导热板、下导热板，所述散热基座的上下两侧分别内凹形成有上、下容置腔，所述上、下导热板分别与上、下容置腔密封合围形成上、下相变吸热腔，所述上、下相变吸热腔之间设有冷却散热通道。

优选的，所述上、下相变吸热腔相对设置的一侧腔壁分别形成为冷却散热通道两相对设置的腔壁，且两相对腔壁分别自腔壁向冷却散热通道内凸起延伸出多个散热翅片。

优选的，所述翅片本体沿冷却介质流动的方向延伸设置。

一种激光器的低功耗散热冷却方法，其特征在于，其采用上述激光器的低功耗散热冷却装置来实施，包括：

在激光器工作时，冷却系统关闭，激光器产生的热量及瞬时高热流冲击热量均由相变吸热腔内的相变材料吸收；

在激光器停止工作后，开启冷却系统，向散热冷却通道中循环通入冷却液，由散热翅片将相变材料中的热量传导给冷却液，并由冷却液带走散热。

本发明的有益效果是：

本发明通过安装导热面将激光器产生的热量直接传导至相变吸热腔，由相变吸热腔内的相变材料进行吸热，不仅能够在激光器工作时快速吸收激光器工作时产生的瞬时高热流冲击热量，还能够控制激光器始终保持在一个稳定的温度范围内工作；相变材料吸收的热量在激光器停止工作时通过冷却散热通道经冷却介质带走，实现散热。本发明将吸热工作和散热工作区分开来，形成为两个独立的功能区，从而不仅能够对激光器实现良好的控温，还能够仅通过小功率冷却系统实现激光器的散热降温，极大的降低了激光器冷却降温的功耗，且进一步的还缩小了激光器整体体积。

2.本发明设置所述泡沫石墨的上、下表面分别与导热板、腔体底面呈水平面接触，以降低热阻；为进一步降低热阻，所述泡沫石墨的上、下表面分别与导热板、腔体底面焊接在一起；具体的，所述泡沫石墨的上、下表面分别与导热板、腔体底面采用低温钎焊焊接在一起。

3.本发明所述激光器的低功耗散热冷却方法，设置所述冷却散热通道的两端连接于冷却系统的冷却液循环管路中，所述冷却系统在激光器停止工作后启动工作，并在激光器启动前停止工作；从而能够避免激光器工作时，冷却系统同时工作对激光器产生振动干扰，影响激光器工作的稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例1的激光器的低功耗散热冷却装置的爆炸结构示意图。

图2为本发明实施例1的激光器的低功耗散热冷却装置的截面剖视图。

图3为本发明实施例2的激光器的低功耗散热冷却装置的爆炸结构示意图。

图4为本发明实施例2的激光器的低功耗散热冷却装置的截面剖视图。

附图中各部件的标记如下：

1、散热基座；101、导热面；11、导热板；12、相变吸热腔；102、容置腔；13、泡沫石墨；14、相变材料；15、冷却散热通道；151、散热翅片；111、上导热板；112、下导热板；102a、上容置腔；102b、下容置腔；121、上相变吸热腔；122、下相变吸热腔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例1

如图1至图2所示，本发明实施例1提供一种激光器的低功耗散热冷却装置，其包括：散热基座1，所述散热基座1具有一用于安置激光器发热部件的安装导热面101、及设置于所述安装导热面101下方基座座体中并于激光器工作时吸热的相变吸热腔12、以及设置于所述相变吸热腔12相对安装导热面101的另一侧基座座体中并于激光器停止工作时散热的冷却散热通道15；其中，所述相变吸热腔12中填充有相变材料14，所述冷却散热通道15的两端连接于冷却系统的冷却液循环管路中，且所述冷却散热通道15中设有多个自相变吸热腔12外壁延伸至冷却散热通道15内的散热翅片。相变材料14能够快速吸收激光器工作时产生的瞬时高热流冲击热量，并控制激光器始终保持在一个稳定的温度范围内工作；散热翅片151用于将相变吸热腔12中的热量传导至冷却散热通道15中，并在激光器停止工作时由循环冷却液将热量带走，实现散热。

如图1所示，散热基座1包括一导热板11，散热基座1一侧内凹形成容置腔102，导热板11密封盖设于容置腔102上，与容置腔102合围形成相变吸热腔12。如此，导热板11本体即为相变吸热腔12的其中一个腔壁；导热板11上激光器发热部件产生的热量能够通过导热板11本体直接传导至相变吸热腔12中，减少了热量传导路径，使热量能够快速的传递给相变吸热腔12。优选的，导热板11为金属板。

相变吸热腔12内设有尺寸与其配合设置的泡沫石墨13，泡沫石墨13中填充有相变材料14；相变材料14具有良好的导热性能和控温效果，利用相变材料14的特性，不仅能够快速吸收激光器工作时产生的瞬时高热流冲击热量，并控制激光器始终保持在一个稳定的温度范围内工作，从而避免激光器因工作温度超过设定阈值而影响激光器的正常工作及使用寿命的问题。泡沫石墨13能够将导热板11上的热量均匀传导至相变吸热腔12中的各个位置，使分布于相变吸热腔12中的相变材料14均能同时吸收热量，进而提高相变吸热腔12内的整体吸热性能。

具体如图2所示，泡沫石墨13的上、下表面分别与导热板11、容置腔102腔体底面呈水平面接触。且为进一步降低热阻，泡沫石墨13的上、下表面分别与导热板11、容置腔102腔体底面焊接在一起；具体的，泡沫石墨13的上、下表面分别与导热板11、容置腔102腔体底面采用低温钎焊焊接在一起。

冷却散热通道15沿相变吸热腔12长度方向贯穿于散热基座1，并紧贴相变吸热腔12设置；优选的，相变吸热腔12相对导热板11的另一侧腔壁即为冷却散热通道15的其中一个腔壁。相变吸热腔12吸收热量后，相变材料14从固态变为液态，需要进行散热；为提高散热效率，如图2所示，冷却散热通道15中设有多个散热翅片151，散热翅片151自相变吸热腔12外壁延伸至冷却散热通道15内，通过增大散热面积来提高散热效率。优选的，散热翅片151本体沿冷却介质流动的方向延伸设置，降低散热翅片151对冷却介质流动形成的阻碍。

冷却散热通道15的两端连接于冷却系统的冷却液循环管路，通过冷却液循环将散热翅片151传导的热量带走。由于冷却散热通道15并不直接对激光器产生的瞬时高热流进行冷却散热，而是在相变吸热腔12吸热后，对相变吸热腔12中存储的热量进行冷却消散；因此，仅需要采用小功率冷却系统对其进行循环冷却即可，极大的降低了整个工作周期内的能耗；经试验发现，本发明实施例所用冷却系统的功耗相比于直接水冷冷却系统的功耗能减少50％或以上。且小功率冷却系统的体积比大功率冷却系统的体积小，所以还进一步缩小了激光器整体体积。

本发明实施例1所述的激光器的低功耗散热冷却装置，其通过安装导热面101将激光器产生的热量直接传导至相变吸热腔12，由相变吸热腔12内的相变材料14进行吸热，不仅能够快速吸收激光器工作时产生的瞬时高热流冲击热量，还能够控制激光器始终保持在一个稳定的温度范围内工作；相变材料14吸收的热量通过冷却散热通道15经冷却介质带走，实现散热。本发明将吸热工作和散热工作区分开来，形成为两个独立的功能区，不仅能够对激光器实现良好的控温，还能够仅通过小功率冷却系统实现激光器的散热降温，极大的降低了激光器冷却降温的功耗。

实施例2

基于实施例1，本发明实施例2提供另一种激光器的低功耗散热冷却装置，如图3至图4所示，实施例2的激光器的低功耗散热冷却装置包括散热基座1，散热基座1包括上导热板111、下导热板112，散热基座1的上下两侧分别内凹形成有上、下容置腔102a、102b(图中未显示)，上、下导热板111、112分别与上、下容置腔102a、102b(图中未显示)密封合围形成上、下相变吸热腔121、122，上、下相变吸热腔121、122内均设有尺寸与腔体配合设置的泡沫石墨13，且泡沫石墨13中填充有相变材料14。

上、下相变吸热腔121、122之间设有冷却散热通道15。优选的，上、下相变吸热腔121、122相对设置的一侧腔壁分别形成为冷却散热通道15两相对设置的腔壁，且两相对腔壁上分别自腔壁向冷却散热通道15内凸起延伸出多个散热翅片151。

本发明实施例2通过在散热基座1上下两侧分别设置上导热板111、下导热板112和上、下相变吸热腔121、122，其中，上导热板111、上相变吸热腔121以及冷却散热通道15形成上侧冷却散热单元，下导热板112、下相变吸热腔122以及冷却散热通道15形成下侧冷却散热单元，散热基座1上下表面均可实现散热，如此，散热基座1的散热使用面积增大，可适用于发热部件较多的大型激光器。

实施例3

基于实施例1、2，本发明实施例3提供一种激光器的低功耗散热冷却方法，其采用实施例1或实施例2中所述的激光器的低功耗散热冷却装置来实施，包括：

基于激光器间歇式的工作模式，在激光器工作时，冷却系统关闭，激光器产生的热量及瞬时高热流冲击热量均由相变吸热腔12内的相变材料14吸收，在激光器停止工作后，冷却系统开启，向散热冷却通道中循环通入冷却液，由散热翅片151将相变材料14中的热量传导给冷却液，并由冷却液带走散热。

采用本发明实施例3激光器的低功耗散热冷却方法，能够避免激光器工作时，冷却系统同时工作对激光器产生振动干扰，影响激光器工作的稳定性。

以上仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种激光器的低功耗散热冷却装置，其特征在于，包括：散热基座，所述散热基座具有一用于安置激光器发热部件的安装导热面、及设置于所述安装导热面下方基座座体中并于激光器工作时吸热的相变吸热腔、以及设置于所述相变吸热腔相对安装导热面的另一侧基座座体中并于激光器停止工作时散热的冷却散热通道；其中，所述相变吸热腔中填充有相变材料，所述冷却散热通道的两端连接于冷却系统的冷却液循环管路中，且所述冷却散热通道中设有多个自相变吸热腔外壁延伸至冷却散热通道内的散热翅片；

其中，所述散热基座包括至少一导热板，所述散热基座至少一侧内凹形成容置腔，所述导热板密封盖设于所述容置腔上，与所述容置腔合围形成相变吸热腔。

2.根据权利要求1所述的激光器的低功耗散热冷却装置，其特征在于，所述相变吸热腔内设有尺寸与其配合设置的泡沫石墨，所述相变材料填充于所述泡沫石墨中，所述泡沫石墨的上、下表面分别与导热板、容置腔腔体底面呈水平面接触。

3.根据权利要求2所述的激光器的低功耗散热冷却装置，其特征在于，所述泡沫石墨的上、下表面分别与导热板、容置腔腔体底面焊接在一起。

4.根据权利要求3所述的激光器的低功耗散热冷却装置，其特征在于，所述泡沫石墨的上、下表面分别与导热板、容置腔腔体底面通过低温钎焊工艺焊接在一起。

5.根据权利要求1所述的激光器的低功耗散热冷却装置，其特征在于，所述相变吸热腔相对导热板的另一侧腔壁形成为冷却散热通道的其中一侧腔壁。

6.根据权利要求1所述的激光器的低功耗散热冷却装置，其特征在于，所述散热基座包括上导热板、下导热板，所述散热基座的上下两侧分别内凹形成有上、下容置腔，所述上、下导热板分别与上、下容置腔密封合围形成上、下相变吸热腔，所述上、下相变吸热腔之间设有冷却散热通道。

7.根据权利要求6所述的激光器的低功耗散热冷却装置，其特征在于，所述上、下相变吸热腔相对设置的一侧腔壁分别形成为冷却散热通道两相对设置的腔壁，且两相对腔壁分别自腔壁向冷却散热通道内凸起延伸出多个散热翅片。

8.根据权利要求1所述的激光器的低功耗散热冷却装置，其特征在于，所述翅片本体沿冷却介质流动的方向延伸设置。

9.一种激光器的低功耗散热冷却方法，其特征在于，其采用权利要求1至8中任意一项权利要求所述的激光器的低功耗散热冷却装置来实施，包括：

在激光器工作时，冷却系统关闭，激光器产生的热量及瞬时高热流冲击热量均由相变吸热腔内的相变材料吸收；

在激光器停止工作后，开启冷却系统，向散热冷却通道中循环通入冷却液，由散热翅片将相变材料中的热量传导给冷却液，并由冷却液带走散热。