CN115764521A - 一种机载光纤激光器冷却模块及具有该模块的光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤激光器冷却技术领域，提供一种机载光纤激光器冷却模块及具有该模块的光纤激光器，包括热疏导板、盖板，热疏导板下表面平行设有两个支撑板并在两支撑板间设多根绕流柱，热疏导板上表面设光纤安装槽，光纤安装槽的首端、尾端均贯穿热疏导板的侧壁并分别形成光纤入口、出口；热疏导板的上下表面之间开设有热疏腔体，热疏腔体内壁设有毛细结构层且内部充有液体工质。本发明能够以简单结构实现疏导式热管被动冷却与外界来流主动冷却的巧妙结合，提升冷却效率，增强冷却效果，节省动力与重量，解决现有水冷技术需复杂附属装置及额外动力来维持液体流动和工质循环而增加飞行器载荷负担及液体泄漏可能导致光纤激光器失效的技术问题。

Description

一种机载光纤激光器冷却模块及具有该模块的光纤激光器

技术领域

本发明涉及光纤激光器冷却技术领域，尤其是涉及一种机载光纤激光器冷却模块及具有该模块的光纤激光器。

背景技术

光纤激光器以光纤作为增益介质，光束质量好、转换效率高，常用于飞行器上。中高功率光纤激光器工作过程中会产生大热流，如不能及时散发，会显著破坏其工作状态和工作性能，以致使光纤激光器失效。因此，需要对光纤激光器进行冷却。

现有光纤激光器主要采用水冷技术进行冷却。此种技术中的水冷结构利用光纤通道内液体流动换热实现冷却，其维持光纤通道内液体流动需要复杂的附属装置，并提供工质循环的额外动力，而且若发生液体泄漏极易损毁光纤激光器导致其工作失效。对于机载光纤激光器，尤其是搭载于固定翼和旋翼无人机上的光纤激光器，受飞行平台载荷重量以及挂载结构的制约，难以应用此种冷却技术。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种机载光纤激光器冷却模块及具有该模块的光纤激光器，能够以简单结构实现疏导式热管被动冷却与外界来流主动冷却的巧妙结合，提升冷却效率，增强冷却效果，节省动力与重量，解决了现有水冷技术需复杂附属装置及额外动力来维持液体流动和工质循环而增加飞行器载荷负担及液体泄漏可能导致光纤激光器工作失效的技术问题。

本发明的技术方案为：

一种机载光纤激光器冷却模块，包括至少一个冷却子模块；所述冷却子模块包括热疏导板2、盖板1，所述热疏导板2的下表面平行设置有两个支撑板6，所述热疏导板2的下表面在两个所述支撑板6之间设置有多根绕流柱4，所述热疏导板2的上表面开设有光纤安装槽3，所述光纤安装槽3的首端、尾端均贯穿所述热疏导板2的侧壁并分别形成光纤入口、光纤出口，所述盖板1固定在所述热疏导板2的上表面；所述热疏导板2的上表面与下表面之间开设有热疏腔体，所述热疏腔体的内壁设置有毛细结构层5，所述热疏腔体内充有液体工质。

进一步的，所述光纤安装槽3的横截面形状为蛇形或迂回弯折形，所述光纤安装槽3的纵截面形状为U型、半圆形、V型、矩形中的一种。

进一步的，所述蛇形从左至右依次包括第1、2、3、…、n-1、n条直线，n条直线相互平行，第m条直线的后端与第m+1条直线的后端之间、第s条直线的前端与第s+1条直线的前端之间均通过半圆连接，所述半圆的弧线位于远离对应的两条直线的方向，第1条直线、第n条直线均向前贯穿所述热疏导板2的侧壁；其中，n为偶数，m为奇数，s为偶数，s<n；

所述迂回弯折形为从首端开始由外向内顺时针或逆时针盘绕a圈，然后再由内在相邻两圈之间的位置向外反方向盘绕a圈，盘绕的每一圈的形状为非封闭圆形或非封闭椭圆形或非封闭腰型。

进一步的，所述绕流柱4有多列，所述列为平行于所述支撑板6的方向，相邻列的绕流柱4交错设置。

进一步的，所述热疏导板2、热疏腔体、支撑板6均为长方体形状；两个所述支撑板6分别设置在所述热疏导板2的下表面两端且外侧壁分别与热疏导板2在对应侧的外侧壁齐平，所述支撑板6的高度与所述绕流柱4的高度相等且为所述热疏导板2的高度的2-4倍，每列绕流柱4中相邻绕流柱4之间的间距、相邻列之间的间距均为2-6cm；所述毛细结构层5的厚度为0.5-1.5mm，所述热疏腔体内毛细结构层5围成的空腔厚度为3-6mm。

进一步的，所述盖板1、热疏导板2、支撑板6、绕流柱4的材质为轻质铝材。

进一步的，所述液体工质的沸点为30-50℃。

进一步的，所述冷却子模块有多个，多个所述冷却子模块呈至少两层布置，每层中冷却子模块数量相同、有至少两个且呈矩形阵列布置，相邻两层的各冷却子模块位置对应且上层的冷却子模块中支撑板6及绕流柱4的底端固定在下层对应位置处的冷却子模块中盖板1的上表面。

一种光纤激光器，包括光纤、所述的机载光纤激光器冷却模块，所述光纤布置在所述光纤安装槽3内。

进一步的，所述光纤与所述光纤安装槽3之间采用透明导热胶密封连接，所述热疏导板2与所述盖板1之间采用透明导热胶密封连接或采用配合连接。

本发明的有益效果为：

(1)本发明通过在热疏导板的上表面开设光纤安装槽并设置盖板、在上下表面之间开设热疏腔体、在热疏腔体内壁设置毛细结构层、在热疏腔体内充入液体工质，形成上部为布置光纤的蒸发层、下部为冷凝层的疏导式热管结构，能够对光纤进行自动被动冷却。具体的，一方面，光纤安装槽直接开设在热疏导板的上表面，即设置在热管蒸发层的同时形成光纤的导热布置层，缩短了光纤和热管之间的导热路径，提升了热管的冷却效率；另一方面，光纤工作产生的热量导入热管蒸发层，热疏腔体内液体工质蒸发吸热带走热量，蒸发产生的气体于下部冷凝层冷凝释放热量，冷凝后的液体在热疏腔体内壁上毛细结构层的作用下回流至蒸发层的内壁表面，以此形成工质流动和热量传递的自动循环，无需像在光纤通道内液体流动换热的常见水冷技术那样用复杂的附属装置及额外动力来维持液体流动和工质循环，避免了液体泄漏可能导致光纤激光器工作失效的问题，缩小了冷却模块的体积、节约了动力，并提升了冷却效率，增强了冷却效果，且模块化结构简单、工质相变潜热大、均温性好、可靠性高、能量消耗低，尤其适用于受飞行平台载荷重量以及挂载结构制约的机载高功率光纤激光器的冷却。

(2)本发明通过在热疏导板的下表面两侧设置两个支撑板，能够在热疏导板的下表面与两个支撑板间形成空气流动通道，从而能够从光纤激光器所在飞行器的飞行来流处将空气引入流动通道，对热疏导板下表面进行主动冷却，加速热疏腔体内流至冷凝端的蒸汽的冷凝放热，且较为便捷、并可节省引流所需的部分动力，同时在热疏导板的下表面两个支撑板间设置多根绕流柱，能够加剧空气流动的湍流程度，提升对热疏导板冷凝端主动冷却的强度。

(3)本发明以简单结构将疏导式热管结构与空气流动通道结构巧妙地设计在一个模块中，一方面，基于相变换热机理、通过热疏导板腔的设计，实现光纤发热热量的快速疏导，另一方面，结合主动冷却方式、通过引入外界来流，提升热疏导板腔的热疏导效率，从而能够实现光纤的主被动复合冷却，所需动力少，并且其高效的冷却效率、简单的冷却结构，能够大大节省冷却结构的重量，减轻飞行器的载荷负担。

(4)本发明通过将光纤安装槽的横截面形状设置为蛇形或迂回弯折形，设置为蛇形时每次的转弯处设置圆弧，设置为迂回弯折形时盘绕的每一圈的形状为非封闭圆形或非封闭椭圆形或非封闭腰型，两种设置均能够使得光纤安装槽充分分布在热疏导板上表面的整个空间，最大程度上扩大光纤安装槽的总长度和分布面积，从而增加光纤与疏导式热管结构蒸发端的接触面积，增强蒸发端的均温性，提升冷却效率。

(5)本发明通过将绕流柱设置为交错的多列，形成交错拓扑的绕流柱布局，能够最大程度上加剧空气流动的湍流程度，强化热疏导板的蒸发端、冷凝端与空气来流间的换热效果，大大提升冷却效率。

(6)本发明通过将盖板、热疏导板、支撑板、绕流柱均采用轻质铝材材质，能够降低冷却模块的质量，减轻飞行器的载荷负担。

(7)本发明通过将冷却子模块呈多层阵列组合形式设置，并将相邻两层的各冷却子模块位置对应且上层的冷却子模块中支撑板及绕流柱的底端固定在下层对应位置处的冷却子模块中盖板的上表面，能够巧妙地利用上层空气流动通道对下层对应冷却子模块的上盖板进行主动冷却，进一步提升冷却效率。

附图说明

图1为具体实施方式中本发明的机载光纤激光器冷却模块的结构示意图。

图2为具体实施方式中本发明的机载光纤激光器冷却模块中盖板拿起的结构示意图。

图3为具体实施方式中本发明的机载光纤激光器冷却模块去掉盖板后的俯视图。

图4为图3的A-A向剖视图。

图5为具体实施方式中本发明的机载光纤激光器冷却模块的仰视图。

图6为具体实施方式中本发明的机载光纤激光器中冷却模块的多模块阵列示意图。

图中，1—盖板，2—热疏导板，3—光纤安装槽，4—绕流柱，5—毛细结构层，6—支撑板。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步描述。

需要特别说明的是：本发明中所述“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”均为基于图1所示的方向，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。本发明中所述“横截面”、“纵截面”分别为图1中水平、竖直方向的截面。

本发明的机载光纤激光器冷却模块包括至少一个冷却子模块。如图1、图2所示，本实施例中，所述冷却子模块有一个，具体包括热疏导板2、盖板1，所述热疏导板2的下表面平行设置有两个支撑板6，所述热疏导板2的下表面在两个所述支撑板6之间设置有多根绕流柱4，所述热疏导板2的上表面开设有光纤安装槽3，所述光纤安装槽3的首端、尾端均贯穿所述热疏导板2的侧壁并分别形成光纤入口、光纤出口，所述盖板1固定在所述热疏导板2的上表面。如图4所示，所述热疏导板2的上表面与下表面之间开设有热疏腔体，所述热疏腔体的内壁设置有毛细结构层5，毛细结构层5用以在热疏腔体的蒸发端形成高效的蒸发液膜，并为冷凝端液体向蒸发端的回流提供毛细力；所述热疏腔体内充有沸点在30-50℃之间的液体工质。

本发明通过在热疏导板2的上表面开设光纤安装槽3并设置盖板1、在上下表面之间开设热疏腔体、在热疏腔体内壁设置毛细结构层5、在热疏腔体内充入液体工质，形成上部为布置光纤的蒸发层、下部为冷凝层的疏导式热管结构，能够对光纤进行自动被动冷却。

具体的，一方面，光纤安装槽3直接开设在热疏导板2的上表面，即设置在热管蒸发层的同时形成光纤的导热布置层，缩短了光纤和热管之间的导热路径，提升了热管的冷却效率；另一方面，光纤工作产生的热量导入热管蒸发层，热疏腔体内液体工质蒸发吸热带走热量，蒸发产生的气体于下部冷凝层冷凝释放热量，冷凝后的液体在热疏腔体内壁上毛细结构层的作用下回流至蒸发层的内壁表面，以此形成工质流动和热量传递的自动循环，无需像在光纤通道内液体流动换热的常见水冷技术那样用复杂的附属装置及额外动力来维持液体流动和工质循环，避免了液体泄漏可能导致光纤激光器工作失效的问题，缩小了冷却模块的体积、节约了动力，并提升了冷却效率，增强了冷却效果，且模块化结构简单、工质相变潜热大、均温性好、可靠性高、能量消耗低，尤其适用于受飞行平台载荷重量以及挂载结构制约的机载高功率光纤激光器的冷却。

本发明通过在热疏导板2的下表面两侧设置两个支撑板6，能够在热疏导板2的下表面与两个支撑板6间形成空气流动通道，从而能够从光纤激光器所在飞行器的飞行来流处将空气引入流动通道，对热疏导板2下表面进行主动冷却，加速热疏腔体内流至冷凝端的蒸汽的冷凝放热，且较为便捷、并可节省引流所需的部分动力，同时在热疏导板2的下表面两个支撑板6间设置多根绕流柱4，能够加剧空气流动的湍流程度，提升对热疏导板冷凝端主动冷却的强度。

本发明以简单结构将疏导式热管结构与空气流动通道结构巧妙地设计在一个模块中，一方面，基于相变换热机理、通过热疏导板腔的设计，实现光纤发热热量的快速疏导，另一方面，结合主动冷却方式、通过引入外界来流，提升热疏导板腔的热疏导效率，从而能够实现光纤的主被动复合冷却，所需动力少，并且其高效的冷却效率、简单的冷却结构，能够大大节省冷却结构的重量，减轻飞行器的载荷负担。

本发明的光纤安装槽3的横截面形状根据需求进行设计，可以为蛇形或迂回弯折形。光纤安装槽3的纵截面形状根据需求进行设计，可以为U型、半圆形、V型、矩形中的一种。本实施例中，光纤安装槽3的纵截面形状为矩形，光纤安装槽3的横截面形状为蛇形中的一种，具体的，如图2、图3所示，所述蛇形从左至右依次包括第1、2、3、…、n-1、n条直线，n条直线相互平行，第m条直线的后端与第m+1条直线的后端之间、第s条直线的前端与第s+1条直线的前端之间均通过半圆连接，所述半圆的弧线位于远离对应的两条直线的方向，第1条直线、第n条直线均向前贯穿所述热疏导板2的侧壁；其中，n为偶数，m为奇数，s为偶数，s<n。

在另一个实施例中，光纤安装槽3的横截面形状为迂回弯折形中的一种，迂回弯折形为从首端开始由外向内顺时针或逆时针盘绕a圈，然后再由内在相邻两圈之间的位置向外反方向盘绕a圈，盘绕的每一圈的形状为非封闭圆形。在其他实施例中，迂回弯折形中盘绕的每一圈还可以为非封闭椭圆形或非封闭腰型。

本发明通过将光纤安装槽3的横截面形状设置为蛇形或迂回弯折形，设置为蛇形时每次的转弯处设置圆弧，设置为迂回弯折形时盘绕的每一圈的形状为非封闭圆形或非封闭椭圆形或非封闭腰型，两种设置均能够使得光纤安装槽3充分分布在热疏导板2上表面的整个空间，最大程度上扩大光纤安装槽3的总长度和分布面积，从而增加光纤与疏导式热管结构蒸发端的接触面积，增强蒸发端的均温性，提升冷却效率。

为最大程度上加剧空气流动的湍流程度，强化热疏导板2的蒸发端、冷凝端与空气来流间的换热效果，如图5所示，绕流柱4设置为交错的多列。具体的，绕流柱4设置有多列，所述列为平行于所述支撑板6的方向也即图1中前后方向，相邻列的绕流柱4交错设置，以形成交错拓扑的绕流柱布局，大大提升冷却效率。

本实施例中，热疏导板2、热疏腔体、支撑板6均为长方体形状；两个所述支撑板6分别设置在所述热疏导板2的下表面两端且外侧壁分别与热疏导板2在对应侧的外侧壁齐平。所述支撑板6的高度与所述绕流柱4的高度相等且为所述热疏导板2的高度的2-4倍，每列绕流柱4中相邻绕流柱4之间的间距、相邻列之间的间距均为2-6cm；所述毛细结构层5的厚度为0.5-1.5mm，所述热疏腔体内毛细结构层5围成的空腔厚度为3-6mm。

本实施例中，盖板1、热疏导板2、支撑板6、绕流柱4的材质为导热系数大的轻质铝材，能够降低冷却模块的质量，减轻飞行器的载荷负担。其中，热疏导板2、支撑板6、绕流柱4可以一体成型，也可以分开成型。

在本发明的另一个实施例中，如图6所示，冷却子模块呈多模块阵列形式。具体的，所述冷却子模块有多个，多个所述冷却子模块呈至少两层布置，每层中冷却子模块数量相同、有至少两个且呈矩形阵列布置，相邻两层的各冷却子模块位置对应且上层的冷却子模块中支撑板6及绕流柱4的底端固定在下层对应位置处的冷却子模块中盖板1的上表面，能够巧妙地利用上层空气流动通道对下层对应冷却子模块的上盖板1进行主动冷却，进一步提升冷却效率。

本发明的光纤激光器，包括光纤、所述的机载光纤激光器冷却模块，所述光纤布置在所述光纤安装槽3内。

本实施例中，所述光纤与所述光纤安装槽3之间、所述热疏导板2与所述盖板1之间均采用导热系数高的透明导热胶密封连接。在另一个实施例中，所述热疏导板2与所述盖板1之间采用配合连接。

显然，上述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。上述实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。基于上述实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，也即凡在本申请的精神和原理之内所作的所有修改、等同替换和改进等，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种机载光纤激光器冷却模块，其特征在于，包括至少一个冷却子模块；所述冷却子模块包括热疏导板(2)、盖板(1)，所述热疏导板(2)的下表面平行设置有两个支撑板(6)，所述热疏导板(2)的下表面在两个所述支撑板(6)之间设置有多根绕流柱(4)，所述热疏导板(2)的上表面开设有光纤安装槽(3)，所述光纤安装槽(3)的首端、尾端均贯穿所述热疏导板(2)的侧壁并分别形成光纤入口、光纤出口，所述盖板(1)固定在所述热疏导板(2)的上表面；所述热疏导板(2)的上表面与下表面之间开设有热疏腔体，所述热疏腔体的内壁设置有毛细结构层(5)，所述热疏腔体内充有液体工质。

2.根据权利要求1所述的机载光纤激光器冷却模块，其特征在于，所述光纤安装槽(3)的横截面形状为蛇形或迂回弯折形，所述光纤安装槽(3)的纵截面形状为U型、半圆形、V型、矩形中的一种。

3.根据权利要求2所述的机载光纤激光器冷却模块，其特征在于，所述蛇形从左至右依次包括第1、2、3、…、n-1、n条直线，n条直线相互平行，第m条直线的后端与第m+1条直线的后端之间、第s条直线的前端与第s+1条直线的前端之间均通过半圆连接，所述半圆的弧线位于远离对应的两条直线的方向，第1条直线、第n条直线均向前贯穿所述热疏导板(2)的侧壁；其中，n为偶数，m为奇数，s为偶数，s<n；

所述迂回弯折形为从首端开始由外向内顺时针或逆时针盘绕a圈，然后再由内在相邻两圈之间的位置向外反方向盘绕a圈，盘绕的每一圈的形状为非封闭圆形或非封闭椭圆形或非封闭腰型。

4.根据权利要求1所述的机载光纤激光器冷却模块，其特征在于，所述绕流柱(4)有多列，所述列为平行于所述支撑板(6)的方向，相邻列的绕流柱(4)交错设置。

5.根据权利要求4所述的机载光纤激光器冷却模块，其特征在于，所述热疏导板(2)、热疏腔体、支撑板(6)均为长方体形状；两个所述支撑板(6)分别设置在所述热疏导板(2)的下表面两端且外侧壁分别与热疏导板(2)在对应侧的外侧壁齐平，所述支撑板(6)的高度与所述绕流柱(4)的高度相等且为所述热疏导板(2)的高度的2-4倍，每列绕流柱(4)中相邻绕流柱(4)之间的间距、相邻列之间的间距均为2-6cm；所述毛细结构层(5)的厚度为0.5-1.5mm，所述热疏腔体内毛细结构层(5)围成的空腔厚度为3-6mm。

6.根据权利要求1所述的机载光纤激光器冷却模块，其特征在于，所述盖板(1)、热疏导板(2)、支撑板(6)、绕流柱(4)的材质为轻质铝材。

7.根据权利要求1所述的机载光纤激光器冷却模块，其特征在于，所述液体工质的沸点为30-50℃。

8.根据权利要求1所述的机载光纤激光器冷却模块，其特征在于，所述冷却子模块有多个，多个所述冷却子模块呈至少两层布置，每层中冷却子模块数量相同、有至少两个且呈矩形阵列布置，相邻两层的各冷却子模块位置对应且上层的冷却子模块中支撑板(6)及绕流柱(4)的底端固定在下层对应位置处的冷却子模块中盖板(1)的上表面。

9.一种光纤激光器，其特征在于，包括光纤、权利要求1至8中任一项所述的机载光纤激光器冷却模块，所述光纤布置在所述光纤安装槽(3)内。

10.根据权利要求9所述的光纤激光器，其特征在于，所述光纤与所述光纤安装槽(3)之间采用透明导热胶密封连接，所述热疏导板(2)与所述盖板(1)之间采用透明导热胶密封连接或采用配合连接。

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