CN115857131A - 嵌入可调式高散热性能激光截止光阑 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种嵌入可调式高散热性能激光截止光阑，包括底座和与底座可拆卸连接的嵌入式光阑；底座内设有供水通过的第一微通道，嵌入式光阑内设有供水通过的用于散热的冷却流道；第一微通道与水流方向垂直的两侧呈类椭圆曲线设置，水从第一微通道的一侧流向另一侧，以实现嵌入式光阑的散热；或者第一微通道中间形成分液区，第一微通道均匀分布于分液区两侧，水从分液区分别流向两侧的第一微通道，以实现嵌入式光阑的散热。本发明将底座和嵌入式光阑可拆卸连接，且在底座和嵌入式光阑中均设置用于散热的流道，且底座中的流道为强化流型高性能的第一微通道，该光阑兼具成本低、便于管理、便于更换、满足航天系统的“三化”、高散热性能的优势。

Description

嵌入可调式高散热性能激光截止光阑

技术领域

本发明涉及激光加工及散热技术领域，尤其涉及一种嵌入可调式高散热性能激光截止光阑。

背景技术

目前，激光在科研、工业等很多领域得到广泛应用，激光加工具有加工精度高、材料适用性强等特点。截止光阑是激光加工设备的重要构成部件，主要用于调节激光射线的射出直径，从而达到缩小激光束的横截面积、改善光斑圆度的目的。截止光阑一般安装在激光加工设备内部，且为了满足生产需要光阑的孔径多种多样，而现有的光阑一般是光阑和用于安装光阑的底座是一体化设计，一方面，不同孔径的光阑会配备不同尺寸的底座，整体的制作成本较高；另一方面，底座重量比较大，若需要更换另一孔径的光阑，需要将原有的一体化的光阑和底座一并拆除，再将新的一体化光阑安装上去，并重新调整光路，更换较为麻烦。另外，一体化的光阑和底座存放占用空间大，且尺寸各异造成管理不便。

为了解决上述问题，申请号为CN201920569970.1的专利公开了一种可拆卸式光阑架，包括底座、光阑夹和片状光阑，所述底座呈L型，并在所述底座的端面上设有容置槽，并在所述底座背离所述容置槽一侧的端面上设有截面呈凸字形的卡槽，所述容置槽与所述卡槽相对设置，所述光阑夹装设在所述容置槽内，且所述光阑夹上设有透光孔，并在所述光阑夹靠近所述卡槽一侧的顶端面向下延伸形成台阶面，所述光阑夹通过螺钉装设在所述底座上，所述片状光阑装设在所述光阑夹与所述底座之间，且所述片状光阑的底部与所述台阶面相配合。该装置更换不同对不同孔径的光阑时，只需要更换光阑片，无需更换底座，更换较为方便，但是其无法实现对光阑的散热。

申请号为CN201921242101.4的专利公开了一种紧凑型水冷光阑，包括光阑本体，所述光阑本体正面中部开凿有光阑孔，所述光阑本体上端设有安装底座，所述光阑本体和安装底座之间通过螺钉固定连接，所述光阑本体内部开凿有水路，所述水路包括进水口、出水口以及内通道，所述进水口、出水口以及内通道相互连通，且进水口位于出水口左侧，所述进水口与出水口内均连接有管接头，且进水口与出水口与管接头之间均设有多个隔断溢流圈，所述光阑本体侧端开凿有与水路相通的泄水口，所述泄水口内塞设有堵头。该装置虽然能实现光阑的散热，但是随着激光器功率等级的不断提升，光阑聚集的热量越来越多，对光阑的散热需求越来越高，该传统型的散热方式已不能满足其需求，需要提出新的散热手段。

因此，设计兼具制作成本低、便于管理、便于更换、满足航天系统的“三化”要求（通用化、系列化、模块化（组合化））、高散热性能的光阑在激光加工领域具有重要意义。

有鉴于此，有必要设计一种改进的嵌入可调式高散热性能激光截止光阑，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种嵌入可调式高散热性能激光截止光阑，通过将底座和嵌入式光阑可拆卸连接，同时在底座和嵌入式光阑中均设置用于散热的通道，且底座中用于散热的流道为根据激光热源遵循高斯分布，即热量由中心到边缘逐渐降低的特点设置的强化流型高性能的第一微通道，该光阑兼具成本低、便于管理、便于更换、满足航天系统的“三化”要求（通用化、系列化、模块化（组合化））、高散热性能的优势。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种嵌入可调式高散热性能激光截止光阑，包括底座和与所述底座可拆卸连接的嵌入式光阑；所述底座内设有供水通过的第一微通道，所述嵌入式光阑内设有供水通过的冷却流道，所述冷却流道用于实现所述嵌入式光阑的散热；

所述第一微通道与水流方向垂直的两侧呈类椭圆曲线设置，水从所述第一微通道的一侧流向另一侧，以实现所述嵌入式光阑的散热；

或者所述第一微通道中间形成分液区，所述第一微通道均匀分布于所述分液区两侧，水从所述分液区分别流向两侧的所述第一微通道，以实现所述嵌入式光阑的散热。

作为本发明的进一步改进，所述分液区为多边形分液区，所述多边形分液区中设有若干个实体状的针肋，水从所述针肋之间流过，并分别流向两侧的所述第一微通道。

作为本发明的进一步改进，所述分液区为类椭圆分液区，所述类椭圆分液区的中间呈椭圆形，两侧呈锥形，水从所述类椭圆分液区分别流向两侧的所述第一微通道。

作为本发明的进一步改进，所述底座上设有与所述第一微通道连通的第一进水口和第一出水口，当所述第一微通道与水流方向垂直的两侧呈类椭圆曲线设置时，所述第一进水口和所述第一出水口分别设置于所述第一微通道沿水流方向的两侧，且所述第一进水口和所述第一出水口位于所述底座的同一条侧边上。

作为本发明的进一步改进，所述底座上设有与所述第一微通道连通的第一进水口和第一出水口，当所述第一微通道中间形成分液区时，所述第一进水口设置于所述分液区中心。

作为本发明的进一步改进，所述第一微通道的进水口端设有分液器结构，用于向不同的所述第一微通道中均匀分液。

作为本发明的进一步改进，所述底座上设有与所述冷却流道连通的第二进水口和第二出水口，所述第二进水口和所述第二出水口分别通过快接头与所述冷却流道连通。

作为本发明的进一步改进，所述底座和所述嵌入式光阑通过标准螺栓可拆卸链接，所述底座和所述嵌入式光阑上分别对应设有供所述标准螺栓穿过的标准接口。

作为本发明的进一步改进，所述冷却流道呈圆形环绕于所述嵌入式光阑中心通孔的周围设置。

作为本发明的进一步改进，所述嵌入式光阑中设有第二微通道。

本发明的有益效果是：

本发明提供的一种嵌入可调式高散热性能激光截止光阑，将底座和嵌入式光阑通过标准化接口实现可拆卸连接，同时在底座和嵌入式光阑中均设置用于散热的流道。首先，通过底座和嵌入式光阑的可拆卸连接，在需要更换不同孔径的光阑时，只需将嵌入式光阑拆卸下来更换即可，无需更换重量较大的底座，使光阑的更换更为便捷；其次，底座中用于散热的流道为根据激光热源遵循高斯分布，即热量由中心到边缘逐渐降低的特点设置的强化流型高性能的第一微通道，其散热效果更好；再者，同时在底座和嵌入式光阑中设置散热通道，在嵌入式光阑直接散热的基础上，底座又通过设计的强化流型高性能微通道，进一步促进嵌入式光阑的快速降温，能满足高功率激光设备的散热。

本发明通过将底座设置成通用型的底座，并通过标准通用化接口实现底座和嵌入式光阑可拆卸连接，多种尺寸的光阑可以共用同一个底座，实现了满足航天系统的通用化、系列化、模块化（组合化），降低生产成本的同时，更便于管理。

附图说明

图1为本发明嵌入可调式高散热性能激光截止光阑的立体图。

图2为本发明嵌入可调式高散热性能激光截止光阑的剖面示意图。

图3为采用第一种形式的第一微通道的底座的结构示意图。

图4为采用第二种形式的第一微通道的底座的结构示意图。

图5为图4的底座的立体图。

图6为采用第三种形式的第一微通道的底座的结构示意图。

图7为图6中的底座的立体图。

附图标记：

1-底座；2-嵌入式光阑；3-第一微通道；4-冷却流道；5-快接头；6-标准螺栓；11a、11b、11c-第一进水口；12a、12b、12c-第一出水口；13-第二进水口；14-第二出水口；15-内部水道；31-多边形分液区；32-针肋；33-类椭圆分液区。

实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

请参阅图1至图7所示，本发明提供了一种嵌入可调式高散热性能激光截止光阑，包括底座1和与底座1可拆卸连接的嵌入式光阑2；底座1内设有供水通过的第一微通道3，嵌入式光阑2内设有供水通过的冷却流道4。如此设置，首先，底座1和嵌入式光阑2可拆卸连接，在需要更换不同孔径的光阑时，只需将嵌入式光阑2拆卸下来更换即可，无需更换重量较大的底座1，使光阑的更换更为便捷；其次，底座1和嵌入式光阑2中均设有用于散热的流道（即第一微通道3和冷却流道4），且底座1中用于散热的通道为第一微通道3，微通道的散热效果更好，本发明通过对微通道的结构进行特定的设计，进一步提高其散热效果，能满足高功率激光设备的散热。在嵌入式光阑2直接散热的基础上，底座1又通过设计的强化流型高性能微通道，进一步促进入式光阑的快速降温，能满足高功率激光设备的散热。第一微通道3和冷却流道4两者之间可以相互独立（类似于并联设计），也可以相互连通（类似于串联设计），在嵌入式光阑2直接散热的基础上，底座1又通过设计的强化流型高性能微通道，进一步促进嵌入式光阑2的快速降温，能满足高功率激光设备的散热。第一微通道3和冷却流道4两者之间的连接方式可以根据空间位置等进行设计，优选为第一微通道3和冷却流道4之间相互独立，两者中的水不会相互流通，避免了水依次流经第一微通道3和冷却流道4时由于路程较长导致的水温较高而降低散热性能的弊端；同时底座和嵌入式光阑中独立通道中的水之间也存在相互作用，加强散热。

在一些实施例中，第一微通道3与水流方向垂直的两侧呈类椭圆曲线设置，水从第一微通道3的一侧流向另一侧，实现对嵌入式光阑2的散热。在另一些实施例中，第一微通道3中间形成分液区，第一微通道3均匀分布于分液区两侧，水从分液区分别流向两侧的第一微通道3。

具体来讲，如图3所示，在该实施例中，第一微通道3与水流方向（水流方向如图3中箭头所示）垂直的两侧呈类椭圆曲线设置（曲线的长度、弧度大小可以根据实际的散热效果自由设置）。底座1上设有与第一微通道3连通的第一进水口11a和第一出水口12a；第一进水口11a和第一出水口12a分别设置于第一微通道3沿水流方向的两侧，且第一进水口11a和第一出水口12a位于底座1的同一条侧边上。第一微通道3呈类椭圆曲线设置的两侧还设有内部水道15，水从第一进水口11进入与其相连的内部水道15，接着从第一微通道3的一侧流向另一侧（水同时流经不同的微通道），再从第一出水口12a流出，实现对嵌入式光阑2的散热及温度控制。在该实施例中，根据嵌入式光阑2的热源呈高斯分布特征（热量从中心向边部逐渐降低），将内部的各个流道设计为长度不一样，使得嵌入式光阑2热流密度大的中心位置水流量最大，明显提高了散热效果。优选的，为了使第一微通道3的不同的微通道中水流均匀，可以在内部水道15和第一微通道3水流的进水口端设置用于将水流均分的分液器结构。

如图4和图5所示，在该实施例中，第一微通道3中间形成多边形分液区31，第一微通道3均匀分布于多边形分液区31两侧。底座1上设有与第一微通道3连通的第一进水口11b和第一出水口12b，第一进水口11b位于多边形分液区31的中心，第一出水口12b与多边形分液区31位于同一水平面上。多边形分液区31中设有若干个实体状的针肋32，若干个针肋32之间形成针肋流道，水从多边形分液区31中心的第一进水口11b进入，从针肋32之间的针肋流道分别流向两侧的第一微通道3（水同时流经不同的微通道），然后从第一微通道3的两端（即图4中的上下两端）沿着内部通道（底座1内部设有将第一微通道3与第一出水口12b连通的通道）流至第一出水口12b，实现对嵌入式光阑2的散热。在该实施例中，针肋32的存在能够扰动水流，增加水的湍流度，增强换热，从而更好低实现散热。优选的，为了使第一微通道3的不同的微通道中水流均匀，可以在多边形分液区31和第一微通道3水流的进水口端设置用于将水流均分的分液器结构。

如图6和图7所示，在该实施例中，第一微通道3中间形成类椭圆分液区33，类椭圆分液区33的中间呈椭圆形，两侧呈锥形，底座1上设有与第一微通道3连通的第一进水口11c和两个第一出水口12c，第一进水口11c位于类椭圆分液区33的中心，第一出水口12c分别位于类椭圆分液区33的锥形结构两侧。水从类椭圆分液区33分别流向两侧的第一微通道3。水从类椭圆分液区33中心的第一进水口11c进入，流经类椭圆分液区33，并从类椭圆分液区33分别流向两侧的第一微通道3（水同时流经不同的微通道），然后从第一微通道3的两端（即图6中的上下两端）沿着内部通道（底座1内部设有将第一微通道3与第一出水口12c连通的通道）分别流至两侧的两个第一出水口12c，实现对嵌入式光阑2的散热。在该实施例中，类椭圆分液区33中心设计成椭圆型流道是针对热源高斯分布特征设计的，同时为实现底座1内部流阻分配，即中心流量大，两侧流量小的需求，在椭圆型流道外侧设计为锥形流道结构。优选的，为了使第一微通道3的不同的微通道中水流均匀，可以在类椭圆分液区33和第一微通道3水流的进水口端设置用于将水流均分的分液器结构。

在实际工作中，可以根据底座1内部的空间大小自由设置第一进水口11和第一出水口12的数量以及位置。需要说明的是，本领域技术人员应当理解，以上3个实施例中第一微通道3的结构设计可以根据实际的散热效果，选择性地将各种结构集成到一个第一微通道3上。

需要说明的是，本领域技术人员应当理解，第一微通道3和冷却流道4的水可以替换为常用的冷却液。本发明利用微通道液冷板高性能特性，同时考虑激光热源服从高斯分布特点，设计冷却液流量分布呈现中心流量大，两侧流量逐渐降低的特性第一微通道3，与嵌入式光阑2的热量呈高斯分布（热量由中心向边缘逐渐降低）的特点一致，完美解决嵌入式光阑2的高散热需求。

如图1和图2所示，冷却流道4呈圆形环绕于嵌入式光阑2中心通孔的周围设置（可以设置一圈或者多圈），底座1上设有与冷却流道4连通的第二进水口13和第二出水口14。第二进水口13和第二出水口14分别通过快接头5与冷却流道4连通。水从第二进水口13进入冷却流道4，并从第二出水口14流出，实现对嵌入式光阑2的散热。

第一进水口11和第二进水口13可以合并成一个进水口，第一出水口12和第二出水口14也可以合并成一个出水口。如果底座1上只设置一个进水口和一个出水口，可以通过设置进水口的分流实现水同时流经第一微通道3和冷却流道4。

如图1和图2所示，底座1和嵌入式光阑2通过标准螺栓6可拆卸链接，底座1和嵌入式光阑2上分别对应设有供标准螺栓6穿过的标准接口。如此设置，通过设计标准的接口，将底座1和不同尺寸的嵌入式光阑2连接，实现光阑通光口径可变，使底座1通用化。标准螺栓6的位置可以自由设置，只要满足固定需求即可。

在一些实施例中，还可以在嵌入式光阑2中设置第二微通道。第二微通道可利用微通道的高散热性能进一步促进嵌入式光阑2的散热。同时，第二微通道与第一微通道3以及冷却流道4的协同作用进一步促进嵌入式光阑2的散热。

综上所述，本发明提供的一种嵌入可调式高散热性能激光截止光阑，将底座和嵌入式光阑通过标准接口实现可拆卸连接，同时在底座和嵌入式光阑中均设置用于散热的流道，便于不同尺寸的光阑的更换；底座中用于散热的通道为根据激光热源遵循高斯分布，即热量由中心到边缘逐渐降低的特点设置的强化流型高性能的第一微通道，其散热效果更好，能满足高功率激光设备的散热，实现了满足航天系统的通用化、系列化、模块化（组合化），降低生产成本的同时，更便于管理。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种嵌入可调式高散热性能激光截止光阑，其特征在于，包括底座和与所述底座可拆卸连接的嵌入式光阑；所述底座内设有供水通过的第一微通道，所述嵌入式光阑内设有供水通过的冷却流道，所述冷却流道用于实现所述嵌入式光阑的散热；

所述第一微通道与水流方向垂直的两侧呈类椭圆曲线设置，水从所述第一微通道的一侧流向另一侧，以实现所述嵌入式光阑的散热；

或者所述第一微通道中间形成分液区，所述第一微通道均匀分布于所述分液区两侧，水从所述分液区分别流向两侧的所述第一微通道，以实现所述嵌入式光阑的散热。

2.根据权利要求1所述的嵌入可调式高散热性能激光截止光阑，其特征在于，所述分液区为多边形分液区，所述多边形分液区中设有若干个实体状的针肋，水从所述针肋之间流过，并分别流向两侧的所述第一微通道。

3.根据权利要求1所述的嵌入可调式高散热性能激光截止光阑，其特征在于，所述分液区为类椭圆分液区，所述类椭圆分液区的中间呈椭圆形，两侧呈锥形，水从所述类椭圆分液区分别流向两侧的所述第一微通道。

4.根据权利要求1所述的嵌入可调式高散热性能激光截止光阑，其特征在于，所述底座上设有与所述第一微通道连通的第一进水口和第一出水口，当所述第一微通道与水流方向垂直的两侧呈类椭圆曲线设置时，所述第一进水口和所述第一出水口分别设置于所述第一微通道沿水流方向的两侧，且所述第一进水口和所述第一出水口位于所述底座的同一条侧边上。

5.根据权利要求1所述的嵌入可调式高散热性能激光截止光阑，其特征在于，所述底座上设有与所述第一微通道连通的第一进水口和第一出水口，当所述第一微通道中间形成分液区时，所述第一进水口设置于所述分液区中心。

6.根据权利要求1所述的嵌入可调式高散热性能激光截止光阑，其特征在于，所述第一微通道的进水口端设有分液器结构，用于向不同的所述第一微通道中均匀分液。

7.根据权利要求1所述的嵌入可调式高散热性能激光截止光阑，其特征在于，所述底座上设有与所述冷却流道连通的第二进水口和第二出水口；所述第二进水口和所述第二出水口分别通过快接头与所述冷却流道连通。

8.根据权利要求1所述的嵌入可调式高散热性能激光截止光阑，其特征在于，所述底座和所述嵌入式光阑通过标准螺栓可拆卸链接，所述底座和所述嵌入式光阑上分别对应设有供所述标准螺栓穿过的标准接口。

9.根据权利要求1所述的嵌入可调式高散热性能激光截止光阑，其特征在于，所述冷却流道呈圆形环绕于所述嵌入式光阑中心通孔的周围设置。

10.根据权利要求1所述的嵌入可调式高散热性能激光截止光阑，其特征在于，所述嵌入式光阑中设有第二微通道。

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