CN116315997A - 一体式水冷激光器及水冷循环冷却系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种一体式水冷激光器及水冷循环冷却系统，包含进水接头、激光器箱体和出水接头。其中，在激光器箱体的底板铣削出所需要形状的水冷管路；然后通过搅拌摩擦焊将水路封盖焊接在水冷管路上，从而将水冷管路封闭。根据光路设计在激光器箱体内对应位置设置安装槽，用于安装主动散热器件；主动散热器件将水路截断，迫使冷却水向上流过集中发热的区域。通过计算机流体仿真实现主动、定向地冷却该集中发热区域的目的；主动散热器件的密封圈将冷却水与一体式水冷激光器的箱体隔离开，避免冷却水渗漏到激光器箱体内。本发明通过箱体上加工出水路并在箱体上开设缺口来安装主动散热器件，实现光路布局自由，系统紧凑。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，特别涉及一种一体式水冷激光器及水冷循环冷却系统。
背景技术
固体激光器一般由泵浦LD模块、激光晶体、光学器件等单元组成。其中泵浦LD在工作时光电转换效率不高，会产生大量废热，需要水冷循环装置将LD温度控制在一定温度范围内。激光晶体因吸收泵浦光，不会全部转换成激光输出，也会产生大量无用的热量，导致激光功率和光束模式变差，也需要相应的水冷循环装置控制温度，降低晶体的热效应。某些光学器件温度偏高时还会导致器件性能下降，因此也需要水冷循环系统来控制温度。
通常，固体激光器的组成单元安装在激光器箱内，水冷系统也相应地安装在激光器箱内。然而对于现有的水冷系统，由于较多地使用连接器和水管，会存在以下问题：
1.连接器、水管占用激光器箱内的较大空间，使得激光器结构无法做紧凑；
2.为了对每个激光器进行散热，需要布置复杂的水路。然而复杂的水路增大了水路流阻，降低冷却水流量；
3.水冷设备与器件的连接处以及水管插拔处存在漏水的隐患；
4.受限于水冷连接器、水管的尺寸，几何光路不能自由设计；
5.难以做到精确地，有针对性地对发热器件进行冷却；
6.有一些设计采用的是打深孔的方式在激光器箱体内钻出水路。然而，现有的深孔打孔工艺，很难克服因钻头刚性问题导致的偏差，且钻孔加工只能加工直孔想要实现弯曲水路需要增加很多堵头，进一步带来了堵头处渗漏的风险。例如图1为现有技术的水冷管路结构示意图，其包括水冷管路4，进水口4.1，出水口4.2以及工艺孔5。该现有的水冷管路4是通过打深孔的方式在底板上钻出水冷管路。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明提出了一种一体式水冷激光器及水冷循环冷却系统。
根据本发明的一个方面，本发明提出了一种一体式水冷激光器，包括：进水接头、激光器箱体和出水接头；其中，激光器箱体包括：底板、底板上与其一体成型的水冷管路；其中，所述水冷管路包括水路及水路封盖；所述水路由机械加工的方式在激光器箱体的底板上形成；所述水路封盖用于将形成的水路密封封闭，从而形成所述水冷管路。
其中，所述水路封盖通过焊接或胶水粘接的方式将所述水路密封封闭。
其中，所述机械加工的方式为：在激光器箱体的底板上先铣削出所需要形状的水路；所述焊接为搅拌摩擦焊或激光焊接。经过搅拌摩擦焊工艺后，在水路封盖与底板的连接处形成搅拌摩擦焊焊缝，从而将水冷管路封闭。
其中，所述一体式水冷激光器还包括至少一个被动散热器件和/或至少一个主动散热器件；所述被动散热器件通过光滑的接触面将热量从激光器箱体表面由冷却水带走；在所述主动散热器件的安装处的对应位置加工出一安装槽，该安装槽联通水路，主动散热器件安装在此安装槽内，截断并迫使水流流过主动散热器件，再返回到激光器箱体水路中，实现主动冷却功能。
其中，主动散热器件上设置有密封圈，其用于将冷却水与一体式水冷激光器箱体隔离开来，避免冷却水渗漏到激光器箱体内。
根据本发明的一个方面，本发明提出了一种水冷循环冷却系统。包括：外设部分和一体式水冷激光器；外设部分用于为一体式水冷激光器提供冷却水；其中，所述水冷激光器为如权利要求任意之一的一体式水冷激光器。
其中，所述外设部分包括工业水冷机、球阀、流量计以及过滤器。
其中，所述工业水冷机的出水口依次连接球阀、流量计、一体式水冷激光器的进水接头；一体式水冷激光器的出水接头依次连接过滤器和工业水冷机的回水口。
附图说明
图1为现有技术的水冷激光器的水冷管路示意图。
图2为本发明提出的一体式水冷激光器的水冷循环冷却系统。
图3为本发明提出的一体式水冷激光器箱体上的水路径向剖面示意图。
图4为本发明提出的一体式水冷激光器箱体上的水路轴向剖面示意图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的一个方面，本发明提出了一种一体式水冷激光器。
参见图2至图4，一体式水冷激光器包括：进水接头1-4、激光器箱体1-6和出水接头1-11；其中，激光器箱体1-6包括：底板3-1、与底板3-1一体成型的水冷管路1-5、至少一个被动散热器件和/或至少一个主动散热器件。所述激光器箱体1-6由6061-T6铝合金加工而成。
参见图3和4，与现有技术不同，本发明提出的一体式水冷激光器上的水冷管路1-5与激光器箱体1-6是一体成型的。水冷管路1-5在激光器箱体1-6的底板3-1上通过机械加工的方式来形成。具体来说就像在激光器箱体1-6的底板3-1上类似于挖沟渠一样，先铣削出所需要形状的水路；然后采用水路封盖2-2通过焊接或胶水粘接的方式将水路密封封闭。
在本发明中，优选采用焊接的方式来封闭水路。进一步地，焊接工艺包括搅拌摩擦焊工艺或者激光焊接工艺。
例如，所采用的焊接工艺为搅拌摩擦焊工艺。经过搅拌摩擦焊工艺后，在水路封盖2-2与底板3-1的连接处形成搅拌摩擦焊焊缝3-2，从而将水路封闭。该焊缝3-2能承受不低于2.0MPa的水压。采用搅拌摩擦焊工艺能够实现水路封盖2-2与底板3-1的良好连接，形成密闭的不漏水的水路。
需要进一步说明的是，对于激光器箱体1-6的底板3-1，发热器件、外光路都安装在该底板3-1上；并且，底板3-1上的水路的可以根据具体需要而进行有针对性的设计。被动散热器件以及主动散热器件可以根据需要来设置具体的数量及具体位置。参见图2，本发明以两个被动散热器件1-9和1-10、两个主动散热器件1-7和1-8为例来进行说明。但需要说明的是，图2仅仅只是为了说明本发明，而并非用于限定本发明。
参见图2，被动散热器件1-9和1-10安装在一体式水冷激光器的激光器箱体内表面，也就是底板上。该激光器箱体的内表面同时用于安装固体激光器件；被动散热器件1-9和1-10通过光滑的接触面与固体激光器件接触形成热传导，以此将热量迅速带走；主动散热器件1-7和1-8安装在激光器箱体内开设的安装槽处，主要是发热量大且集中的器件或光学晶体。
参见图4，其示意性地给出了激光器箱体1-6上形成的水路的轴向剖面结构。结合图2和图4，激光器箱体1-6上安装有被动散热器件1-9和主动散热器件1-7(为了说明的简便，此处省去了图2中的被动散热器件1-10和主动散热器件1-8)。在激光器箱体1-6上加工出水冷管路1-5，具体为通过搅拌摩擦焊将水路封盖2-2与激光器箱体1-6焊接在一起；被动散热器件1-9通过光滑的接触面将热量从激光器箱体表面由冷却水带走；在主动散热器件1-7的安装处，于激光器箱体1-6的对应位置加工出一安装槽，该安装槽联通水路，主动散热器件1-7安装在此安装槽内，截断并迫使水流流过主动散热器件，再返回到箱体水路中，实现主动冷却功能。具体来说，主动散热器件1-7安装后，将水冷管路1-5在水平方向上截断，冷却水流过主动散热器件1-7的倒U型水冷通道，从而迫使冷却水向上流过主动散热器件1-7的集中发热的区域，以此达到冷却该集中发热区域的目的；主动散热器件1-7上设置有密封圈2-1，其用于将冷却水与一体式水冷激光器箱体1-6隔离开来，避免冷却水渗漏到激光器箱体1-6内。
根据本发明的另一个方面，本发明提出了一种水冷循环冷却系统。该水冷循环冷却系统包括：外设部分和一体式水冷激光器。外设部分用于为一体式水冷激光器提供冷却水。
其中，外设部分包括工业水冷机1-1、球阀1-2、流量计1-3以及过滤器1-12。工业水冷机1-1的出水口依次连接球阀1-2、流量计1-3、一体式水冷激光器的进水接头1-4；一体式水冷激光器的出水接头1-11依次连接过滤器1-12和工业水冷机1-1的回水口。
其中，所述一体式水冷激光器采用前文所述的一体式水冷激光器，在此不再赘述。参见图2，水冷循环冷却系统的外设部分中，工业水冷机1-1用于为水冷循环冷却系统提供恒温恒压的冷却水；球阀1-2用于调整工业水冷机1-1输出水流量大小；流量计1-3用于实时监控当前冷却水的流量，并与激光器主控模块保持通讯；过滤器1-12用于过滤冷却水中的杂质。
进水接头1-4为一体式水冷激光器的进水接头，由工业水冷机1-1提供的恒温恒压的冷却水经过球阀1-2和流量计1-3后通过进水接头1-4进入一体式水冷激光器；激光器箱体1-6用于安装激光器自由空间光路、至少一个被动散热器件和/或至少一个主动散热器件。以图2所示的结构为例，激光器箱体1-6安装第一被动散热器件1-9和第二被动散热器件1-10，所述的第一被动散热器件1-9和第二被动散热器件1-10通过光滑的接触面的热传导，将热量迅速带走；所述的第一被动散热器件1-9和第二被动散热器件1-10分别为LD和驱动电路；第一主动散热器件1-7和第二主动散热器件1-8安装于激光器箱体1-6内部，第一主动散热器件1-7和第二主动散热器件1-8为发热量较大较集中的器件或光学晶体；出水接头1-11用于将一体式水冷激光器内的冷却水排出；过滤器1-12位于一体式水冷激光器的出水接头1-11和工业水冷机1-1之间，由出水接头1-11排出的冷却水经过过滤器1-12后滤掉杂质，再送回工业水冷机1-1中处理。
其中，进水接头1-4和出水接头1-11可以是止退接头、快插接头或宝塔接头。
以上对本发明已经做了详细的说明，通过本发明的方案，工业水冷机1-1的输出端连接球阀1-2，控制输出冷却水的流量大小。冷却水进入一体式水冷激光器箱体前，串联流量计1-3，能够监控冷却水的实时流量，并与激光器主控通讯，确保冷却水流量在设定范围。
冷却水经过接头接入一体式水冷激光器水路。被动散热器件通过热仿真合理布置位置安装在水路上方。水路设计根据几何光路的要求，通过在安装主动散热器件的正下方，并在该处加工出主动散热器件安装槽；在安装槽处，设有密封圈，避免冷却水通过接口缝隙渗漏到一体式水冷激光器内部。主动散热器件根据安装槽配合设计，将冷却水阻断，引导到集中发热的区域，有针对性地进行水冷。一体式水冷激光器内的冷却水由出水接头流出并进入过滤器；由过滤器过滤后重新进入工业水冷机进行处理，继续循环冷却工作。
本发明提出的一体式水冷激光器仅包括进出水接头及外设部分，一体式激光器内一点都不用连接器和水管，因此激光器结构可以做得很紧凑，光路设计自由度比现有技术更大。
本发明提出的一体式水冷激光器内部的水路采用铣削加工结合搅拌摩擦焊的方式形成，水路的截面大小可以根据需要自由设计，因此水流流阻的大小也就可以自由调节。
进一步地，一体式水冷激光器箱体内无水管和连接器，内箱体几乎没有漏水的隐患，唯一可能插拔的进出水接头和水管都在箱体外，即便是漏水，也能将损失降到最低。
而且，通过在箱体底板上像挖沟渠一样先铣削出自由弯曲的水路，再用搅拌摩擦焊封闭水路，可以设计出各种形状的水路，不存在现有技术中采用钻孔形成水路而只能形成单一的直线型水路的问题。也不受钻头长度尺寸的限制，可以形成任意长度的水路。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种一体式水冷激光器，其特征在于，所述一体式水冷激光器包括：进水接头(1-4)、激光器箱体(1-6)和出水接头(1-11)；其中，激光器箱体(1-6)包括：底板(3-1)、底板(3-1)上与其一体成型的水冷管路(1-5)；
其中，所述水冷管路(1-5)包括水路及水路封盖(2-2)；
所述水路由机械加工的方式在激光器箱体(1-6)的底板(3-1)上形成；所述水路封盖(2-2)用于将形成的水路密封封闭，从而形成所述水冷管路(1-5)。
2.根据权利要求1所述的一体式水冷激光器，其特征在于：所述水路封盖(2-2)通过焊接或胶水粘接的方式将所述水路密封封闭。
3.根据权利要求2所述的一体式水冷激光器，其特征在于：所述机械加工的方式为：在激光器箱体(1-6)的底板(3-1)上先铣削出所需要形状的水路；所述焊接为搅拌摩擦焊或激光焊接。
4.根据权利要求3所述的一体式水冷激光器，其特征在于：经过搅拌摩擦焊工艺后，在水路封盖(2-2)与底板(3-1)的连接处形成搅拌摩擦焊焊缝(3-2)，从而将水冷管路封闭。
5.根据权利要求1所述的一体式水冷激光器，其特征在于：
所述一体式水冷激光器还包括至少一个被动散热器件和/或至少一个主动散热器件；
所述被动散热器件通过光滑的接触面将热量从激光器箱体(1-6)表面由冷却水带走；在所述主动散热器件的安装处的对应位置加工出一安装槽，该安装槽联通水路，主动散热器件安装在此安装槽内，截断并迫使水流流过主动散热器件，再返回到激光器箱体水路中，实现主动冷却功能。
6.根据权利要求5所述的一体式水冷激光器，其特征在于：主动散热器件上设置有密封圈(2-1)，其用于将冷却水与一体式水冷激光器箱体(1-6)隔离开来，避免冷却水渗漏到激光器箱体(1-6)内。
7.一种水冷循环冷却系统，其特征在于：水冷循环冷却系统包括外设部分和一体式水冷激光器；外设部分用于为一体式水冷激光器提供冷却水；其中，所述水冷激光器为如权利要求1-6任意之一的一体式水冷激光器。
8.根据权利要求7所述的水冷循环冷却系统，其特征在于：所述外设部分包括工业水冷机(1-1)、球阀(1-2)、流量计(1-3)以及过滤器(1-12)。
9.根据权利要求8所述的水冷循环冷却系统，其特征在于：所述工业水冷机(1-1)的出水口依次连接球阀(1-2)、流量计(1-3)、一体式水冷激光器的进水接头(1-4)；一体式水冷激光器的出水接头(1-11)依次连接过滤器(1-12)和工业水冷机(1-1)的回水口。
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