CN117254332B - 散热结构及气体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种散热结构及气体激光器，涉及激光器技术领域，解决了气体激光器散热结构体积庞大，结构复杂的技术问题。该散热结构包括内部换热器和外部换热器，内部换热器包括基板、翅片组件和热管，外部换热器包括热电制冷件，热管的内部流通有冷媒，热管的一部分穿过基板，且一部分穿过翅片组件，用以与流经翅片组件的气体换热；热管与热电制冷件的冷面相连接，热电制冷件热面的热量能散失至外界环境中。本发明用于气体激光器放电气体的散热，能够将放电气体的工作温度降低到稳定的工作温度，从而满足激光器在较高环境温度时还能正常工作，既能减小体积，还能增加设备的便携性，在没有水冷机组的情况下也能正常的工作。

Description

散热结构及气体激光器

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，尤其是涉及一种散热结构及气体激光器。

背景技术

气体激光器的主要应用领域为激光切割，焊接和军事领域等。气体激光器在工作时，需要将内部循环的放电气体不断的冷却到稳定的温度范围，从而得到稳定的波长，才能使激光器正常的工作。当气体温度超过规定的上限和温度波动较大时，对于激光器的性能和安全性有着较大的影响。

现有技术中，对气体激光器中的放电气体散热主要是采用液冷的方式，即，通过外部水冷机组提供一定温度和流量的冷却液体，液体在流过气体激光器内部液冷板的时候带走热量，从而降低气体的温度，并保持在一定工作温度范围。

本申请人发现现有技术至少存在以下技术问题：现有气体激光器使用外部冷水机组散热的液冷方式，需要提供管路系统和外部冷却的水冷机组，体积庞大结构复杂，不易于便携式的移动，影响设备的灵活使用；复杂的连接管路有泄露的风险，产品的安全性存在较大风险。

发明内容

本发明的目的在于提供一种散热结构及气体激光器，以解决现有技术中存在的气体激光器散热结构体积庞大，结构复杂的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供的散热结构，包括内部换热器和外部换热器，所述内部换热器包括基板、翅片组件和热管，所述外部换热器包括热电制冷件，其中：

所述热管的内部流通有冷媒，所述热管的一部分穿过所述基板，且一部分穿过所述翅片组件，用以与流经所述翅片组件的气体换热；

所述热管与所述热电制冷件的冷面相连接，所述热电制冷件热面的热量能散失至外界环境中。

优选的，所述内部换热器还包括挡风壳，所述热管和所述翅片组件位于所述挡风壳内，所述挡风壳上形成有内部进风口和内部出风口，所述内部进风口和所述内部出风口位于所述挡风壳的不同侧。

优选的，所述翅片组件包括翅片本体，所有所述翅片本体沿所述内部换热器的长度方向间隔布置，并形成有供待散热气体通过的流通间隙；所述热管的数量为两根以上，所有所述热管沿竖直方向间隔布置。

优选的，所述热管为封闭式结构，所述热管包括第一直管段、弯管段和第二直管段，其中：所述第一直管段位于所述基板内，所述第二直管段穿过所述翅片组件，所述弯管段连通所述第一直管段和所述第二直管段。

优选的，同一所述热管中，所述第二直管段的位置低于所述第一直管段的位置，且所述弯管段与所述第一直管段连接的一端至与所述第二直管段连接的一端逐渐倾斜向下设置。

优选的，所述外部换热器包括散热器，所述散热器与所述热电制冷件的热面相连接。

优选的，所述外部换热器包括外壳和散热风扇，其中：

所述外壳形成有外部进风口和外部出风口，所述散热器、所述热电制冷件位于所述外壳内，所述散热风扇与所述热电制冷件的热面相连接，所述散热风扇位于所述外部出风口处，用于强制对流散热。

优选的，所述外部换热器包括密封法兰，所述密封法兰与待散热设备密封连接，所述密封法兰的一侧与所述基板密封连接，另一侧与所述热电制冷件的冷面密封连接。

优选的，所述密封法兰与所述基板之间填充有石墨材料导热层；所述密封法兰与所述热电制冷件之间填充有凝胶导热层或硅脂导热层。

本发明还提供了一种气体激光器，包括壳体和上述散热结构，所述内部换热器位于所述壳体内，所述外部换热器位于所述壳体外。

本发明提供的散热结构及气体激光器，与现有技术相比，具有如下有益效果：热管中流通有冷媒，气体激光器内的放电气体穿过翅片组件时能够与热管中的冷媒换热，放电气体温度降低，冷却到稳定的温度范围；热管、翅片组件的热量通过热传导的方式依次传递至基板、热电制冷件的冷面，热电制冷件热面的热量能够散失至外部环境中。上述散热结构，能够将气体激光器内放电气体的工作温度降低到稳定的工作温度，从而满足激光器在较高环境温度时还能正常工作，既能减小体积，还能增加设备的便携性，在没有水冷机组的情况下也能正常的工作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是气体激光器除去壳体侧部的第一视角结构示意图；

图2是气体激光器除去壳体侧部的第二视角结构示意图；

图3是散热结构除去挡风壳一侧的示意图；

图4是内部换热器的结构示意图；

图5是外部换热器的结构示意图；

图6是热管与翅片组件的配合结构示意图；

图7是热管与翅片组件的配合结构侧视图；

图8是热管的结构示意图。

图中100、壳体；1、基板；2、翅片组件；3、热管；31、第一直管段；32、弯管段；33、第二直管段；4、挡风壳；41、内部进风口；42、内部出风口；5、密封法兰；6、热电制冷件；7、散热器；8、外壳；81、外部进风口；9、散热风扇。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“宽度”、“高度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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设备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。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本发明实施例提供了一种散热结构及气体激光器，既能减小体积，还能增加设备的便携性，气体激光器在没有水冷机组的情况下也能正常的工作。

下面结合图1-图8对本发明提供的技术方案进行更为详细的阐述。

实施例1

如图1-图5所示，图1中箭头方向表示待散热气体（气体激光器中的放电气体）的流向，图2中箭头方向表示外界空气气流流向。本实施例提供了一种散热结构，参见图1和图2，该散热结构包括内部换热器和外部换热器，内部换热器包括基板1、翅片组件2和热管3，外部换热器包括热电制冷件6，其中：热管3的内部流通有冷媒，热管3的一部分穿过基板1，且一部分穿过翅片组件2，用以与流经翅片组件2的气体换热；热管3与热电制冷件6的冷面相连接，热电制冷件热面的热量能散失至外界环境中。

其中，对于待散热设备而言，内部换热器位于待散热设备的壳体100内，外部换热器位于带散热设备的壳体100外。

本实施例中以将该散热结构应用于气体激光器中为例进行说明，本实施例中的散热结构用于气体激光器中的放电气体散热。

其中，激光器指的是能发射激光的装置；气体激光器在工作时，需要将内部循环的放电气体不断的冷却到稳定的温度范围，从而得到稳定的波长，才能使激光器正常的工作。

热电制冷件6，可以采用现有技术中的热电制冷片，热电制冷片是利用半导体材料的peltier效应，当直流电通过两种不同的半导体材料串成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可实现制冷的目的，一面为热端，一面为冷面，热面跟散热器7连接，冷面跟被散热的器件连接，从而实现器件的散热。

热管3充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，透过热管3将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过已知金属的导热能力。

其中，热管3内流通的冷媒可以为丙酮、甲醇等低沸点的制冷剂。利用上述低沸点的制冷剂，当冷媒与流经翅片组件2的气体换热时，冷媒吸收热量蒸发为气体，热管3内局部压力升高，在压差的作用下，冷媒能够在热管3中流通，无需驱动压缩机等驱动装置，结构简单，占用体积小。

本实施例的散热结构，热管3中流通有冷媒，气体激光器内的放电气体穿过翅片组件2时能够与热管3中的冷媒换热，放电气体温度降低，冷却到稳定的温度范围；热管3、翅片组件2的热量通过热传导的方式依次传递至基板1、热电制冷件6的冷面，热电制冷件6热面的热量能够散失至外部环境中。上述散热结构，能够将气体激光器内放电气体的工作温度降低到稳定的工作温度，从而满足激光器在较高环境温度时还能正常工作，既能减小体积，还能增加设备的便携性，在没有水冷机组的情况下也能正常的工作。

作为可选地实施方式，参见图1和图3所示，内部换热器还包括挡风壳4，热管3和翅片组件2位于挡风壳4内，挡风壳4上形成有内部进风口41和内部出风口42，内部进风口41和内部出风口42位于挡风壳4的不同侧。

上述挡风壳4围设出内部空间，热管3和翅片组件2位于内部空间中。

参见图1，图1中箭头方向表示待散热气体（气体激光器中的放电气体）的流向，气体激光器的壳体100中设置有鼓风机（图中未示出），利用鼓风机驱动待散热气体（气体激光器中的放电气体）由内部进风口41进入挡风壳4内，待散热气体穿过翅片组件2与热管3换热后，从内部出风口42流出，由此实现待散热气体（气体激光器中的放电气体）在气体激光器壳体100内的循环流通，放电气体经过散热结构的冷却，能够持续稳定工作。

挡风壳4使待散热气体（放电气体）形成进出通道，让待散热气体和翅片组件2充分的接触，形成良好的换热。

作为可选地实施方式，参见图3和图4所示，翅片组件2包括翅片本体，所有翅片本体沿内部换热器的长度方向间隔布置，并形成有供待散热气体通过的流通间隙；热管3的数量为两根以上，所有热管3沿竖直方向间隔布置。

待散热气体（气体激光器中的放电气体）能够从翅片本体之间的流通间隙穿过，从内部出风口42流出，待散热气体（气体激光器中的放电气体）流经流通间隙时，能够与翅片本体、热管3换热，将热量传递至热管3、翅片本体，从而冷却降温。

热管3的上述布置结构，能够提高冷却效果和散热效率。

作为可选地实施方式，参见图6-图8所示，热管3为封闭式结构，热管3包括第一直管段31、弯管段32和第二直管段33，其中：第一直管段31位于基板1内，第二直管段33穿过翅片组件2，弯管段32连通第一直管段31和第二直管段33。

弯管段32能够将第一直管段31和第二直管段33连通，低沸点的制冷剂在第一直管段31、弯管段32和第二直管段33中流通。其中，第二直管段33保证了热管3与翅片组件2的接触面积，能够提高热管3与待散热气体的换热效果；第一直管段31保证了热管3与基板1的接触面积，能够将热管3中的热量尽可能多、快的传递至基板1，便于基板1继续将热量传递至热电制冷件6。

上述热管3无需与驱动装置连接，当冷媒与流经翅片组件2的气体换热时，冷媒吸收热量至少部分蒸发为气体，第二直管段33内局部压力升高，由于第一直管段31位于基板1内，将热量传递至基板1后温度较低，即，第一直管段31内压力较小，在压差的作用下，蒸发的冷媒能够从第二直管段33向第一直管段31流动，气体冷媒流动至第一直管段31后温度较低，又能重新液化为液态冷媒，由此实现冷媒在热管3中的循环流通，无需驱动压缩机等驱动装置，结构简单，占用体积小。

为了便于冷媒从第一直管段31向第二直管段33中流动，作为可选地实施方式，参见图7所示，同一热管3中，第二直管段33的位置低于第一直管段31的位置，且弯管段32与第一直管段31连接的一端至与第二直管段33连接的一端逐渐倾斜向下设置。

上述结构，在同一根热管3中，第一直管段31内的液态冷媒能够在重力作用下沿弯管段32流动至第二直管段33中，继续与翅片组件2、待散热气体换热。

热管3的上述结构，能够实现冷媒在热管3中的循环流通，无需压缩机等驱动装置。一方面，热管3中的冷媒为低沸点冷媒，如丙酮、甲醇等。当冷媒与流经翅片组件2的气体换热时，冷媒吸收热量蒸发为气体，热管3内局部压力升高，在压差的作用下，冷媒能够在热管3中流通。另一方面，第一直管段31内的液态冷媒能够在重力作用下沿弯管段32流动至第二直管段33中。由此实现冷媒在热管3中的循环流通，无需驱动压缩机等驱动装置，结构简单，占用体积小。

参见图8所示，本实施例的散热结构设置了四根热管3，并不限于该数量。热管3能够降低基板1和翅片组件2的温差，降低内部出风口42的温差，提高气体温度的均匀性，使待散热气体尽快将热量传递至基板1，提高散热效率，这样可以让气体激光器得到稳定的波长，提高使用的性能。

作为可选地实施方式，参见图2、图3和图5所示，外部换热器包括散热器7，散热器7与热电制冷件6的热面相连接。

上述散热器7的结构，能够使热电制冷件6热面的热量尽快散失到外界环境中。

作为可选地实施方式，参见图2和图5所示，外部换热器包括外壳8和散热风扇9，其中：外壳8形成有外部进风口81和外部出风口，散热器7、热电制冷件6位于外壳8内，散热风扇9与热电制冷件6的热面相连接，散热风扇9位于外部出风口处，用于强制对流散热。

参见图2所示，图2中箭头方向表示外界空气气流流向。在散热风扇9的驱动下，外部空气能由外部进风口81进入外壳8内，并经过散热器7后，由外部出风口流出，散热器7的热量通过散热风扇9的强制对流散热带走，提高了散热效率。

作为可选地实施方式，参见图1-图5所示，外部换热器包括密封法兰5，密封法兰5与待散热设备密封连接，密封法兰5的一侧与基板1密封连接，另一侧与热电制冷件的冷面密封连接。

参见图1和图2所示，气体激光器的内部是一个封闭的结构，密封法兰5将气体激光器的壳体100密封。气体激光器内部的热量也通过密封法兰5的安装面传递到外部的热电制冷件6的冷面。到达热电制冷件6的热量，能够传递至热电制冷件6的热面，由于热电制冷件6热面和散热器7连接，热量传递到外部的散热器7上，通过散热风扇9的强制对流散热带走。

为了提高基板1至密封法兰5之间的传热效率和散热效果，作为可选地实施方式，密封法兰5与基板1之间填充有石墨材料导热层；可采用螺栓等锁紧件将基板1、密封法兰5锁紧。由于基板1和密封法兰5之间可以承受较大的缩紧力，因此，可以使用石墨材料导热层进行界面填充，利用石墨材料导热层将基板1和密封法兰5之间密封。石墨材料导热层可采用中石TIM石墨材料，能使界面热阻更小，提高传热效率。

为了提高密封法兰5至热电制冷件6之间的传热效率和散热效果，密封法兰5与热电制冷件6之间填充有凝胶导热层或硅脂导热层。可采用螺栓等锁紧件将密封法兰5、热电制冷件6锁紧。由于热电制冷件6（热电制冷片）为陶瓷结构，不能承受太大的压力，使用凝胶导热层或硅脂导热层将密封法兰5与热电制冷件6之间密封填充，能更好的实现对固体表面的浸润性，降低接触热阻，提高传热效率。凝胶导热层或硅脂导热层的材料可以为现有技术中的单组份凝胶或者导热硅脂。

实施例2

参见图1和图2所示，本实施例提供了一种气体激光器，包括壳体100和上述散热结构，内部换热器位于壳体100内，外部换热器位于壳体100外。

本实施例的气体激光器，利用上述散热结构，参见图1和图2所示，气体激光器的放电气体流过内部换热器后，将热量传导到翅片组件2上，然后通过热传导依次往基板1、密封法兰5、热电制冷件6和散热器7传递，最终外部散热器7的热量通过散热风扇9的强制对流散热带走。无需设置冷水机组，简化了结构，减小体积，安全可靠，管路简单，减少了漏液隐患。

在本说明书的描述，具体特征、结构或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种散热结构，其特征在于，包括内部换热器和外部换热器，所述内部换热器包括基板、翅片组件和热管，所述外部换热器包括热电制冷件，其中：

所述热管为封闭式结构，所述热管的内部流通有低沸点冷媒，所述热管的一部分穿过所述基板，且一部分穿过所述翅片组件，用以与流经所述翅片组件的气体换热；

所述热管与所述热电制冷件的冷面相连接，所述热电制冷件热面的热量能散失至外界环境中；

所述外部换热器包括散热器，所述散热器与所述热电制冷件的热面相连接；

所述外部换热器包括密封法兰，所述密封法兰与待散热设备密封连接，所述密封法兰的一侧与所述基板密封连接，另一侧与所述热电制冷件的冷面密封连接。

2.根据权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述内部换热器还包括挡风壳，所述热管和所述翅片组件位于所述挡风壳内，所述挡风壳上形成有内部进风口和内部出风口，所述内部进风口和所述内部出风口位于所述挡风壳的不同侧。

3.根据权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述翅片组件包括翅片本体，所有所述翅片本体沿所述内部换热器的长度方向间隔布置，并形成有供待散热气体通过的流通间隙；所述热管的数量为两根以上，所有所述热管沿竖直方向间隔布置。

4.根据权利要求1或3所述的散热结构，其特征在于，所述热管包括第一直管段、弯管段和第二直管段，其中：所述第一直管段位于所述基板内，所述第二直管段穿过所述翅片组件，所述弯管段连通所述第一直管段和所述第二直管段。

5.根据权利要求4所述的散热结构，其特征在于，同一所述热管中，所述第二直管段的位置低于所述第一直管段的位置，且所述弯管段与所述第一直管段连接的一端至与所述第二直管段连接的一端逐渐倾斜向下设置。

6.根据权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述外部换热器包括外壳和散热风扇，其中：

所述外壳形成有外部进风口和外部出风口，所述散热器、所述热电制冷件位于所述外壳内，所述散热风扇与所述热电制冷件的热面相连接，所述散热风扇位于所述外部出风口处，用于强制对流散热。

7.根据权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述密封法兰与所述基板之间填充有石墨材料导热层；所述密封法兰与所述热电制冷件之间填充有凝胶导热层或硅脂导热层。

8.一种气体激光器，其特征在于，包括壳体和权利要求1-7任一项所述的散热结构，所述内部换热器位于所述壳体内，所述外部换热器位于所述壳体外。