CN201181806Y - 激光器循环水的半导体制冷装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种激光器循环水的半导体制冷装置，它包括设有温度传感器的水箱及与水箱相连的水泵，散热器和温度控制装置，其特征是它还包括一只循环水在其中流动的热交换器，紧密贴合在热交换器及散热器两者之间的半导体制冷器件，热交换器贴合于半导体制冷器件的冷端的一面。上述的热交换器是用铜或铝导热率高的材料制成的一个密闭的、内部有热交换鳍片的壳体，热交换鳍片与壳体成为一体，壳体上有用于循环水的流动的进水口和出水口。本实用新型运用半导体制冷元件，控温准确，效率较高，噪声较低，寿命长，耗电量低，体积小巧，且造价低廉，也可广泛运用于其它需要对液体进行制冷的场合。

Description

激光器循环水的半导体制冷装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于激光器等设备的循环水冷却装置，具体说来是一种采用半导体制冷方式的带有温度控制和温度、水压报警的激光器水冷却装置。

背景技术

激光器近年来在各个方面有了长足的发展，各行各业均应用到了激光器，例如激光打标机、激光美容机、音乐激光表演设备等等。其中，以氙灯作为泵浦源的激光器占了较大的份额。灯泵浦激光器的效率较低，发热较大，但其成熟的制造工艺、低廉的价格以及较大的输出功率决定了其会在相当长的一段时间内仍然在中、大功率激光器市场上占最大份额。

这种灯泵浦激光器，由于其消耗电能的90％～99％均直接或间接地被转换成了无用的热能，因此需要一种制冷方式将热能散发，以维持设备的正常运转。通用的做法是激光器本身有内循环水作为热量传输的媒介，再由外部的冷却设备将带有热能的内循环冷却水冷却。

目前使用的激光器多由三部分组成，激光器、激光器电源和激光器循环水冷却器。激光器包括有许多光学元件和电子元件，用于产生激光。激光器电源负责激光器的供电和控制，同时接收激光器水冷却器的状态信息，如果水冷却器有故障则系统停机。

现在对激光器内循环水主要有以下几种冷却方法：一是采取外循环水冷却的方法。使用一只“水——水”热交换器和一只温控节流阀，控制外循环水流过热交换器的流量，以控制内循环水的水温。这种方式的最大缺点是需要浪费大量的外循环水，非常不利于环保，也不能用于车载、机载等移动使用的场合。第二是目前较多采用的压缩机制冷方式，这种方式采用压缩机制冷，激光器内循环水经过制冷机热交换器被冷却，其优点是效率较高，但缺点是由于采用压缩机制冷，不能短时间内多次起停，因此不能精确控温，不适用于需要精密温控的功率稳定激光器；且体积较大，压缩机运转时的噪音和震动较大，不利于医学等需要安静的环境的应用。

以上各种制冷方法均有局限性，且很难应用于对内循环水温度高要求的场合，难以适应对于激光器循环水制冷装置日益提高的需求。

近几年发展起来的半导体制冷元件，其由NP型半导体通过金属导流片链接，当电流由N通过P时，电场使N中的电子和P中的空穴反向流动，他们产生的能量来自晶格的热能，于是在导流片上吸热，而在另一端放热，产生温差。其优点是可精确温控：使用闭环温控电路，精度可达0.1摄氏度；高可靠性：致冷组件为固体器件，无运动部件，因此失效率低，寿命大于二十万小时；工作时无声：与机械制冷系统不一样，工作时不产生噪音。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种以半导体制冷元件为核心的水冷却器，以弥补现有技术的不足。

一种激光器循环水的半导体制冷装置，它包括设有循环水温度传感器的水箱及与水箱相连的水泵，散热器和温度控制装置，其特征是它还包括一只循环水在其中流动的热交换器，另外还包括紧密贴合在热交换器及散热器两者之间的至少一个半导体制冷片，热交换器贴合于半导体制冷片的冷端的一面，散热器贴合于半导体制冷片的热端的一面。

上述的热交换器是用铜或铝导热率高的材料制成的一个密闭的壳体，壳体是长方形，内部有热交换鳍片，热交换鳍片与壳体成为一体，壳体有用于循环水的流动的进水口和出水口。

上述的散热器上安装有两只温度阈值参数不同的连接至温度控制器而控制半导体制冷片电源的开或关，温度控制器连接有温度指示灯。

本实用新型耗电量较低，制冷部分没有运动部件，基本上不需要人工维护，特别适用于机载、车载等环境恶劣且要求耗电量低的场合。本实用新型运用半导体制冷元件，控温准确，效率较高，噪声较低，寿命长，体积小巧，可广泛运用于各种循环水温度传感器，温度阈值低的循环水温度传感器连接有轴流风机，温度阈值较高的温度敏感开关，连接有温度报警指示灯。

上述的水泵连接有一只压力传感器，压力传感器的高低压报警触点，接有压力报警指示灯。

上述的水箱底部安装有一只循环水温度传感器，循环水温度传感器需要移动、安静、高低温等特殊场合，且造价低廉，非常适于推广。本产品也可应用于其它需要对液体进行制冷的场合。

附图说明

下面结合附图对本实用新型做进一步说明。

图1，本实用新型的总体结构示意图。

图2，本实用新型的总体结构分解示意图。

图3，本实用新型的热交换器结构示意图。

图4，本实用新型的控制电路部件连接框图。

图5，本实用新型的仪器面板示意图。

其中，1电源，2散热器，3轴流风机，4(散热片)温敏开关，5半导体制冷片，6水箱，7循环水温度传感器，8热交换器，9水泵，10(水泵 压力)监测开关，11温度控制器，12固态继电器，15热交换鳍片，16出水管，17进水管，18壳体面板，19散热口，20主机供电接口，21故障报警输出电路，22压力报警指示灯，23温度指示灯，24温度报警指示灯，25电源指示灯，26激光器。

具体实施方式

图2为一种具体实施例的制冷机主要部件分解图。为清晰起见，图中所示的元器件被分解开来，以便观察。实际设备中的散热器2与半导体制冷片5，半导体制冷片5与热交换器8应紧密接触。另外连接各部件的水管用带箭头的实线表示连接关系和循环水的流向。

本实用新型的核心制冷装置是半导体制冷片5。半导体制冷片5的冷端和热端分别连接有热交换器8和散热器2。半导体制冷片5通电后，热交换器8的冷端的热量被传送到连接有散热器2的热端并被轴流风机3通过空气流动散发掉，这样热交换器8中流动的循环水被冷却，达到本激光器水冷却装置的设计目的。

半导体制冷片5的工作状态是由循环水温度传感器7、温度控制器11以及固态继电器12协同控制的，组成温度负反馈控制电路，由电源1供电。循环水温度传感器7和温度控制器11可以采用市售的成品，根据温度控制精度不同，从最低精度的双金属片温控开关到高精度的温度探头协同带有PID(比例积分微分)控制电路的温度控制器都可以采用。带有PID控制电路的温度控制器可以达到较高的控制精度，处于稳态时甚至可以达到0.1摄氏度的控制精度。温度控制器11输出的方波信号控制固态继电器，对半导体制冷片5供电或断电，以控制制冷量。也可采用带有电压输出(通常是0～5V)或电流输出(通常是4～20mA)的温度控制器，直接控制带有控制功能的电源1，对于半导体制冷片5的工作电压或电流进行控制。如果选取带有加热/制冷双温控功能的温度控制器11，还可以对循环水进行加热或制冷，这多用于气候寒冷的特殊地区。图1中的循环水温度传感器7是安装在水箱6内的，图中为了清晰，分解展示。

流过热交换器8的内循环水进入到水箱6中，水箱6中的水被水泵9泵浦到本装置以外的激光器26，激光器26产生的热量被循环水携带，回到热交换器8进入下一个循环。水泵9的输出压力由(水泵 压力)监测开关10感知，如果压力过大或过小，均会故障报警，通知激光器和操作人员有故障发生。

图3是一种热交换器8内部结构图。本文所述的热交换器8并不限于图3的形式，可根据热容量的大小改变样式。热交换器8的壳体可用铜等导热率高的金属进行加工。内循环水由进水管18进入热交换器8，在循环水通道19内与壳体热交换鳍片15大面积接触后，从出水管16流出，完成热交换过程。热交换器8的半导体制冷元件安装面17与半导体制冷片8的冷端密切接触，设计时此面需要光滑、平整且安装半导体制冷片5时需要使用导热硅脂或导热胶垫进行热传导辅助。

图4是控制电路结构方框图。本实用新型的装置外部设有主机供电接口20和故障报警输出电路21。外部的激光器主机对本实用新型供电后，水泵9运转，(水泵 压力)监测开关10对水压进行监测，如果压力过大(水路有堵塞显现)或压力过小(水路有泄露)，(水泵 压力)监测开关10均会产生故障报警信号。由循环水温度传感器7测得的水温信号被传送至温度控制器11，温度控制器11的输出信号控制固态继电器12的开毕，从而控制半导体制冷片5工作起停。如果温度低于预先设定的最小值或高于预先设定的最大值，均会产生报警。安装于散热器2上的温敏开关4有两组。一组是低温控制触点(例如温控温度50摄氏度)，及温度高于开关设定值即会连通，时轴流风机打开，使用空气流动对散热器2进行散热。另一组温敏开关用于报警(例如温控温度80摄氏度)，一般是空气流动不畅或轴流风机故障导致。循环水压力、循环水温度、散热器温度的三路报警开关在本实用新型的装置外壳上均有声光指示报警，并通过“或”逻辑对激光器电源运用故障报警输出电路21进行报警，以便使激光器电源停止激光输出。(散热片)温敏开关4可选择带有施密特效应的型号，以避免轴流风机频繁开闭。

本实用新型运用半导体制冷元件，控温准确，效率较高，噪声较低，寿命长，不需维护，体积小巧，可广泛运用于各种需要移动、安静、高低温等特殊场合，且造价低廉，非常适于推广。本产品也可应用于其它需要对液体进行制冷的场合。

水路的具体流程如下：水箱中的水经过水泵泵浦，从管路输出到激光器，内循环冷却水输出压力由压力传感器监控，带有激光器热量的水流回到本文所述的设备，进入热交换器，安装有半导体制冷片冷端的热交换器将循环水冷却，最后进入水箱继续循环。

电路的具体流程如下：系统加电后由温度传感器将温度信号传输至温度控制器，温度控制器根据其内所存储的温度控制算法输出制冷控制信号，此信号经过固态继电器驱动，将电源变换器输出的电压加至半导体制冷片，对循环水进行制冷。如果选取带有加热/制冷双温控功能的温度控制器，还可以对循环水进行加热，这多用于气候寒冷的特殊地区。电路同时还监控整个冷却装置的故障信息，水路的压力过大或过小、散热片温度过热、内循环冷却水温度过热或过冷，都由故障监控电路将报警信号传输至本装置以外并同时以声光报警，通知用户进行处理。

风路的主要作用是将半导体制冷片热端所产生的热量带走，其结构比较简单，由温控开关感知散热器的温度，若超过某一特定值(例如50摄氏度)，就将轴流风机打开，对散热器进行风冷。

Claims (5)

1.一种激光器循环水的半导体制冷装置，它包括设有循环水温度传感器(7)的水箱(6)及与水箱(6)相连的水泵(9)、散热器(2)和温度控制器(11)，其特征是它还包括一只循环水在其中流动的热交换器(8)，另外还包括紧密贴合在热交换器(8)及散热器(2)两者之间的至少一个半导体制冷片(5)，热交换器(8)贴合于半导体制冷片(5)的冷端的一面，散热器(2)贴合于半导体制冷片(5)的热端的一面。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于上述热交换器(8)是用铜或铝导热率高的材料制成的一个密闭的壳体，壳体是长方形，内部有热交换鳍片(15)，热交换鳍片(15)与壳体成为一体，壳体有用于循环水的流动的进水口(17)和出水口(16)。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于上述散热器(2)上安装有两只温度阈值参数不同的温敏开关(4)，温度阈值低的温敏开关(4)连接有轴流风机(3)，温度阈值较高的温敏开关(4)，连接有温度报警指示灯(24)。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于上述水泵(9)连接有一只水泵压力监测开关(10)，该水泵压力监测开关(10)的高低压报警触点接有压力报警指示灯(22)。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于上述水箱底部安装有一只循环水温度传感器(7)，循环水温度传感器(7)连接至温度控制器(11)而控制半导体制冷片(5)电源的开或关，温度控制器(11)连接有温度指示灯(23)。

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