CN204668711U - 一种激光3d打印微通道水冷反射镜 - Google Patents

一种激光3d打印微通道水冷反射镜 Download PDF

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闫岸如
王志勇
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Abstract

本实用新型公开了一种激光3D打印微通道水冷反射镜，包括进水口、出水口、反射镜反射面和内部水流微通道，所述内部水流微通道为轴对称结构，其内按水流方向依次包括进水通道、进水分流通道、内围水通道、出水分流通道、外围水通道和出水通道，所述进水口与进水通道相通，出水口与出水通道相通，所述内围水通道与外围水通道为多个同心圆沟槽，其之间设置有圆弧形挡板，所述进水通道与进水分流通道相通，出水通道与出水分流通道由外围水通道相通。该水冷反射镜采用金属镍材料，激光3D打印一体成型制造，避免了传统机械加工及焊接方式可能造成的流体泄露现象，同时也避免了焊接热阻，具有散热面积大、流体均匀性好、耐腐蚀性强，寿命长等特点。

Description

一种激光3D打印微通道水冷反射镜
技术领域
本实用新型属于激光技术及微通道散热领域，具体涉及一种激光3D打印微通道水冷反射镜，特别是涉及一种大功率激光器水冷反射镜技术领域。
背景技术
目前随着激光技术的飞速发展，大功率的激光器功率越来越高，而限制激光器功率发展的一个重要的因素就是：在较高功率密度下，激光器反射镜容易发生热变形，即反射镜面吸收激光后，镜面产生热应力所引起的变形及温升所产生的轴向不均匀膨胀。反射镜发生热变形会影响激光器稳定性，从而导致一系列诸如光束质量变差、聚焦性能降低等问题。若要使大功率激光器能够最终输出高性能激光，必须解决激光器反射镜热变形的技术问题，即需在大功率激光器反射镜内部添设冷却水流通道。
传统的大功率激光器水冷反射镜的加工，往往在冷却效果和结构上，没有考虑到激光束能量中心高、边缘低的分布特点，造成反射镜在大功率激光器和加工系统中，受力不均匀对称，引起镜面形变较大；同时由于其内部冷却水通道多为机械加工或化学刻蚀，非水流通道部位接触面用金属焊料封接，增加了额外热阻，有可能会发生流体泄漏现象；传统水流通道直径比较大，尤其是镜面为抛物面、球面等曲面时，镜面受热不均匀，加之焊接困难导致冷却更加不均匀，镜面产生热变形，镜面越厚，热变形越严重，最终使得激光束质量大大下降。
实用新型内容
为克服现有技术结构及制造方法上的缺陷，本实用新型采用激光3D打印技术，针对高能激光束能量分布特点，设计轴对称微通道散热结构，使得从反射镜中心到镜体边缘温度梯度式递减，减小镜面热变形，最终制备出一种结构紧凑、轻巧、易于加工、高效均匀散热的水冷反射镜。
为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案来实现：
一种激光3D打印微通道水冷反射镜，包括进水口、出水口、反射镜反射面和内部水流微通道，所述内部水流微通道为轴对称结构，其内按水流方向依次包括进水通道、进水分流通道、内围水通道、出水分流通道、外围水通道和出水通道，所述进水口与进水通道相通，出水口与出水通道相通，所述内围水通道与外围水通道为多个同心圆沟槽，其之间设置有圆弧形挡板，用于分隔内围水通道与外围水通道，所述进水分流通道和内围水通道位于圆弧形挡板的内侧，出水分流通道和外围水通道位于圆弧形挡板的外侧，所述进水通道与进水分流通道相通，出水通道与出水分流通道由外围水通道相通。
为了进一步增加镜体的散热能力，本实用新型的水冷反射镜还包括柱状扰流单元，所述柱状扰流单元位于水冷反射镜的中心圆区域，其横截面为圆形、方形或菱形柱状结构，且排列为相互交错排列结构。
上述技术方案中，所述出水分流通道为一扇形通道，分别与内围水通道和外围水通道相连，出水分流通道口径沿径向从内向外逐渐增大，外围水通道由内向外的流体速度越来越小，实现了镜体沿激光束能量分布方向不同的散热效率。
上述技术方案中，所述反射镜反射面为镀铜或镀金层的平面、球面或抛物面形状。
上述技术方案中，所述水冷反射镜材料采用镍金属球形粉末，采用3D打印一体成型制造，镍金属球形粉末的铺设厚度为0.02～0.1mm。
与现有技术相比，本实用新型具有的有益效果：
1、本实用新型激光3D打印水冷反射镜的内部通道为轴对称式微通道结构，从反射镜中心到镜体边缘温度呈梯度式递减，针对高能激光束能量分布特点，对反射镜进行高效散热，减小镜面热变形，提高激光束质量；
2、采用激光3D打印快速成型技术实现高功率激光器水冷反射镜的无失真化一体成型制备：“无失真化”使得微通道壁平整，“一体化成型制备”避免了传统制造方式因焊接而引入的额外热阻，提高水冷反射镜的散热效率，同时该制造方式实现了反射镜防泄漏密封式结构，避免液体泄漏现象，最终可获得结构更为合理的高性能微通道水冷反射镜；
3、激光3D打印微通道反射镜材料采用镍金属粉末，硬度高于铜，耐腐蚀性能优于传统加工方式的材料，能够获得更长的使用寿命。
附图说明
图1为本实用新型水冷反射镜的外形结构示意图；
图2为本实用新型水冷反射镜的内部水流通道结构示意图；
图3为本实用新型水冷反射镜的剖面示意图。
图中各个标记分别为：1、进水口，2、出水口，3、进水通道，4、柱状扰流单元，5、进水分流通道，6、内围水通道，7、出水分流通道，8、外围水通道，9、出水通道，10、反射镜反射面，11、内部水流微通道。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。
如图1～3所示，一种激光3D打印微通道水冷反射镜，包括进水口1、出水口2、反射镜反射10面和内部水流微通道11，所述内部水流微通道11为轴对称结构，其内按水流方向依次包括进水通道3、进水分流通道5、内围水通道6、出水分流通道7、外围水通道8和出水通道9，所述进水口1与进水通道3相通，出水口2与出水通道9相通，所述内围水通道与外围水通道为多个同心圆沟槽，其之间设置有圆弧形挡板，用于分隔内围水通道与外围水通道，所述进水分流通道和内围水通道位于圆弧形挡板的内侧，出水分流通道和外围水通道位于圆弧形挡板的外侧，所述进水通道与进水分流通道相通，出水通道与出水分流通道由外围水通道相通。
为了进一步增加镜体的散热能力，本实用新型的水冷反射镜还包括柱状扰流单元4，所述柱状扰流单元位于水冷反射镜的中心圆区域，其横截面为圆形、方形或菱形柱状结构，且排列为相互交错排列结构。在中心圆区域内增设错排式扰流单元的作用是增加流体与固体的换热能力，从而增加整个镜体的散热能力。
上述技术方案中，所述出水分流通道7为一扇形通道，分别与内围水通道6和外围水通道8相连，出水分流通道口径沿径向从内向外逐渐增大，外围水通道由内向外的流体速度越来越小，实现了镜体沿激光束能量分布方向不同的散热效率。
上述技术方案中，所述水冷反射镜材料采用镍金属球形粉末，采用3D打印一体成型制造，用3D打印一体成型制造，避免传统焊接方式非水流通道接触面焊料封接带来的额外热阻，具有散热面积大、流体均匀性好、耐腐蚀性强，寿命长等特点，镍金属球形粉末的铺设厚度为0.02～0.1mm。
本实用新型的水冷反射镜的外径尺寸为40～60mm，所述进水通道和出水通道的宽度均为3～4mm，柱状扰流单元位于的中心圆区域的内径为8～12mm，其直径的范围为0.2-2mm，所述内部水流微通道的壁厚度为1～2mm，其壁高度为3～5mm。
冷却水的流通方向由进水口进入进水通道内，然后沿着进水分流通道、内围水通道、出水分流通道、外围水通道和出水通道，最后经由出水口排出。
以上所述仅是本实用新型的实施方式，再次声明，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进，这些改进也列入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种激光3D打印微通道水冷反射镜，其特征在于：包括进水口(1)、出水口(2)、反射镜反射面(10)和内部水流微通道(11)，所述内部水流微通道(11)为轴对称结构，其内按水流方向依次包括进水通道(3)、进水分流通道(5)、内围水通道(6)、出水分流通道(7)、外围水通道(8)和出水通道(9)，所述进水口与进水通道相通，出水口与出水通道相通，所述内围水通道与外围水通道为多个同心圆沟槽，其之间设置有圆弧形挡板，用于分隔内围水通道与外围水通道，所述进水分流通道和内围水通道位于圆弧形挡板的内侧，出水分流通道和外围水通道位于圆弧形挡板的外侧，所述进水通道与进水分流通道相通，出水通道与出水分流通道由外围水通道相通。
2.根据权利要求1所述的一种激光3D打印微通道水冷反射镜，其特征在于：还包括柱状扰流单元(4)，所述柱状扰流单元位于水冷反射镜的中心圆区域，其横截面为圆形、方形或菱形柱状结构，且排列为相互交错排列结构。
3.根据权利要求1所述的一种激光3D打印微通道水冷反射镜，其特征在于：所述出水分流通道(7)为一扇形通道，分别与内围水通道和外围水通道相连，出水分流通道口径沿径向从内向外逐渐增大。
4.根据权利要求1所述的一种激光3D打印微通道水冷反射镜，其特征在于：所述反射镜反射面为镀铜或镀金层的平面、球面或抛物面形状。
5.根据权利要求1所述的一种激光3D打印微通道水冷反射镜，其特征在于：所述水冷反射镜材料采用镍金属球形粉末，采用3D打印一体成型制造，镍金属球形粉末的铺设厚度为0.02～0.1mm。
6.根据权利要求1所述的一种激光3D打印微通道水冷反射镜，其特征在于：所述水冷反射镜的外径尺寸为40～60mm，进水通道和出水通道的宽度均为3～4mm，柱状扰流单元位于的中心圆区域的内径为8～12mm，其直径的范围为0.2-2mm。
7.根据权利要求1所述的一种激光3D打印微通道水冷反射镜，其特征在于：所述内部水流微通道的壁厚度为1～2mm，其壁高度为3～5mm。
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