CN205319145U - 一种激光器精密温控装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种激光器精密温控装置，该方案包括有热电制冷片、均温板、热电偶、散热翅片和轴流风扇；热电制冷片的冷面与热沉贴合；热电制冷片的热端与均温板一面贴合；热电偶与靠近热电制冷片的均温板底面贴合；均温板的另一面设置散热翅片和轴流风扇；该方案控温精度高、环境适应性强、体积紧凑、适用于多种机动平台、可适用于不同发热源。

Description

一种激光器精密温控装置

技术领域

本实用新型涉及的是激光器技术应用，尤其是一种激光器精密温控装置。

背景技术

伴随激光器性能的提升，激光器的应用环境也广泛扩展，越来越多的机动平台，包括飞机、汽车、轮船等对激光器提出了配装需求。在这些独立性强、使用灵活度高、应用环境较为苛刻的运行平台，激光器的体积、重量、功耗受到十分严格的限制，与此同时，激光器泵浦模块的温度波动会直接影响激光器的出光质量，适用于多平台的激光器精密温控技术成为制约激光器使用性能提升的关键因素之一。

强制风冷冷却技术，特别是结合板翅片的板翅式风冷冷却技术由于它结构紧凑、使用方便,在航空电子设备的冷却中被广泛地运用,一般来说,风冷式散热器对于一些耗散功率不大、热流密度比较小的电子元器件,在冷却空气温升不超过40℃左右的条件下能满足散热要求。而对于高热流密度的散热,理想情况是采用液体冷却的方式来进行,但是在航空电子设备中往往不具备使用液体冷却的条件,比如战斗机、直升机等小型飞机,由于其对体积和重量的限制,提供液冷的条件比较困难,只能采用风冷的方式散热。

半导体制冷又称为热电制冷(Thermoelectriccooler)，热电制冷是用电能作动力，以泊尔帖效应为基础的能量转换过程，半导体制冷系统结构简单，无需制冷剂，无污染，启动快，控制灵活，控制精度高，在失重和超重状态下均可工作，而且制冷加热可灵活切换。

均温板是一种高效的高热流密度的传热组件，均温板为一个平板状结构，外壳包着多孔材料，里面填充某种工质。在均温板底面中心加热，较大的热流密度可以通过工质的蒸发和冷凝扩散到整个均温板的表面，实现将热流密度变小化，由于其流动方向性为空间所有维度，故均温板比一般热管的性能更优。

实用新型内容

本实用新型的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种激光器精密温控装置的技术方案，该方案体积紧凑、温控精度高、适用于多种机动平台、可适用于不同热负荷的激光器、可扩展性良好，在不同环境和条件下，都能够满足激光器散热要求。

本方案是通过如下技术措施来实现的：

一种激光器精密温控装置，包括热电制冷片、均温板、热电偶、散热翅片和轴流风扇；热电制冷片冷面通过导热银胶与热沉表面贴合；热电制冷片热面通过与均温板下表面金属化贴合；热电偶通过锡铅焊与均温板下表面贴合；散热翅片与均温板上表面通过锡铅焊的方式贴合；轴流风机通过在散热翅片上安装固定底座与散热翅片连通。

作为本方案的优选：热电制冷片冷面制冷功率根据公式Q_c＝Q_r计算，其中Q_c为热电制冷片冷面制冷功率，Q_r为热沉发热功率，冷面表面导热银胶热导率为3w/m﹒K～5w/m﹒K。

作为本方案的优选：热电制冷片热面发热功率根据公式Q_h＝Q_c+VI计算，其中Q_h为热电制冷片热面发热功率，Q_c为热电制冷片冷面制冷功率，V为热电制冷片电压，I为热电制冷片电流，热电制冷片热面通过银铅焊金属化与均温板下表面贴合，焊层厚度为0.5mm，均温板导热率为18000w/m﹒K～20000w/m﹒K。

作为本方案的优选：均温板壳体采用铝材设计，上下壳体通过超音波焊接，内部的毛细结构采用烧结，内部工作液体充填甲醇，功率密度大于20W/cm²。

作为本方案的优选：热电偶灵敏度为1μA/K，热电偶与均温板之间锡铅焊的焊料厚度为0.3mm。

作为本方案的优选：散热翅片散热面积需求量根据公式计算,其中Q_h为热电制冷片热面发热功率，σ为强制风冷散热翅片表面传热系数，t₁为散热翅片的平均温度，t₂为环境温度，散热翅片与均温板之间锡铅焊焊料厚度为0.2mm，散热翅片的具体形状可根据温控装置的实际包络空间进行灵活调整。

作为本方案的优选：轴流风扇风量需求量根据公式计算，其中Q_h为热电制冷片热面发热功率，ρ为空气密度，C_P为空气热容，ΔT为进出散热翅片空气温差。

本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于在该方案中激光器精密温控方法，利用热电制冷片通电后对热沉进行温控，控温精度高；利用均温板减小热电制冷片热流密度；利用热电偶监控热电制冷片端面温度；通过轴流风机配合散热翅片对均温板进行散热，体积紧凑；通过增加散热翅片的散热面积提高散热功率，可适用不同热负荷的激光器，可扩展性良好。

由此可见，本实用新型与现有技术相比，具有实质性特点和进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图中，1为热电制冷片，2为均温板，3为散热翅片，4为轴流风机，5为热电偶。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1

选择激光器，热负荷40W，在环境温度60℃条件下，要求控制热沉温度25℃～30℃，控温精度±0.5℃。选择大功率热电制冷片，外形尺寸为55mm×55mm×3.5mm,温差Δt为60℃时，制冷量为50W，为保证制冷量，此时热电制冷片热端温度应控制在85℃以下，计算所需散热翅片散热面积为0.2m²,所需风量为62.64m³/h(37CFM),采用翅片厚度0.2mm，翅间距为1mm的散热器，采用航空级LMB(法航)风机OPTIFAN44型号，转速32.000rpm，采用均温板尺寸为145mm×65mm×5mm，采用热电偶型号为AD590,温控系统整体尺寸为145mm×65mm×50mm。

启动激光器工作同时，热电制冷片通电对热沉进行制冷温控，热电偶实时监测热电制冷片热端温度，当热电制冷片热端温度接近85℃时，启动风机，对散热片进行强制风冷，使热电制冷片维持在85℃～87℃。

经本实施例操作，在环境温度60℃条件下，激光器可连续不间断工作，激光器热沉表面温度控制范围25℃～30℃，控温精度±0.5℃。

实施例2

选择激光器，热负荷40W，在环境温度-45℃条件下，要求控制热沉温度25℃～30℃，控温精度±0.5℃。选择和实例1相同的温控装置。

启动激光器工作之前，对热电制冷片通与实例1相反的电流，此时热电制冷片冷热端交换位置，原对热沉制冷的冷端变成对热沉加热，并使热沉迅速升温，与此同时，为维持热电制冷片正常工作，启动风机对热电制冷片进行温控，当热沉温度上升到25℃时，激光器开始工作，调整热电制冷片电流，使整个系统处于热平衡状态。

经本实施例操作，在环境温度-45℃条件下，激光机可连续不间断工作，激光器热沉表面温度控制范围23℃～25℃，控温精度±0.3℃。本实用新型并不局限于前述的具体实施方式。本实用新型扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.一种激光器精密温控装置，其特征是：包括热电制冷片、均温板、热电偶、散热翅片和轴流风扇；所述的热电制冷片冷面通过导热银胶与热沉表面贴合；所述的热电制冷片热面通过与均温板下表面金属化贴合；所述的热电偶通过锡铅焊与均温板下表面贴合；所述的散热翅片与均温板上表面通过锡铅焊的方式贴合；所述的轴流风机通过在散热翅片上安装固定底座与散热翅片连通。

2.根据权利要求1所述的一种激光器精密温控装置，其特征是：所述热电制冷片冷面制冷功率根据公式Q_c＝Q_r计算，其中Q_c为热电制冷片冷面制冷功率，Q_r为热沉发热功率，冷面表面导热银胶热导率为3w/m﹒K～5w/m﹒K。

3.根据权利要求1所述的一种激光器精密温控装置，其特征是：所述热电制冷片热面发热功率根据公式Q_h＝Q_c+VI计算，其中Q_h为热电制冷片热面发热功率，Q_c为热电制冷片冷面制冷功率，V为热电制冷片电压，I为热电制冷片电流，热电制冷片热面通过银铅焊金属化与均温板下表面贴合，焊层厚度为0.5mm，均温板导热率为18000w/m﹒K～20000w/m﹒K。

4.根据权利要求1所述的一种激光器精密温控装置，其特征是：所述均温板壳体采用铝材设计，上下壳体通过超音波焊接，内部的毛细结构采用烧结，内部工作液体充填甲醇，功率密度大于20W/cm²。

5.根据权利要求1所述的一种激光器精密温控装置，其特征是：所述热电偶灵敏度为1μA/K，热电偶与均温板之间锡铅焊的焊料厚度为0.3mm。

6.根据权利要求1所述的一种激光器精密温控装置，其特征是：所述散热翅片散热面积需求量根据公式计算,其中Q_h为热电制冷片热面发热功率，σ为强制风冷散热翅片表面传热系数，t₁为散热翅片的平均温度，t₂为环境温度，散热翅片与均温板之间锡铅焊焊料厚度为0.2mm，散热翅片的形状可根据温控装置的实际包络空间进行灵活调整。

7.根据权利要求1所述的一种激光器精密温控装置，其特征是：所述轴流风扇风量需求量根据公式计算，其中Q_h为热电制冷片热面发热功率，ρ为空气密度，C_P为空气热容，ΔT为进出散热翅片空气温差。