CN211655308U - 一种便携式激光散热装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种便携式激光散热装置，包括：热传输模块，设有热收集组件和传输组件，所述热收集组件设于激光设备的发热部位并将其热量传递给所述传输组件；散热模块，设有散热组件和相变材料，所述传输组件将热量传递给所述散热组件，并由所述散热组件将热量传递给所述相变材料，所述相变材料通过相变吸收热量。该装置散热效果好，可实现连续作业，且十分便携。

Description

一种便携式激光散热装置

技术领域

本实用新型属于散热装置技术领域，尤其涉及一种便携式激光散热装置。

背景技术

大功率激光技术已广泛应用于光纤通信、光传感、信息存储、激光显示、激光医疗、激光加工、激光武器及泵浦固体激光器等领域。大功率激光模块在光输出过程中产生大量的热量，如果不及时进行热量的排散势必造成结温升高，从而使激光器的阈值电流升高，效率降低，激光波长发生严重温漂，使激光器的寿命下降。采取合理的制冷措施和温度控制是大功率半导体激光器走向实用化的关键。

大功率激光设备为实现便携式野外作业，如抗震救灾时激光切割操作等，需满足激光设备及其冷却系统重量轻的要求，同时在野外工作携带电池电量有限，因此要求冷却系统耗功尽可能小来保证激光设备的较长时间的供电需求。目前常用的蒸汽压缩制冷系统，满足大功率(十千瓦级)散热需求所需的重量与体积均很大，重量体积主要来自于压缩机和风冷冷凝器，不适合于单人背负，且压缩机和风机需消耗千瓦级左右的电能，因此在重量及功耗上均难以满足大功率激光设备的野外作业要求。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型的目的是提供一种便携式激光散热装置，该装置散热效果好，可实现连续作业，且十分便携。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案为：

一种便携式激光散热装置，包括：

热传输模块，设有热收集组件和传输组件，所述热收集组件设于激光设备的发热部位并将其热量传递给所述传输组件；

散热模块，设有散热组件和相变材料，所述传输组件将热量传递给所述散热组件，并由所述散热组件将热量传递给所述相变材料，所述相变材料通过相变吸收热量。

根据本实用新型一实施例：

所述热收集组件为细通道冷板；

所述传输组件为传热管路，且所述传热管路中设有传热工质；

所述散热组件为散热管路；

其中，所述细通道冷板的进口和出口通过所述传热管路分别连接所述散热管路的出口和进口，所述传热工质进入所述细通道冷板吸收热量后经所述传热管路进入所述散热管路，并由所述散热管路将热量传递给所述相变材料。

根据本实用新型一实施例，所述传热管路设有泵，用于所述传热工质的循环流动。

根据本实用新型一实施例，包括膨胀罐，设于所述传热管路且位于所述细通道冷板的出口和所述泵的进口之间。

根据本实用新型一实施例，包括流量调节阀，所述流量调节阀的两端通过所述传热管路分别连接所述泵的进口和出口，所述泵的出口和所述散热管路的进口之间的所述传热管路上设有流量计。

根据本实用新型一实施例，所述泵的进口设有过滤器。

根据本实用新型一实施例，包括第一温度传感器，设于所述细通道冷板的进口或连接所述细通道冷板进口的所述传热管路上。

根据本实用新型一实施例，包括第二温度传感器，设于所述细通道冷板的出口或连接所述细通道冷板出口的所述传热管路上。

根据本实用新型一实施例，包括第三温度传感器，设于所述激光设备。

根据本实用新型一实施例，包括报警器，所述第一温度传感器、所述第二温度传感器和所述第三温度传感器均通过控制模块与所述报警器电连接。

根据本实用新型一实施例，所述控制模块与所述激光设备和所述泵均电连接，所述第一温度传感器温度和/或所述第三温度传感器超过阀值时通过所述控制模块控制所述激光设备和所述泵关闭。

根据本实用新型一实施例，所述细通道冷板和所述激光设备的发热部位之间设有导热材料层。

根据本实用新型一实施例，所述散热管路的进口和出口均通过快速接头与所述传热管路连接。

根据本实用新型一实施例，所述传热管路设有加液阀和排气阀。

根据本实用新型一实施例，所述相变材料为共晶盐溶液，相变温度范围为-15℃～5℃。

本实用新型由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

(1)本实用新型实施例中通过热收集组件将激光设备的热量传递给传输组件，传输组件将热量传递给散热组件，并由散热组件将热量传递给相变材料，相变材料通过相变吸收热量，由相变材料来吸收热量以达到散热的目的，散热效果好；且相变材料可以在有限的体积内吸收大量的热量，相比其它散热器其整体的重量和体积可以大幅减小，十分便携；散热模块单独设置，当相变材料吸热饱和时更换散热模块即可，因此可携带多个散热模块以实现连续作业。

(2)本实用新型实施例中传热工质进入细通道冷板吸收热量后经传热管路进入散热管路，并由散热管路将热量传递给相变材料，通过传热工质进行热传输使导效率更高。

(3)本实用新型实施例中设置流量调节阀和流量计，以监测和实时调节传热管路和散热管路中传热工质的流量，使热传递效率始终保持在较高的水平，并在流量低于设计流量时及时报警和关闭激光设备，保护激光设备工作不会出现超温故障。

(4)本实用新型实施例中泵的进口设有过滤器，防止杂质进入泵造成损坏。

(5)本实用新型实施例中设置第一温度传感器，通过检测进入细通道冷板的传热工质的温度以判断散热模块中的相变材料是否饱和，若温度过高则相变材料已不再吸热，也就饱和了，以实现自动判断是否需要更换散热模块。

(6)本实用新型实施例中设有报警器，当温度过高时发出警报提醒更换散热模块或停机维护。

(7)本实用新型实施例中第一温度传感器、第二温度传感器和流量计均与控制模块电连接，且控制模块与激光设备和泵均电连接，可以由第一温度传感器和第二温度传感器的温差以及流量计的流量计算细通道冷板的散热量，然后与激光设备的发热量进行比较，若散热量小于发热量则通过控制模块关闭激光设备和泵，以保护整个装置。

(8)本实用新型实施例中散热管路的进口和出口均通过快速接头与传热管路连接，通过设置快速接头实现散热模块的快速断开与连接，以实现快速更换散热模块。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细说明，其中：

图1为本实用新型的一种便携式激光散热装置的整体示意图；

图2为本实用新型的一种便携式激光散热装置的电连接示意图；

图3为本实用新型的一种便携式激光散热装置的散热模块蓄冷示意图。

附图标记说明：

1：激光设备；2：细通道冷板；3：导热材料层；4：膨胀罐；5：泵；6：过滤器；7：第一三通接头；8：流量调节阀；9：快速接头；10：散热模块；11：散热管路；12：加液阀；13：排气阀；14：第二温度传感器；15：第三温度传感器；16：第一温度传感器；17：流量计；18：控制模块；19：上位机；20：报警器；21：制冷机；22：第二三通接头；23：传热管路。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

参看图1至3，本实用新型的核心是提供一种便携式激光散热装置，包括散热模块10、热传输模块，散热模块10设有用于吸热的相变材料；热传输模块用于将激光设备1的热量传递给散热模块10中的相变材料。由相变材料来吸收热量以达到散热的目的，散热效果好；且相变材料可以在有限的体积内吸收大量的热量，相比其它散热器其整体的重量和体积可以大幅减小，十分便携；散热模块10单独设置，当相变材料吸热饱和时更换散热模块10即可，因此可携带多个散热模块10以实现连续作业。

散热模块10设有散热组件和相变材料，散热组件为散热管路11，散热模块10为一个单独的模块，可由相应的外壳包裹，内部设有用于吸热的相变材料和散热管路11，散热管路11来回折弯形成盘管形式，以增大散热面积，相变材料填充其中，可实现高效换热，且散热管路11的进口和出口均露出在散热模块10的外面，方便连接。相变材料是指温度不变的情况下而改变物质状态并能提供潜热的物质，转变物理性质的过程称为相变过程，这时相变材料将吸收或释放大量的潜热，通常通过熔化相变吸热，因此使用相变材料散热效果好且十分节能，相变材料的选择根据控温要求、散热需求等进行合理选择，且可使用密度小的相变材料，更易携带，例如共晶盐溶液、水、石蜡等。当散热模块10中的相变材料达到蓄热极限时，通过更换散热模块10保证激光设备1的续航工作。

热传输模块设有热收集组件和传输组件，传输组件为储有传热工质的传热管路23，且传热管路23设有泵5，用于传热工质的循环，传热管路23连接散热管路11，通过传热工质循环使激光设备1的热量传递给相变材料达到散热的目的。

热收集组件设于激光设备1的发热部位，用于吸收并传递热量，本实施例中热收集组件为细通道冷板2，细通道冷板2的进口和出口通过传热管路23分别连接散热管路11的出口和进口，细通道冷板2具有结构紧凑、性能可靠、散热效率高的优点，配合本实用新型的散热模块10使整体体积更小，更易携带。细通道冷板2通过导热材料层3与激光设备1的发热部位贴合，以加强两者之间的导热，导热材料层3可以为导热硅脂等，可以更高效的收集激光设备1的热量，使整体散热效果更好；且细通道冷板2可以根据激光设备1的尺寸、发热量、温度指标、重量等要求进行设计定制。其中，细通道冷板2将激光设备1的热量传递给传热工质，传热工质通过散热管路11将热量传递给相变材料。

还包括监测模块，由设于传热管路23的第一温度传感器16、第二温度传感器14、流量计17和设于激光设备1的第三温度传感器15，以及均与第一温度传感器16、第二温度传感器14、流量计17和第三温度传感器15电连接的报警器20和控制模块18组成，用于提醒更换散热模块10，具备进行系统运行状态的监测及故障报警功能。

具体的，散热管路11的出口通过传热管路23连接细通道冷板2的进口，且散热管路11的出口通过一个快速接头9与传热管路23相连，快速接头9可实现管路的快速连接和断开，其自带连接联通和断开自锁功能，可以快速地断接，方便整个散热模块10的更换，具体可以为浮动断接器。散热模块10出口的低温传热工质直接进入细通道冷板2进行换热，减小低温传热工质向外界环境吸热，保证散热模块的冷量最大化利用。

细通道冷板2的进口设有第一温度传感器16，具体位于散热管路11的出口和细通道冷板2的进口之间的传热管路23上，也就是说第一温度传感器16检测进入细通道冷板2的传热工质的温度，换句话说检测经散热模块10散热后的传热工质的温度，若检测到的温度过高则散热模块10中的相变材料已不再吸热，也就饱和了，以实现自动判断是否需要更换散热模块10，防止了因没有及时更换已饱和的散热模块10对激光设备1带来的危害。且第一温度传感器16通过控制模块18与报警器20电连接，第一温度传感器16检测温度数据传送给控制模块18，控制模块18判断温度过高超过阀值时，启动报警器20报警，提醒需要更换散热模块10。且第一温度传感器16测得的温度与其设计温度进行比较，当温度一段时间内超过设计温度时，紧急关闭激光设备1，避免激光设备1因散热能力不足而超过温度指标要求导致损坏失效。

细通道冷板2的出口通过传热管路23连接膨胀罐4的进口，膨胀罐4起到稳定压力、补充因热涨冷缩效应带来的传热工质体积变化的作用，膨胀罐4的出口通过传热管路23连接第一三通接头7，第一三通接头7的另外两路分别通过传热管路23连接流量调节阀8的出口和过滤器6的进口，流量调节阀8的进口连接第二三通接头22。

过滤器6的出口连接泵5的进口，泵5的出口连接第二三通接头22，也就是说过滤器6设置在泵5的出口前方，用于过滤传热工质中的杂质，防止对泵5造成损坏。

第二三通接头22通过传热管路23连接散热管路11的进口，且通过快速接头9连接，方便断接。

也就是说流量调节阀8的进出口分别设于泵5的出口和进口，为泵5及过滤器6并联的一条旁路，从泵5出口流出的传热工质流回泵5的进口，用于调节进入散热管路的流量，流量调节阀开度增大时旁路回流流量增大，而散热管路流量减小，反之亦反。且第二三通接头22与散热管路11之间的传热管路23上设有流量计17，用于监测进入散热管路11的传热工质的流量，且流量计17与控制模块18以及报警器20电连接。流量数据用于与设计流量进行比较判断，当流量计17测得流量低于设计流量下限时，报警器20报警，通过流量调节阀8调节增大进入散热模块10的传热工质流量。

细通道冷板2的出口设有第二温度传感器14，具体设于细通道冷板2的出口和膨胀罐4的进口之间的传热管路23上，用于监测从细通道冷板2出来的传热工质的温度，以判断细通道冷板2的工作状况，且第二温度传感器14通过控制模块18与报警器20电连接，第二温度传感器14检测温度传送给控制模块18，通过细通道冷板2进口和出口的第一温度传感器16和第二温度传感器14检测进出口温度、散热模块10进口的流量计17测量传热工质流量，以通过进出口温度温差和传热工质流量计17计算散热量，散热量及发热量的计算方法如下：

设第一温度传感器16采集的温度为T1(℃)，第二温度传感器采集的温度为T2(℃)，流量计17采集的流量为V(m3/s)，传热工质密度为ρ(kg/m3)，传热工作比热容为C(J/kg/℃),散热量为Q1(W)。则单位时间散热量为：

Q1＝ρVC(T2-T1)

激光设备泵源开启数为N,单个泵源模块发热量已知即为q(W)，激光设备总发热量为Q2(W)。则单位时间发热量为：

Q2＝Nq

当持续一段时间内(10s)内出现Q1<0.98×Q2，则散热能力不足，进行报警并紧急关闭激光设备1，若该过程伴随第一温度传感器16测得的温度超过设计温度，则进行散热模块10的更换；若该过程第一温度传感器16测得的温度低于设计温度，则为细通道冷板2因故障导致热收集能力不足，判断系统故障。

第三温度传感器15设于激光设备1上，用于监测激光设备1的温度，且也通过控制模块18与报警器20电连接，若检测到超温情况则报警器20报警，并紧急关闭激光设备1。

本实施例中，传热工质为液体，因此传热管路23设有加液阀12和排气阀13，具体的加液阀12设于膨胀罐4的出口和第一三通阀之间的传热管路23上。排气阀13设于散热管路11的出口和细通道冷板2的进口之间的传热管路23上。

本实用新型的目的是实现在野外大功率激光作业时(适应低电量供配、需人工背负、重量轻)对激光设备1进行有效冷却。为将大功率激光设备1的冷却系统重量和功耗控制在较低的范围，实用新型一种便携式激光散热装置。该装置不采用风冷式冷凝器作为热量排散的手段，而采用相变材料作为热量排散手段，通过泵5驱单相流体回路耦合散热模块10，使激光设备1的热量由相变材料吸收，从而大幅减小了重量和体积。散热模块10作为可更换的模块化装置，可以通过其他人员携带多个作为工作备份，当一个散热模块10完成相变吸热后将其从快速接头9处断开，更换备份的散热模块10，实现激光设备1的续航工作。该装置耗电量主要来自于泵5，其耗电量仅为百瓦级，将所携带的有限电能尽可能多地供给激光设备1工作，因此该散热装置在野外作业时仅消耗百瓦级电能便实现了十千瓦级的热量排散能力，且单套系统的重量可满足单人便携背负要求。可更换散热模块10在满足总重量及热排散量的要求下进行模块化设计，以实现单人可便携背负。根据大功率激光设备1作业时间，合理配置散热模块10数量。本实用新型能在低耗能、低重量指标要求的条件下保证大功率激光设备1的散热需求。并在服务站冷却后可重复使用，节约成本。并设计了相关的操作流程和控制策略，实现对整个散热装置的状态检测和预警，在散热装置出现故障和散热能力不足时能实时检测出并紧急关闭激光设备1，保障了激光设备1工作的安全性。

下面对本实用新型工作过程作进一步说明：

首先在执行野外作业任务前，将可更换的散热模块10在服务站点通过制冷机21进行蓄冷处理，确保所需的散热模块10均完成凝固，具备蓄热能力。将准备就绪的散热模块10连入导热管路23，并往导热管路23中通过加液阀12充注导热工质，通过排气阀13排除系统中的气体，试运行散热装置，检查是否工作正常。检测确认散热装置运行正常后可通过单人背负出站，同时将其他备用的散热模块10通过其他人员背负进入应急救援现场。

在进入作业场所后，先进行激光设备1及散热装置的自检，确保各设备工作正常，先开启泵5，经过5s钟后开启激光设备1进行操作，操作完成后进入待机模式，激光设备1停止工作5s后可关闭泵5。经过一段时间的工作后，散热模块10吸热完全相变而不再具备吸热能力，此时进行散热模块10更换，保证连续作业。

同时，通过第三温度传感器15读取激光设备1温度，超出某温度阀值则紧急停机检修。

完成相变吸热的散热模块10，带回服务站点，服务站可提供充足的电量供配，采用制冷机21提供冷媒将散热模块10中的相变材料重新冷却凝固，供下次相变熔化吸热使用。

上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式。即使对本实用新型作出各种变化，倘若这些变化属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本实用新型的保护范围之中。

Claims (15)

1.一种便携式激光散热装置，其特征在于，包括：

热传输模块，设有热收集组件和传输组件，所述热收集组件设于激光设备的发热部位并将其热量传递给所述传输组件；

散热模块，设有散热组件和相变材料，所述传输组件将热量传递给所述散热组件，并由所述散热组件将热量传递给所述相变材料，所述相变材料通过相变吸收热量。

2.根据权利要求1所述的便携式激光散热装置，其特征在于：

所述热收集组件为细通道冷板；

所述传输组件为传热管路，且所述传热管路中设有传热工质；

所述散热组件为散热管路；

其中，所述细通道冷板的进口和出口通过所述传热管路分别连接所述散热管路的出口和进口，所述传热工质进入所述细通道冷板吸收热量后经所述传热管路进入所述散热管路，并由所述散热管路将热量传递给所述相变材料。

3.根据权利要求2所述的便携式激光散热装置，其特征在于，所述传热管路设有泵，用于所述传热工质的循环流动。

4.根据权利要求3所述的便携式激光散热装置，其特征在于，包括膨胀罐，设于所述传热管路且位于所述细通道冷板的出口和所述泵的进口之间。

5.根据权利要求3所述的便携式激光散热装置，其特征在于，包括流量调节阀，所述流量调节阀的两端通过所述传热管路分别连接所述泵的进口和出口，所述泵的出口和所述散热管路的进口之间的所述传热管路上设有流量计。

6.根据权利要求3所述的便携式激光散热装置，其特征在于，所述泵的进口设有过滤器。

7.根据权利要求5所述的便携式激光散热装置，其特征在于，包括第一温度传感器，设于所述细通道冷板的进口或连接所述细通道冷板进口的所述传热管路上。

8.根据权利要求7所述的便携式激光散热装置，其特征在于，包括第二温度传感器，设于所述细通道冷板的出口或连接所述细通道冷板出口的所述传热管路上。

9.根据权利要求8所述的便携式激光散热装置，其特征在于，包括第三温度传感器，设于所述激光设备。

10.根据权利要求9所述的便携式激光散热装置，其特征在于，包括报警器，所述第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述第三温度传感器和所述流量计均通过控制模块与所述报警器电连接。

11.根据权利要求10所述的便携式激光散热装置，其特征在于，所述控制模块与所述激光设备和所述泵均电连接，所述第一温度传感器温度和/或所述第三温度传感器温度超过阀值时通过所述控制模块控制所述激光设备和所述泵关闭。

12.根据权利要求2所述的便携式激光散热装置，其特征在于，所述细通道冷板和所述激光设备的发热部位之间设有导热材料层。

13.根据权利要求2所述的便携式激光散热装置，其特征在于，所述散热管路的进口和出口均通过快速接头与所述传热管路连接。

14.根据权利要求2所述的便携式激光散热装置，其特征在于，所述传热管路设有加液阀和排气阀。

15.根据权利要求2所述的便携式激光散热装置，其特征在于，所述相变材料为共晶盐溶液，相变温度范围为-15℃～5℃。

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