CN214176401U - 一种蒸发冷却式激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种蒸发冷却式激光器，包括激光器光源部分、激光器安装基底、散热单元、水泵、布水管道、散热风扇、外壳；所述布水管道和微型水泵相连，底部管道为水泵吸入口，顶部管道连接水泵出口。本实用新型的好处是无需制冷压缩机，减小投资成本；采用天然冷源的散热方式，运行成本更低；通过蒸发冷却的方式，实现热源与空气之间的显热和潜热的全热交换，换热效率更高，能够适应更大功率的激光器；采用原位热管导热，将热量短距离传输至扰流金属体后便开始与空气进行全热交换，热量无需远距离传输，整机结构更加紧凑。

Description

一种蒸发冷却式激光器

技术领域

本实用新型涉及激光器领域，特别是一种能实现低功耗运行的半导体激光器、光纤激光器。

背景技术

激光加工相比传统机加工工艺具备高效率高精度的特点，对于激光切割、熔覆、焊接系统而言，稳定可靠的激光光源至关重要，而激光光源可靠运行的必要条件之一是良好的热管理。目前常见的激光器热管理方式是采用带有制冷压缩机的冷水机组作为冷源，通过水冷的方式将激光器内部各个器件的热量带走。这种冷却方式存在以下缺点：一是采用冷水机将会增大整个激光加工系统的投入成本；二是制冷机组的能耗较高，会增加整个激光加工系统的运行成本；三是在高湿环境下，实际运行过程中容易造成器件表面结露，进而增大系统故障的风险。目前也有通过一种无压缩机的水冷方式散热的激光器，该方式是利用水泵将激光器的热量用液体输送至冷凝器（液气换热器），然后再和空气进行显热交换，其缺点包括：1、整个系统是分体式设计，光源和冷凝器空间上分离，便携性差；2、冷凝器和空气之间是显热交换，即使是液体的最理想温度也不会低于空气的干球温度，因此无法适应更高功率的激光器。

发明内容

本实用新型的目的在于解决现有技术存在的不足，提供一种蒸发冷却式激光器，可以实现低功耗冷却散热，无需装配制冷压缩机。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案为：

为实现上述目的，本实用新型提出一种蒸发冷却式激光器，该激光器包括激光光源组件、安装基底、散热单元、水泵、布水管道、散热风扇、外壳；所述激光光源组件固定在所述安装基底的一侧，另外一侧固定散热单元，所述布水管道和水泵相连，分布于所述外壳底部的布水管道为水泵吸入口，分布于散热单元顶部的布水管道连接水泵出口，外壳底部由于良好的密封装配，可形成集水槽，水泵将集水槽的水通过布水管输送并浇淋在散热单元的散热面上，经过散热风扇的鼓风，快速蒸发冷却，从而实现激光器各个器件的快速降温。

进一步地，所述散热单元包括高导热材料及扰流金属体，将所述的高导热材料紧贴于激光器安装基底的一侧并固定，扰流金属体与高导热材料紧密贴合并延伸至空气中。

进一步地，所述的高导热材料可以是热管、铜、铝、钢、石墨烯、金刚石中的任意一种或多种组合。

进一步地，所述的热管可以是平板热管、环路热管、圆热管中的任意一种或多种组合，内部结构可以具有毛细结构或无毛细结构，其作用就是将激光器安装基底上的热量快速导出，并且均匀地分散开。

进一步地，所述的扰流金属体可以是泡沫铜、泡沫铝、多孔铝翅片、多孔铜翅片以及具有扰动结构的各类材质，其作用是强化对流换热、增加蒸发面积，同时减缓水流下降速度。

进一步地，所述的水泵为微型或小型水泵，其水量只要满足散热单元蒸发速率即可。

进一步地，所述的布水管底部开孔，开孔大小及数量可根据激光器的功率而定，只需满足均匀布水以及保证充足的淋水量即可。

优选地，所述的散热风扇安装方向为鼓风工作，如果改成吸风工作，需要选用防水型散热风扇。

进一步地，外壳进出风口的格栅底部需留出一定高度，作为集水盘使用，以储存系统用来蒸发的水量，同时保证格栅能够阻挡激光器使用环境内的杂物，并保证足够的通风量。

进一步地，激光器的参数设置、风扇的转速以及水泵的转速调节、蓄水池的水温和环境的温湿度检测电路的安装方式可选择集成在激光器内部或外置中的任何一种方式。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案为：一种蒸发冷却式激光器，其特征在于，包括激光器光源部分、激光器安装基底、散热单元、水泵、布水管道、散热风扇、外壳；所述布水管道和微型水泵相连，底部管道为水泵吸入口，顶部管道连接水泵出口。

进一步地，所述的激光器可以是半导体激光器，也可以是光纤激光器，将关键的光学器件固定于激光器安装基底，便于将热量集中导出。

进一步地，所述的散热单元包括高导热材料及扰流金属体，将所述的高导热材料紧贴于激光器安装基底的一侧并固定，扰流金属体与高导热材料紧密贴合并延伸至空气中，如此可以实现激光器光源内部的热量快速导出至扰流金属体中，进而实现进一步与空气换热。

进一步地，所述的高导热材料可以包括热管、铜、铝、钢、石墨烯、金刚石中的任意一种。

进一步地，所述的热管包括平板热管、环路热管、圆热管中的任意一种，内部结构包括具有毛细结构或无毛细结构任意一种，其作用就是将激光器安装基底上的热量快速导出，并且均匀地分散开。

进一步地，所述的扰流金属体包括泡沫铜、泡沫铝、多孔铝翅片、多孔铜翅片以及具有扰动结构的各类材质中的任意一种，其作用是强化对流换热、增加蒸发面积，同时减缓水流下降速度。

进一步地，所述的水泵为微型或小型水泵的任意一种，其水量只要满足散热单元蒸发速率即可。

进一步地，所述的布水管底部开孔，开孔大小及数量可根据激光器的功率而定，只要满足均匀布水以及保证充足的淋水量即可。

进一步地，所述的散热风扇安装方向为鼓风工作，如果要改成吸风工作，那么需要选用防水散热风扇。

进一步地，外壳进出风口的格栅底部需留出一定高度，作为集水盘使用，以储存系统用来蒸发的水量，同时保证格栅能够阻挡激光器使用环境内的杂物，并保证足够的通风量。

进一步地，激光器的参数设置、风扇的转速以及水泵的转速调节、蓄水池的水温和环境的温湿度检测电路的安装方式可选择集成在激光器内部或外置中的任何一种方式。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、激光器无需制冷压缩机，减小投资成本；

2、采用天然冷源的散热方式，激光器运行成本更低；

3、通过蒸发冷却的方式，实现热源与空气之间的显热和潜热的全热交换，换热效率更高；

4、采用原位高导热材料传热，将热量短距离传输至扰流金属体后便开始与空气进行全热交换，热量无需远距离传输，整机结构更加紧凑。

附图说明

图1 为本实用新型一种蒸发冷却式激光器的原理图；

图中： 1-1激光器；1-2激光器安装基底；1-3散热单元；1-4水泵；1-5布水管道；1-6散热风扇；1-7外壳；

图2 为本实用新型一种蒸发冷却式激光器内散热单元示意图；

图中: 2-1平板热管；2-2泡沫铜。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将参照附图更详细地描述本实用新型的示例性实施例。虽然附图中显示了本实用新型的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本实用新型，并且能够将本实用新型的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本实用新型的构思在于：针对现有技术中水冷激光器系统投入及运行成本高、体积大、显热交换效率低的缺陷，提出了一种蒸发冷却式激光器系统，利用热管或其它高导热材料将激光器热量导出至散热单元后，在散热单元的散热面上浇淋液体，利用液体蒸发冷却的作用，实现激光器与空气之间的显热和潜热的全热交换，从而达到对激光器降温的目的。

图1示出了根据本实用新型的一个实施例的蒸发冷却式激光器结构示意图，包括激光器光源组件1-1、激光器安装基底1-2、散热单元1-3、水泵1-4、布水管道1-5、散热风扇1-6、外壳1-7；

图2示出了该实施例中的散热单元结构，包括U形平板热管2-1、泡沫铜2-2。

在该实施例中，激光光源部分1-1的关键性器件或者发热量较大的器件均可通过螺钉固定至激光器安装基底1-2上，激光器安装基底1-2的材料可采用导热性较好的铝材或者铜，以此减小该部分的导热热阻；在激光器安装基底1-2的另外一侧可用压接、粘接、或者焊接等方式将散热单元1-3中的U形平板热管固定住，该部分的热管内部为蒸发段，用来吸收激光器散发的热量，热管的另外一部分粘接或者焊接了泡沫铜，此时热量可以较为均匀地分散至泡沫铜中。

在该实施例中，所述水泵1-4可固定在钣金外壳1-7的侧面，水泵1-4将散热单元底部聚集的存水吸入后通过布水管道1-5输送至各个泡沫铜的顶部，由于泡沫铜为多孔结构，因此无需高压喷水即可实现均匀布水的效果，减小的水泵的运行功耗和体积。此外，泡沫铜具有非常大的比表面积，因此可以增大蒸发面积提高蒸发速率，降低蒸发温度。同时，泡沫铜的多孔连接结构能够极大程度地破坏空气流动边界层的发展，增加流体的扰动，提高对流换热效率，有效降低系统热阻，实现高效换热。最后泡沫铜不仅承担了传统冷却塔填料的作用，同时还兼具散热翅片的功能，具有较强的导热性能。

在该实施例中，布水管道1-5均匀地分布在散热单元1-3顶部，在每个散热单元区域内布水管道1-5底部均开有6个直径2mm的圆孔，如此可以实现较为均匀地布水。此外，外壳1-7的进出风口可开条形风口，设置成格栅，防止异物吸入并且保持通风通畅。同时，底部格栅的开孔里底部约40mm。此外，外壳1-7底部与激光器安装基底1-2之间设置有密封条，然后用螺钉对底部一圈进行紧固，达到蓄水而不渗水的效果。

上述实施例只是为了说明本实用新型的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡是根据本实用新型内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种蒸发冷却式激光器，其特征在于：该激光器包括激光光源组件、安装基底、散热单元、水泵、布水管道、散热风扇、外壳；所述激光光源组件固定在所述安装基底的一侧，另外一侧固定散热单元，所述布水管道和水泵相连，分布于所述外壳底部的布水管道为水泵吸入口，分布于散热单元顶部的布水管道连接水泵出口，外壳底部由于良好的密封装配，可形成集水槽，水泵将集水槽的水通过布水管输送并浇淋在散热单元的散热面上，经过散热风扇的鼓风，快速蒸发冷却，从而实现激光器各个器件的快速降温；所述的散热单元包括高导热材料及扰流金属体，将述所的高导热材料紧贴于激光器安装基底的一侧并固定，扰流金属体与高导热材料紧密贴合并延伸至空气中，如此可以实现激光器光源内部的热量快速导出至扰流金属体中，进而实现进一步与空气换热。

2.根据权利要求1所述的一种蒸发冷却式激光器，其特征在于，所述的激光器可以是半导体激光器，也可以是光纤激光器，激光器的关键光学器件固定于所述激光器的安装基底，便于将热量集中导出。

3.根据权利要求1所述的一种蒸发冷却式激光器，其特征在于，所述的高导热材料可以包括热管、铜、铝、钢、石墨烯、金刚石中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的一种蒸发冷却式激光器，其特征在于，所述的热管包括平板热管、环路热管、圆热管中的任意一种，内部结构包括具有毛细结构或无毛细结构的任意一种，其作用就是将激光器安装基底上的热量快速导出，并且均匀地分散开。

5.根据权利要求1所述的一种蒸发冷却式激光器，其特征在于，所述的扰流金属体包括泡沫铜、泡沫铝、多孔铝翅片、多孔铜翅片以及具有扰动结构的各类材质中的任意一种，其作用是强化对流换热、增加蒸发面积，同时减缓水流下降速度。

6.根据权利要求1所述的一种蒸发冷却式激光器，其特征在于，所述的水泵为微型或小型水泵的任意一种，其水量只要满足散热单元蒸发速率即可。

7.根据权利要求1所述的一种蒸发冷却式激光器，其特征在于，所述的布水管底部开孔，开孔大小及数量可根据激光器的功率而定，只要满足均匀布水以及保证充足的淋水量即可。

8.根据权利要求1所述的一种蒸发冷却式激光器，其特征在于，所述的散热风扇安装方向为鼓风工作，如果要改成吸风工作，那么需要选用防水散热风扇。

9.根据权利要求1所述的一种蒸发冷却式激光器，其特征在于，外壳进出风口的格栅底部需留出一定高度，作为集水盘使用，以储存系统用来蒸发的水量，同时保证格栅能够阻挡激光器使用环境内的杂物，并保证足够的通风量。

10.根据权利要求1所述的一种蒸发冷却式激光器，其特征在于，激光器的参数设置、风扇的转速以及水泵的转速调节、蓄水池的水温和环境的温湿度检测电路的安装方式可选择集成在激光器内部或外置中的任何一种方式。

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