CN218442948U - 激光配套的水冷却装置 - Google Patents

Abstract

一种激光配套的水冷却装置，通过采用将水箱的冷却水直接由水泵对激光谐振腔进行注入实现冷却水循环从而减少水路循环阻力的方式，即满足激光谐振腔冷却所需要的大压差、大流量的要求，同时通过采用压缩机制冷获得液液热交换时较大的温度差值从而在较低风速下获得较高的热交换效率，或通过多套热交换器的组合，在较低风速下获得较高的热交换效率，这两种激光配套的水冷却装置的激光设备实现了静音性的工作。

Description

激光配套的水冷却装置

技术领域

一种激光配套装置特别是钬激光设备配套的水冷却装置，即满足激光在大功率输出条件下的水冷却要求，同时又具有较好的静音性能。

背景技术

固体激光器特别是灯泵浦的激光器包括钬激光器，大部分的电能成热能导致激光腔体，激光棒晶体温度上升甚至激光淬灭，因此需要具有一定能力的媒介对激光腔体包括激光棒晶体进行降温，以满足激光谐振腔的持续激光发射。钬激光的激光棒是一种参有钬铬铥的激光晶体，激光转化能级结构是三能级系统，本身光电转化效率相对比较低，发射激光时在激光腔体内部和晶体棒内部产生大量的热，特别是闪光灯的高重复频率放电时晶体棒内部的热效应比较严重，这样会进一步导致电激光转换效率的下降。因此及时将上述器件产生的热量快速的带走是激光器特别是钬激光器设计时首要考虑的技术要求。

钬激光由于工作波长为2100nm，是水分子的一个吸收高峰，且工作在脉冲状态具有较高的峰值功率，因此在临床上治疗泌尿系结石，取得了极大的成功。随着微创手术技术的不断发展，高重频的钬激光脉冲即用于结石粉碎，又用于软组织切割、消融也越来越表现极高的临床应用价值。

医用钬激光设备安装在手术室，因此钬激光治疗机工作时的噪音在狭小、拥挤的手术间就特别突出，这就对钬激光治疗机的水冷却系统提出静音工作的要求。

激光器特别是转化效率较低的如钬激光器的冷却系统采用封闭水流冷却，水作为冷却的媒介，具有散热效果好，热容量高的特点，冷却用的水储存在水箱里，通过水泵的作用形成循环水流，水流通过管路流过激光腔体如钬激光器的腔体带走激光腔体包括激光棒的热量并保持激光腔体在一定的温度内，流出激光腔体的水流具有较高的温度将通过封闭的热交换器与激光设备的外界通常是周围环境的空气或者是制冷机的冷媒进行热量的交换，使得冷却系统的水温下降并保持在一定的温度内。三能级激光工作系统特别是钬激光治疗机的冷却系统既要有激光谐振腔足够的水压差，水流量，按照目前所采用的水冷却装置，激光谐振腔与热交换器是串联在一个回路里面的，因此对于三能级的激光工作系统如钬激光其水冷却系统往往采用高压水泵来克服因热交换器引入增加的水阻，和高速风扇提升热交换器的工作效率，高压水泵和高速运转的风扇两者本身的运行噪音就比较高，通常能够达到80dB以上，加上叠加，噪音更是放大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是激光配套的水冷却系统即流经激光谐振器的冷却水具有较大的水流量和谐振器出入端较大压力差，提升了激光器的转换效率，同时系统本身具有较小的运行噪音。

为了解决上述技术问题，本发明激光配套的水冷却装置由至少包括热交换器单元(分为强迫风冷热交换器与压缩机制冷的热交换器)，水箱单元，水泵单元及连接管路所构成，该装置的水泵单元直接将水箱的冷却水注入激光谐振腔并回到水箱形成激光谐振腔的冷却水循环回路。在同样的水泵条件下，流经激光谐振腔的水流量大，激光腔体水压差大。

上述激光配套的水冷却装置的一种变化是在激光谐振器冷却水循环回路中或包括水过滤器，或水流开关或包括水流开关和水过滤器。

激光配套的水冷却装置，至少包括热交换器单元，水箱单元，水泵单元及连接管路，其特征在于该装置至少具有2个冷却水循环回路，其中接激光谐振腔水循环回路不包括热交换器，且装置的水泵台数至少是2台。

激光配套的水冷却装置，其热交换器采用压缩机制冷方式，压缩机制冷的冷媒对水箱的冷却水进行降温，冷媒温度低于与冷却水温度且具有较大温差，使得冷却水的热量被大量地带走，而且在较低风扇转速的条件下实现较高的热交换效率，使得激光配套的水冷却装置的工作噪音较低。

激光配套的水冷却装置，其热交换器采用强迫风冷热交换方式，所使用的风扇采用变频器驱动，风扇在低转速下工作，使得激光配套的水冷却装置具有较低的运行工作噪音。

上述激光配套的水冷却装置，对钬激光治疗机进行冷却，不仅保证了钬激光治疗机满足高频大功率激光输出性能，同时钬激光治疗机还具有较小的工作噪音。

附图说明

图1为激光配套的水冷却装置原理框图，其中热交换器为强迫风冷型。

图2为激光配套的水冷却装置原理框图，其中采用压缩机制冷。

图3为压缩机制冷冷媒工作回路及其原理框图。

具体实施方式

如图1所示为激光配套的水冷却装置原理框图，其中热交换器为强迫风冷型，是本发明的一种实施例，配套激光特别是灯泵的钬激光，装置应用时需外接激光谐振腔10(以虚线表示)。装置在工作时或外接激光谐振腔后由回路L1和回路L2所构成，其中回路L1至少由水箱50，水泵30和外接激光谐振腔10，连接管路100所构成(装置未接激光谐振腔10时虽不能形成激光谐振腔冷却水循环回路，但本说明书以该装置的实际使用为出发点)，我们称之为激光谐振腔冷却水循环回路。回路L2至少由水箱50，热交换器160，水泵130和管路100所构成。本实施例装置2个回路L1和2共用一个水箱50。图中储存在水箱50中的冷却水作为外接激光谐振腔10热交换的一种媒介，在水泵30的作用下流经发热的激光谐振腔10的激光腔体内并带走激光腔体内的热量，冷却水自身温度升高并回到水箱，通过管路100形成一个闭路循环水流系统也就是激光谐振腔的冷却水循环回路L1(在外接激光谐振腔10的条件下)。这样的激光谐振腔的冷却水循环回路结构相对传统的热交换器160串接在激光谐振腔的冷却水循环回路，减少了流经激光谐振腔的水冷却循环的水路阻力，从而获得激光谐振腔 10内较高的水压差和水流速包括水流量。

上述激光配套的水冷却装置的激光谐振腔冷却水循环回路或包括水过滤器，或水流开关或包括水流开关和水过滤器，通常这些功能性的器件本身的水助相对热交换器160较小，因此其接入激光谐振腔冷却水循环回路L1后对激光谐振腔的水压差，水流量影响较小。激光谐振腔冷却水循环回路L1的一个明显特点是不包括热交换器160。

图1的激光配套的水冷却装置设有冷却水与外界空气的热交换循环回路L2 我们称之为冷却水的热交换器降温循环回路。水箱中的冷却水或流经激光谐振腔10温度升高的冷却水通过水泵130的作用，流经热交换器160的带翅片的水管路，通过160热交换器的风扇将冷却水热量带入到空气中，在激光配套的水冷却装置的温度平衡时，冷却水流经激光谐振腔后的温升ΔT与经过热交换器后的降温ΔT相等。强迫风冷热交换器在市场上可获得。

与传统的激光配套的水冷却装置不同，本实施例至少分别在激光谐振腔的冷却水循环回路L1和冷却水的热交换器降温循环回路L2分别使用水泵，水泵数量至少是2台或者以上。

图1中的冷却水的强迫风冷热交换器降温循环回路只显示采用了热交换器 160与水泵130的串联单路，根据激光器产热的具体大小，该循环回路可以采用上述串联单路的多组并联方式，或者多台热交换器160串联再与水泵130串联的串联多路的方式，或者串联多路的多组并联的方式。

由于热交换器的冷却水热量与空气的交换量跟水流速和强迫风冷的风扇转速成正比，因此采用多台热交换器160与多台水泵130的串联单路，多组串联单路并联，或者串联多路，或者多组串联多路并联，提升了图1装置的热交换对冷却水的降温能力，在满足激光谐振腔热平衡的条件下，可以降低风扇的转速，使得激光配套的水冷却装置具有相对较小的工作噪音。

该激光配套的水冷却装置的水泵30，130可以是各种类型的泵如离心泵，齿轮泵等，核心是水泵的额定扬程与流量满足回路流量的要求，当然还要满足对冷却水不能产生污染的要求。

图1的激光配套的水冷却装置具有独立激光谐振腔的冷却水循环回路和独立的冷却水的强迫风冷热交换器降温循环回路，两个回路公用一个水箱，当然也不限于只一个共用水箱。

图2所示的为激光配套的水冷却装置的原理框图，其中采用压缩机制冷的方式，压缩机制冷已广泛在空调，激光冷却领域内采用。图2中部件161包括图3 中除了部件蒸发器168外所有的部件包括连接管路。如图3所示压缩机制冷原理框图，所形成的冷媒循环回路160以L3表示。其中169为压缩机，冷媒在蒸发器168处为低温气体状态并通过168的盘管或者翅片为外界(本装置为激光的冷却水)降温。高压液体冷媒在冷凝器167的盘管与翅片与空气实现降温，冷凝器167的集成风扇167.1提升冷凝器的热交换效率。一般情况下，冷凝器中液态冷媒与空气的温度差ΔT1具有较大的差值，即便较低的风扇167.1转速，也具有较高的热交换效率。在激光配套的水冷却装置的工作达到平衡状态时，温度差ΔT1也基本恒定。压缩机工作冷媒回路还包括储藏器164，干燥器165，毛细管166，电磁阀163。

在采用压缩机制冷的激光配套的水冷却装置中，压缩机冷媒回路L3与冷却水的热交换器162的降温循环回路L2共用1个热交换器162，市面上称之为板式热交换器。板式热交换器162的结构特点是2组独立的盘管其中1组作为L3 回路蒸发器168的盘管通道，另外1组盘管作为L2回路冷却水的的盘管通道， 2组盘管集成一组散热翅片，使得L3回路的冷媒与L2回路的冷却水具有很好的热交换性能也就是冷媒对冷却水进行降温。

与图1中的激光谐振腔的冷却水循环回路相同，水箱50的冷却水直接经水泵30后流经外接的激光谐振腔10，这样在同样的水泵30下，外接的激光谐振腔10可以获得较大的水流量，流速和水压差。同样的出发点根据过滤器、水流开关的水阻情况该回路也可以串联水过滤器、或水流开关、或水过滤器和水流开关。但激光谐振腔冷却水循环回路的特点是不包括热交换器162。

冷却水在经过激光谐振腔的冷却水循环回路L1后，流回水箱50中的冷却水会温升ΔT1，这是冷却水流经激光谐振腔带走腔内的热量导致。装置的回路L2 通过与压缩机制冷的冷媒循环回路在板式热交换器162的热交换带走冷却水的热量，导致冷却水降温ΔT2，在装置工作平衡时，温升ΔT1等于降温ΔT2。

图2所示的激光配套的水冷却装置包含循环回路L1和循环回路L2至少2只水泵，其目的是获得激光腔体最大的水流量和激光谐振腔的水压差，而没有采用传统的结构将板式热交换器162穿接进激光谐振腔的冷却水循环回路L1中的技术方案。压缩机制冷的冷媒回路161的冷凝器167的风扇167.1即便是在较低的转速情况下，也可获得较高的热交换效率，这是因为高温冷媒在冷凝器167 处与外界空气的温度差别较大。图2装置中水泵30，130，风扇167.1的共同作用，使得这样结构的激光配套的水冷却装置不仅具有外接的激光谐振腔10内的较大水流速，流量和压力差，同时装置的工作噪音也很小，甚至低到60dB。

图2的激光配套的水冷却装置不限于实施例的结构，如其中L2回路与L3回路合并，将蒸发器162的盘管直接防止到水箱50中，也能够实现激光谐振腔的冷却水循环回路的流经激光谐振腔最大的水流量和激光谐振腔的水压差。其核心是保留外接激光谐振腔的冷却水循环回路的结构不变，即冷却水直接由水泵从水箱注入激光谐振腔并回到水箱形成循环。

钬激光由于波长2.1um是水分子的一个吸收高峰，而且是脉冲的激光输出方式，因此在当今医疗微创手术中广泛使用，钬激光是一种三能级的激光系统，通过本发明的水冷却装置，不仅满足了钬激光腔体大水流速，流量，高水压差的需求，使得钬激光能够持续输出而不衰减。

Claims (12)

1.激光配套的水冷却装置，至少包括热交换器单元，水箱单元，水泵单元及连接管路，其特征在于该装置的激光谐振腔冷却水循环回路即至少由水箱，水泵和外接激光谐振腔，连接管路所构成。

2.根据权利要求1所述的激光配套的水冷却装置，其特征在于该装置的热交换器单元采用制冷型压缩机热交换器方式，且装置在工作状态下具有较低的噪音。

3.据权利要求1所述的激光配套的水冷却装置，其特征在于该装置的热交换器单元采用风冷型热交换器，风扇采用变频器驱动在低转速下工作，使得装置具有较低的运行工作噪音。

4.根据权利要求1所述的激光配套的水冷却装置，其技术特征是激光器为钬激光用于临床手术。

5.激光配套的水冷却装置，至少包括热交换器单元，水箱单元，水泵单元，水过滤器及连接管路，其特征在于该装置的激光谐振腔冷却水循环回路，该循环回路包括或水过滤器，或水流开关，或水流开关和水过滤器。

6.根据权利要求5所述的激光配套的水冷却装置，其特征在于该装置的热交换器单元采用制冷型压缩机热交换器方式，且装置在工作状态下具有较低的噪音。

7.根据权利要求5所述的激光配套的水冷却装置，其特征在于该装置的热交换器单元采用风冷型热交换器，风扇采用变频器驱动在低转速下工作，使得装置具有较低的运行工作噪音。

8.根据权利要求5所述的激光配套的水冷却装置，其技术特征是激光器为钬激光用于临床手术。

9.激光配套的水冷却装置，至少包括热交换器单元，水箱单元，水泵单元及连接管路，其特征在于该装置至少具有2个循环回路，其中接激光谐振腔的水循环回路不包括热交换器，且装置的水泵台数至少是2台。

10.根据权利要求9所述的激光配套的水冷却装置，其特征在于该装置的热交换器单元采用制冷型压缩机热交换器方式，且装置在工作状态下具有较低的噪音。

11.根据权利要求9所述的激光配套的水冷却装置，其特征在于该装置的热交换器单元采用风冷型热交换器，风扇采用变频器驱动在低转速下工作，使得装置具有较低的运行工作噪音。

12.根据权利要求9所述的激光配套的水冷却装置，其技术特征是激光器为钬激光用于临床手术。

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