CN219018121U - 一种闪蒸散热系统以及大功率光纤激光设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种闪蒸散热系统以及大功率光纤激光设备，包括闪蒸壳体，所述闪蒸壳体的内腔壁上设有蒸发面，所述闪蒸壳体的外表面设有连接面，所述连接面用于连接大功率光纤激光设备的设备器件，所述连接面与所述蒸发面的位置相对应；所述闪蒸壳体的内腔设置有闪蒸管，所述闪蒸管的注入端连接有供液管，所述供液管用于向所述闪蒸管注入闪蒸液体；所述闪蒸管上分布有若干喷射孔，且所述喷射孔朝向所述蒸发面；所述闪蒸液体通过所述喷射孔喷射至所述蒸发面进行蒸发吸热以使所述设备器件降温散热，并且所述闪蒸液体经蒸发吸热后形成闪蒸蒸汽；通过本实用新型实现提高散热效率，使其满足大功率激光设备中高热流密度的设备器件的散热要求。

Description

一种闪蒸散热系统以及大功率光纤激光设备

技术领域

本实用新型涉及光纤激光设备技术领域，特别涉及一种闪蒸散热系统以及大功率光纤激光设备。

背景技术

现有大功率光纤激光设备主要由多个激光泵浦源(功率≥500W且单个激光芯片光功率≥20W)、光纤放大器、传输光纤、光耦合器件及其驱动电源组成，其需要散热的主要热源有激光泵浦源(占比约70％)，驱动电源(占比约15％)，光纤放大器和传输光纤及其光耦合器件等(占比约15％)。

无论是长时间连续工作还是间歇性工作的现有大功率光纤激光设备的散热系统都是由冷水机组(制冷机)产生10～25℃的冷水，冷水由循环泵带动在系统中布置的水冷板和其它水冷腔体中流动，需散热的部件通过导热胶(或导热硅脂)或其它有益于导热的连接方式固定在水冷板或水冷腔体的外壁上，冷水流过水冷板或水冷腔体吸热后产生一定的温升(热水)带走热量，一定温升后的热水进入冷水机组的蒸发器中与冷媒进行热交换使冷媒蒸发同时产生一定温降变成冷水(10～25℃)，冷水再进入水冷板或其它水冷腔体，依此进行循环。

对于高热流密度(≥10W/cm²)的设备部件(如激光泵浦源)，由于其激光芯片PN结温度(Tj)要求很高，通常会要求Tj≤60℃,因此，现有的散热系统很难满足其散热要求。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提出一种闪蒸散热系统以及大功率光纤激光设备，旨在实现提高散热效率，使其满足大功率激光设备中高热流密度的设备器件的散热要求。

为实现上述目的，本实用新型提出一种闪蒸散热系统，包括闪蒸壳体，所述闪蒸壳体的内腔壁上设有蒸发面，所述闪蒸壳体的外表面设有连接面，所述连接面用于连接大功率光纤激光设备的设备器件，所述连接面与所述蒸发面的位置相对应；所述闪蒸壳体的内腔设置有闪蒸管，所述闪蒸管的注入端连接有供液管，所述供液管用于向所述闪蒸管注入闪蒸液体；所述闪蒸管上分布有若干喷射孔，且所述喷射孔朝向所述蒸发面；所述闪蒸液体通过所述喷射孔喷射至所述蒸发面进行蒸发吸热以使所述设备器件降温散热，并且所述闪蒸液体经蒸发吸热后形成闪蒸蒸汽；所述闪蒸壳体上设有排气管，所述排气管上设置有排气阀门，所述排气管用于供所述闪蒸蒸汽排出。

可选地，所述连接面与所述设备器件之间设有连接层，所述连接层包括导热胶(硅脂)或其它导热系数更高的低温焊料。

可选地，所述蒸发面上设有微结构表面，所述微结构表面用于提高蒸发换热系数、增加蒸发传热面积以及蒸发液体扩散效率。

可选地，所述连接面可设置多个设备器件。

可选地，所述闪蒸管包括闪蒸主管以及若干闪蒸支管，所述闪蒸主管与所述供液管相连通，若干所述闪蒸支管分布于所述闪蒸主管的左右两侧，所述喷射孔设置于所述闪蒸支管上。

可选地，所述闪蒸散热系统包括储液罐，所述储液罐通过所述供液管与所述闪蒸主管相连接，所述供液管上设置有供液阀门；所述储液罐用于储存所述闪蒸液体。

可选地，所述储液罐的内腔包括上下设置的气体腔室以及液体腔室，所述气体腔室连接有加压气泵，所述液体腔室连接有注液管以及所述供液管，所述注液管上设置有注液阀门，所述注液管用于将所述闪蒸液体注入至所述液体腔室中；所述气体腔室与所述液体腔室之间通过活塞件相互隔离，所述活塞件可沿所述储液罐的内腔上下滑动。

可选地，所述储液罐在闪蒸散热系统工作供液时，无论其如何倒置液体腔室内不会出现气体且压力恒定。

可选地，所述气体腔室连接有定压安全阀。

可选地，所述闪蒸壳体的排气管上设置有排气阀门，通过调节所述排气阀门的开度大小以控制所述闪蒸壳体内闪蒸蒸汽的压力及温度。

为实现上述目的，本实用新型提出一种大功率光纤激光设备，包括上述的闪蒸散热系统。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

本实用新型采用闪蒸原理设计，从供液管注入的至闪蒸管内的闪蒸液体，通过喷射口均匀喷射至闪蒸壳体的蒸发面上蒸发吸热以使安装在连接面上的设备器件降温散热，闪蒸液体经蒸发吸热后形成闪蒸蒸汽从排气管中排出。由于采用了蒸发传热有效提高散热效率，解决了大功率光纤激光器中高热流密度(≥10W/cm²)设备器件(如激光泵浦源)的散热，完全可以满足大功率激光芯片PN结温Tj≤60℃的散热要求。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型闪蒸散热系统一实施例中闪蒸壳体的内部结构示意图其一；

图2为本实用新型闪蒸散热系统一实施例中闪蒸壳体的内部结构示意图其二；

图3为本实用新型闪蒸散热系统一实施例中闪蒸壳体的外表面结构示意图；

图4为本实用新型闪蒸散热系统一实施例的结构示意图。

图中所标各部件的名称如下：

具体实施方式

下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实施例公开了一种闪蒸散热系统，包括闪蒸壳体1，参考附图1-3，其中可采用导热性能好的铝合金作为壳体材料，闪蒸壳体1的内腔壁上设有蒸发面101，并且在蒸发面101上设有微结构表面103，微结构表面103用于提高蒸发换热系数、增加蒸发传热面积以及蒸发液体扩散效率；闪蒸壳体1的外表面设有连接面102，连接面102通过连接层(例如导热胶(硅脂)或其它导热系数更高的低温焊料)(附图未示出)连接有大功率光纤激光设备的设备器件7，连接面102与蒸发面101的位置相对应；闪蒸壳体1的内腔设置有闪蒸管2，闪蒸管2的注入端连接有供液管3，供液管3用于向闪蒸管2注入闪蒸液体；闪蒸管2上分布有若干喷射孔203，且喷射孔203朝向蒸发面101；闪蒸液体通过喷射孔203喷射至蒸发面101进行蒸发吸热以使设备器件降温散热，并且闪蒸液体经蒸发吸热后形成闪蒸蒸汽；闪蒸壳体1上设有排气管4，排气管4上设置有排气阀门401，排气管4用于供闪蒸蒸汽排出，通过调节排气阀门401的开度大小以控制闪蒸壳体1内闪蒸蒸汽的压力及温度。

本实施例采用闪蒸散热原理设计，从供液管3注入至闪蒸管2内的闪蒸液体，通过喷射口均匀喷射至闪蒸壳体1的蒸发面101上蒸发吸热以使安装在连接面102上的设备器件7降温散热，闪蒸液体经蒸发吸热后形成闪蒸蒸汽从排气管4中排出。由于采用了蒸发传热有效提高散热效率，解决了大功率光纤激光器中高热流密度(≥10W/cm²)设备器件7(如激光泵浦源)的散热，完全可以满足大功率激光芯片PN结温Tj≤60℃的散热要求。

同时，在现有的水冷系统中根据散热要求如果环境温度与冷水温度的温差≥8℃时，在冷水管和水冷板及水冷腔体的外表面会出现结露现象，这是不允许的；因此通常在大功率光纤激光器上还要外挂冷风空调直吹以防止结露。如此一来需要额外增加冷风空调，从而导致成本费用增加。而本实施例通过采用闪蒸降温原理，通过控制闪蒸点温度的设定原则是不能低于工作环境温度5℃以上，即可避免在闪蒸壳体1外表面出现结露。其中，由于闪蒸壳体1的腔内气压与闪蒸点温度有着对应关系，因此通过排气阀门401调节气体压力即可达到控制闪蒸液体的闪蒸点温度的目的。

同时，本实施例的闪蒸散热系统所需要的电功率只是现有的散热系统的0.5％，节省了大量的电能。并且由于现有的散热系统需要两套制冷系统(冷水系统和冷风系统)导致系统复杂，重量重，体积庞大，通过本实施例其体积减少3倍以上，总重量降低5倍以上。

其中，上述闪蒸液体的选择要符合闪蒸散热的要求即一个大气压下的沸点在-40℃～10℃、汽化潜热高、蒸汽密度低于空气密度、毒性及腐蚀性低、燃点高(在空气中不可燃)，其中液氨的热物性是最符合要求，也可采用其它能够满足其要求的工质。具体的，闪蒸液体的加注量根据大功率光纤激光器间歇工作时累计工作时间及总功率、闪蒸工质的热物性来确定。

其中，上述微结构表面103其作用一是增加蒸发面101的汽化核心及可浸润性、二是增加蒸发的换热面积、三是增加冷媒液体扩散所需的毛细力，据实验，这时的蒸发换热系数可超过水强迫对流换热系数的10倍以上。由于微结构表面103属于现有技术，故本申请不再对其作过多赘述。

其中，上述实施例中连接面102可设置多个设备器件7。如此设置，能尽可能地增加闪蒸壳体1与设备器件的接触面积，通过增加其接触面积以提高蒸发换热效率。同时，为了应对接触面积的增加，将闪蒸管2设计为包括闪蒸主管201以及若干闪蒸支管202，闪蒸主管201与供液管3相连通，若干闪蒸支管202分布于闪蒸主管201的左右两侧，喷射孔203设置于闪蒸支管202上。如此一来，就能确保连接面102所对应的蒸发面101均能被闪蒸液体所喷射，以保证设备器件的散热降温效果。

在一实施例中，考虑到大功率光纤激光设备中有些设备器件难以固定在闪蒸壳体1的连接面102上，需要水冷腔进行冷却，因此还需产生小部分循环冷却水，此时可在其中一个或几个闪蒸壳体1内布置部分冷却循环水管作为循环冷却水的热交换器与闪蒸液体进行换热而冷却。其中冷却循环水管不宜作为在闪蒸壳体1外表面的发热器件散热使用。

作为上述实施例的优选方案，闪蒸散热系统包括储液罐5，储液罐5通过供液管3与闪蒸主管201相连接，供液管3上设置有供液阀门301；储液罐5用于储存闪蒸液体。

具体的，参考附图4，储液罐5为活塞式定压储液罐5，其内腔包括上下设置的气体腔室501以及液体腔室502，气体腔室501连接有加压气泵503以及定压安全阀504，液体腔室502连接有注液管6以及供液管3，注液管6上设置有注液阀门601，注液管6用于将闪蒸液体注入至液体腔室502中；气体腔室501与液体腔室502之间设置有活塞件505，活塞件505可沿储液罐5的内腔上下滑动。如此设置，通过活塞式定压储液罐5中的活塞件以确保工作时罐内压力恒定在设置值，使得无论储液罐5如何倒置，液体腔室502也不会混杂有气体，从而保证注入至闪蒸壳体1中的是闪蒸液体。

具体的，在加注闪蒸液体前，加压气泵503对储液罐5的气体腔室501加压以使活塞件505向下往液体腔室502方向移动，同时打开注液阀门601并通过活塞件挤排出罐内液体腔体的气体。等气体排尽后通过注液管6加注闪蒸液体，加注过程中活塞件505也由于受到来自于闪蒸液体的压力而向上往气体腔室501的方向移动，加注时加压气泵503及定压安全阀504需要同时工作以保持储液罐5内气体空间和液体空间的压力平衡，注液完成后并确认罐内压力为所需要的设置值时关闭所有阀门，这时整个系统处于待机状态。由于此时罐内压力恒定在设置值，使得无论储液罐5如何倒置，液体腔室502也不会混杂有气体，从而保证注入至闪蒸壳体1中的是闪蒸液体。当大功率光纤激光设备工作时，供液阀门301开启，这时储液罐5内闪蒸液体的压力大于闪蒸壳体1的气体压力，闪蒸液体在压差的驱动下经依次经过供液管3以及闪蒸管2，并通过喷射孔203均匀喷洒在蒸发面101的微结构表面103上进行吸热蒸发。

本实施例还公开了一种大功率光纤激光设备，包括上述实施例的闪蒸散热系统。如此设置，将上述实施例的闪蒸散热系统应用于大功率光纤激光设备，通过闪蒸散热系统采用闪蒸散热原理设计，从供液管3注入至闪蒸管2内的闪蒸液体，通过喷射口均匀喷射至闪蒸壳体1的蒸发面101上蒸发吸热以使安装在连接面102上的设备器件降温散热，闪蒸液体经蒸发吸热后形成闪蒸蒸汽从排气管4中排出。由于采用了蒸发传热有效提高散热效率，解决了大功率光纤激光器中高热流密度(≥10W/cm²)设备器件(如激光泵浦源)的散热，完全可以满足大功率激光芯片PN结温Tj≤60℃的散热要求。

要说明的是，本申请的闪蒸散热系统不仅仅应用在陆基、舰载或机载的大功率光纤激光器，还可应用于由若干个大功率IGBT芯片封装而成的功率放大器模块及由若干个大功率T/R芯片(管)封装组成的射频组件(如相控阵雷达等)中，也应当属于本申请的保护范围。

需要说明的是，本实用新型公开的闪蒸散热系统以及大功率光纤激光设备的其它内容为现有技术，在此不再赘述。

另外，需要说明的是，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

此外，需要说明的是，在本实用新型中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

以上仅为本实用新型的可选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种闪蒸散热系统，其特征在于，包括闪蒸壳体，所述闪蒸壳体的内腔壁上设有蒸发面，所述闪蒸壳体的外表面设有连接面，所述连接面用于连接大功率光纤激光设备的设备器件，所述连接面与所述蒸发面的位置相对应；所述闪蒸壳体的内腔设置有闪蒸管，所述闪蒸管的注入端连接有供液管，所述供液管用于向所述闪蒸管注入闪蒸液体；所述闪蒸管上分布有若干喷射孔，且所述喷射孔朝向所述蒸发面；所述闪蒸液体通过所述喷射孔喷射至所述蒸发面进行蒸发吸热以使所述设备器件降温散热，并且所述闪蒸液体经蒸发吸热后形成闪蒸蒸汽；所述闪蒸壳体上设有排气管，所述排气管用于供所述闪蒸蒸汽排出。

2.根据权利要求1所述的闪蒸散热系统，其特征在于：所述连接面与所述设备器件之间设有连接层。

3.根据权利要求1所述的闪蒸散热系统，其特征在于：所述蒸发面上设有微结构表面，所述微结构表面用于提高蒸发换热系数、增加蒸发传热面积以及蒸发液体扩散效率。

4.根据权利要求1所述的闪蒸散热系统，其特征在于：所述连接面可设置多个所述设备器件。

5.根据权利要求1所述的闪蒸散热系统，其特征在于：所述闪蒸管包括闪蒸主管以及若干闪蒸支管，所述闪蒸主管与所述供液管相连通，若干所述闪蒸支管分布于所述闪蒸主管的左右两侧，所述喷射孔设置于所述闪蒸支管上。

6.根据权利要求5所述的闪蒸散热系统，其特征在于：所述闪蒸散热系统包括储液罐，所述储液罐通过所述供液管与所述闪蒸主管相连接，所述供液管上设置有供液阀门；所述储液罐用于储存所述闪蒸液体。

7.根据权利要求6所述的闪蒸散热系统，其特征在于：所述储液罐的内腔包括上下设置的气体腔室以及液体腔室，所述气体腔室连接有加压气泵，所述液体腔室连接有注液管以及所述供液管，所述注液管上设置有注液阀门，所述注液管用于将所述闪蒸液体注入至所述液体腔室中；所述气体腔室与所述液体腔室之间通过活塞件相互隔离，所述活塞件可沿所述储液罐的内腔上下滑动。

8.根据权利要求7所述的闪蒸散热系统，其特征在于：所述气体腔室连接有定压安全阀。

9.根据权利要求1所述的闪蒸散热系统，其特征在于：所述闪蒸壳体的所述排气管上设置有排气阀门，通过调节所述排气阀门的开度大小以控制所述闪蒸壳体内所述闪蒸蒸汽的压力及温度。

10.一种大功率光纤激光设备，其特征在于：包括如权利要求1-9任一项所述的闪蒸散热系统。

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