CN220857214U - 一种横向风冷光纤激光器 - Google Patents

Abstract

一种横向风冷光纤激光器，具有壳体，光学部分，压缩制冷装置，光电接口部分，其合理的构造了激光器壳体内光纤激光器和压缩制冷装置的结构和相对位置，使得激光器的热量被迅速带出并不破坏激光器的稳定性。

Description

一种横向风冷光纤激光器

技术领域

本实用新型涉及一种横向风冷光纤激光器，尤其的，利用压缩制冷控制机箱内泵浦光源的温度。

背景技术

在高功率激光器的使用过程中，对制冷机构十分的依赖。目前激光器采用风冷机构进行散热，多数是直接使用风扇对热源或热沉下的散热片进行散热，如CN212114287U，由于光学设备较为精密，风道直接流过光学设备侧或其附近容易影响光学设备，造成一些指标的下降并影响设备可靠性。现有技术中也有采用压缩制冷的风冷散热光纤激光器，如CN103279149A公开了一种使用压缩机的制冷和制热循环来使得激光器恒温的结构，文献CN203071389U公开了一种使用变频压缩制冷的小型激光装置，但他们都仅仅只使用了简单的变频压缩的原理，并没有根据光纤激光器的特点和压缩制冷的原理进行结构的优化，其制冷系统的结构复杂且不合理，影响整个系统的制冷能力，输出功率小，风道隔离效果差，影响装置稳定性。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种横向风冷光纤激光器，克服了现有技术的不足，设计合理。

为实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案予以实现：本实用新型的一种压缩制冷光纤激光器，包括壳体，壳体内设置有光纤激光器的光学部分，激光器制冷装置，光学部分包括冷板和安装在冷板上的泵浦激光器及增益光纤部分；激光器制冷装置包括压缩机、冷凝器、冷媒管道，膨胀阀、风扇；其特征在于，壳体内部具有第一内部空间和第二内部空间，光学部分位于第一内部空间，激光器制冷装置位于第二内部空间；冷板包括冷板冷媒管道，冷板冷媒管道与激光器制冷装置的冷媒管道连接，用于制冷剂的流通和循环；冷板为平面板状结构，其具有安装有半导体激光器的第一冷板表面和与之相对的第二冷板表面，冷板呈竖直方向的安装在激光器壳体的内部一侧，冷板的第二冷板表面作为第一内部空间和第二内部空间的分界面；壳体具有上柜板和与之对应的下柜板，在上、下柜板之间具有四个侧面板，分别为依次相连的第一侧板、第二侧板、第三侧板、第四侧板；第一侧板与第三侧板相对，第二侧板与第四侧板相对，壳体围成一内部空间，该内部空间分为靠近第一侧板的第一内部空间和靠近第三侧板的第二内部空间；冷板的第一冷板表面面向壳体的第一侧板内侧，冷板的第二冷板表面面向壳体的第三侧板；壳体的第二侧板设有第一通风孔，壳体第四侧板设有第二通风孔，第一通风孔位于第二侧板的对应第二内部空间那一部分，第二通风孔位于第四侧板的对应第二内部空间那一部分；两个通风孔之间形成了空气的横向的流通通道，第二侧板和第四侧板之间安装具有风扇；冷板的第二冷板表面形成了第一内部空间和第二内部空间的分隔面，使得第一通风孔和第二通风孔之间流动的空气不会经过第一内部空间。

优选地，冷板朝向第二空间的侧面上布置冷板散热鳍片凸起结构。

优选地，冷板散热鳍片凸起结构为多条沿着横向水平方向延伸的鳍片凸起，多条鳍片凸起之间形成沿着水平方向延伸的横向槽；冷板和冷板散热鳍片凸起结构为一体结构，冷板和冷板散热鳍片凸起结构采用导热材料制成。

优选地，风扇的转动方向被设定的用以加速空气从激光器壳体的前侧的通风孔流入，再从激光器壳体的后侧的通风孔流出，出风口面积为进风口的面积的1.2倍以上。

优选地，冷板的周围的四个侧边分别和壳体的上柜板、下柜板、第二侧板、第四侧板接触，冷板和壳体共同围成了密封的第一内部空间。

优选地，激光器制冷装置安装在第二内部空间内，其中冷凝器位于第二内部空间的出风侧，冷凝器包括埋有冷媒管道的冷凝鳍片装置，冷凝鳍片装置具有鳍片之间的多个间隙，多个间隙构成横向的风道。

优选地，冷板为单面埋管冷板或双面埋管冷板；第一风扇组位于第一通风孔和冷凝鳍片组之间，第二风扇组位于第二通风孔的一侧。

优选地，风冷激光器包括光电接口部分，光电接口部分包括多个光电接口，壳体的上柜板具有靠近第一侧板的光电接口安装区域和靠近第三侧板的散热表面区域；光电接口安装区域用于安装光电接口部分的至少部分或全部接口，上柜板的光电接口安装区域对应为第一内部空间的侧面，上柜板的散热表面区域对应为第二内部空间的侧面，在上柜板的散热表面区域设置增强散热的表面结构。

优选地，光电接口部分用于激光器主体与外部的光电连接，包括设备电源输入口，安全锁接口，控制信号输入接口，输出光缆接口，光电接口安装区域用于安装光电接口部分的全部接口。

优选地，还包括激光器驱动部分，泵浦激光单元为一个以上的半导体激光器，还包括N+1正反向光纤合束器，增益光纤部分为掺镱增益光纤和位于掺镱增益光纤两端的第一光栅和第二光栅；N+1正反向光纤合束器用于将泵浦激光单元出射的泵浦光合束耦合进入增益光纤部分，激光器制冷装置还包括电磁四通换向阀，冷媒储液罐，变频压缩机通过冷媒管道与冷凝器和冷板冷媒管道连接，冷媒管道和冷板冷媒管道内装有冷媒制冷剂，激光器制冷装置还包括干燥过滤器，所述干燥过滤器设置在所述冷凝器和热力膨胀阀之间，冷凝器采用铝制平行流换热器；光学部分的泵浦激光单元，增益光纤部分，N+1正反向光纤合束器均集成安装在冷板上。

优选地，所述柜体的尺寸为650mm×300mm×570mm。优选地，在所述柜体的下柜板的四个角处分别安装有一万向轮。壳体采用铝型材结构，方便组装、拆开维修，保证散热的同时也节省了机柜空间。优选地，压缩制冷光纤激光器用于便携的手持光纤焊接机。

本实用新型提供了一种横向风冷光纤激光器，其合理的构造了光纤激光器和压缩制冷装置的结构，使得激光器的热量被迅速带出并不破坏激光器的稳定性。

通过将光纤激光器的泵浦光源、合束器，增益光纤整体整合到冷板上，使得激光器更加的集成和方便冷却，泵浦激光器分布在大面积冷板上，热量传递更快；并将冷板侧向的安装到激光器壳体的侧面，制冷装置安装在壳体内的另一侧，通过埋管冷板内的管道内冷媒迅速的带走热量，再通过压缩机的作用将热量带到冷凝器；通过构造横向的风道，相对于下端的进风口，其可以有效降低进风口的风阻，促进热量经由风扇吹的风带出，同时由于气体的热胀冷缩，可以设置出风口面积较进风口的面积大20％，以利于受热后的气体流出，扩大风道的利用效率；通过冷板将安装光学部分的第一内部空间和制冷的第二内部空间分隔，划分出光学器件空间和散热空间，使得冷凝装置迅速散热的同时并且不会影响激光器；同时风流过冷板的第二冷板表面，冷板的第二冷板表面也可以散热，也加大了散热的表面积；即在同一个风道下，使用了制冷剂的导热散热结构和第二冷板表面散热区域同时被同一股高速风流带走热量，双重高效散热(风道的正向路径上的冷凝鳍片组和风道侧向上的第二冷板表面的导热散热)的同时并没有复杂化机箱内布局(一整个的大风量风道相对于多个分立的风道效率更高且噪音更小)；同时在壳体的上柜面或下柜面划分接口安装区域和散热区域，增大了壳体的散热能力的同时使得光电连接更加直接，减小光电连接的复杂性和可能的光学衰减。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型或现有技术中的技术方案，下面将对现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本实用新型的激光器示意图；

图2是从壳体外面向第四侧板(或第二侧板)观察的壳体内布局示意图；

图3是图2中冷板放大后的示意图；

图4是图2中的冷媒管道连接方式示意图；

图5是从壳体前侧(或后侧)观察的布局示意图。

图6是冷板的第二冷板表面的散热结构示意图；

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

如图1所示，本实用新型的横向风冷光纤激光器包括激光器主体，激光器主体具有激光器壳体，壳体内设置有光纤激光器的光学部分，激光器制冷装置，激光器驱动部分和光电接口部分。

光学部分用于出射光纤激光信号，其包括泵浦激光单元101，增益光纤部分102，温度控制平板103，光学部分驱动装置，在一些实施例下还包括N+1正反向光纤合束器。

泵浦激光单元101为一个或多个半导体激光器，在一些实施例下，半导体激光器用于在某个温度范围时提供增益腔吸收的976nm泵浦激光。

增益光纤部分102在一些实施例下为掺镱增益光纤和位于掺镱增益光纤两端的第一光栅和第二光栅。

温度控制平板103为冷板，半导体激光器安装在冷板上，冷板为埋管冷板，可为单面埋(铜)管冷板或双面埋(铜)管冷板(冷板在制冷过程中起到蒸发器的作用)，优选地，也可以为一体制造的内挖冷媒通道凹槽的金属冷板。

N+1正反向光纤合束器用于将泵浦激光单元出射的泵浦光合束耦合进入增益光纤。

在一些实施例下，光学部分的泵浦激光单元101，增益光纤部分102，N+1正反向光纤合束器均集成安装在温度控制平板103的冷板上，冷板为平面板状结构，内部埋有冷板冷媒(铜)管道1031。

冷板冷媒管道优选地为在冷板内部呈蛇形曲折延伸的管道，包括至少一个冷媒入口和至少一个冷媒出口。

激光器制冷装置包括由(变频)压缩机、冷凝器、冷媒管道，膨胀阀、(变频)风扇组成(还可以包括电磁四通换向阀，冷媒储液罐)，为相变式变频压缩温控系统，用于为半导体激光器提供大温差的温度冷却；其中冷板冷媒管道1031与激光器制冷装置的冷媒管道连接，用于制冷剂的流通和循环，变频压缩机通过冷媒管道与冷凝器和冷板冷媒管道1031连接，冷媒管道和冷板冷媒管道1031内装有冷媒制冷剂。

在一些实施例下，激光器制冷装置还包括干燥过滤器，所述干燥过滤器设置在所述冷凝器和所述热力膨胀阀之间。

在一些实施例下，冷凝器采用铝制平行流换热器。

激光器驱动部分用于激光器制冷装置和光学部分的驱动。

光电接口部分用于激光器主体与外部的光电连接，包括设备电源输入口4，安全锁接口5，控制信号输入接口6，输出光缆接口7等。

设备电源输入接口4用于外部供电；安全锁接口5用于激光的安全互锁；控制信号输入接口6用于外部控制信号的输入。

壳体为近似矩形壳体，由前柜板、后柜板、上柜板、下柜板、左柜板以及右柜板围合而成。

壳体具有上柜板1011和与之对应的下柜板1012，在上、下柜板之间包括具有四个侧面板，分别为依次相连的第一侧板1013(即左柜板)、第二侧板1014(即前柜板)、第三侧板1015(即右柜板)、第四侧板1016(即后柜板)；第一侧板1013与第三侧板1015相对(即左柜板和右柜板相对)，第二侧板1014与第四侧板1016相对(即前柜板和后柜板相对)。

各个柜板并不一定都只是一个制造时独立的柜板，其可以是整体铸造形成的壳体轮廓，其一个侧面定义为一个柜板，即各个柜板可以是一起被整体制造的，各个柜板并不一定都是完全的平面结构，其可能包括与其它柜板之间连接处的过渡弯曲结构，即上述的六个面板定义的只是大体包括6个围成近似六面体的主要侧面即可。

其中第一侧板的面积大于第二侧板的面积，第一侧板的面积大于第四侧板的面积；第三侧板的面积大于第二侧板的面积，第三侧板的面积大于第四侧板的面积。

其中前柜板1014和后柜板1016分别设有第一通风孔和第二通风孔，两个通风孔之间形成了空气的横向的由前至后(或由后至前)的流通通道。在一些实施例中，前柜板1014后侧安装具有第一风扇组和/或后柜板1016前侧安装有第二风扇组，可选的，可以只有前柜板后侧的第一风扇组或是后柜板前侧的第二风扇组。通过横向的前后柜面入风和出风的形式，相较于底部进风，其更容易使得空气顺利的进入，入风口的风阻较小，参见图3，风扇的转动方向被设定的用以加速空气从激光器壳体的前部的第一通风孔流入，再从激光器壳体的后部的第二通风孔流出；当然，也可以通过风扇的设置，使得空气从后侧的第二通风口进入，从前侧的第一通风口出风，出风口面积为进风口的面积的1.2倍以上。

冷板为平面板状结构，其具有周围的四个侧边和安装有半导体激光器的第一冷板表面和与之相对的第二冷板表面，冷板呈竖直方向的安装在激光器壳体的内部一侧。

参见图2：壳体在上柜板1011和下柜板1012之间具有一内部空间(即壳体的六个柜板围成的空间)，该内部空间分为靠近第一侧板1013的第一内部空间和靠近第三侧板的第二内部空间。

第一通风孔位于前柜板的对应第二内部空间那一部分，第二通风孔位于后柜板的对应第二内部空间那一部分。

其中包括冷板的光学部分安装在第一内部空间内，冷板与第一侧板(即左柜板)基本平行，冷板的第一冷板表面面向壳体的第一侧板(即左柜板)内侧，冷板的第二冷板表面面向壳体的第三侧板，冷板的第二冷板表面作为第一内部空间和第二内部空间的分界面。

冷板的侧向的四个侧边分别和壳体的上柜板、下柜板、第二侧板、第四侧板接触，冷板和壳体(即和第一侧板以及上柜板、下柜板、第二侧板、第四侧板的部分)共同围成了可密封的第一内部空间，冷板的第二冷板表面形成了第一内部空间和第二内部空间的分隔面，分隔了第一内部空间和第二内部空间，划分出了两个相对独立的空间，使得第一通风孔和第二通风孔之间流动的空气不会通过第一内部空间，防止影响光学部分。

风流过冷板的第二冷板表面，冷板的第二冷板表面也可以散热，也加大了散热的表面积。

冷板朝向第二空间的侧面(第二冷板表面)上优选地可以布置冷板散热鳍片凸起结构，以使得冷板的热量除了通过制冷剂带走之外，也更加有效率的通过高速风流带走。优选地，冷板散热鳍片凸起结构为多条沿着横向水平方向延伸的鳍片凸起，多条鳍片凸起之间形成沿着水平方向延伸的横向槽，横向流向的高速的风流可以高速通过横向槽，加大风冷的散热效率。

冷板和冷板散热鳍片凸起结构优选地为一体结构，优选地，冷板和/冷板散热鳍片凸起结构采用高导热材料制成。

激光器制冷装置安装在第二内部空间内，即压缩机、冷凝器、冷媒管道，膨胀阀、风扇(在一些实施例下还包括电磁四通换向阀，冷媒储液罐)等装置位于第二内部空间内；其中冷凝器位于第二内部空间的出风侧，冷凝器包括埋有冷媒管道的冷凝鳍片装置，冷凝鳍片装置第一通风孔和第二通风孔之间。

优选地，如果第一通风孔是入风孔，第二通风孔为出风孔，冷凝鳍片装置安装在后柜板1016的第二通风孔前侧，冷凝鳍片均为横向水平的延伸，冷凝鳍片装置具有鳍片之间的多个间隙，多个间隙构成由前至后的风道，以使得空气的流通通道不被冷凝鳍片装置遮挡。

在一些实施例下，第二内部空间的体积大于第一内部空间的体积。

第一通风孔位于第二内部空间的前侧，第二通风孔位于第二内部空间的后侧，第一风扇组和/或第二风扇组位于第一通风孔和第二通风孔之间。

在一些实施例下，第二风扇组位于冷凝鳍片组的出风侧(后侧)，可位于冷凝鳍片组的前侧，即冷凝鳍片组和压缩机之间，当然第二风扇组也可以位于第二通风孔的前侧和冷凝鳍片组的后侧，即位于第二通风孔和冷凝装置之间，可以使得通道内气流更稳定。

在一些实施例下，第二风扇组位于压缩机和第二通风孔之间。

壳体的上侧板1011具有靠近第一侧板的光电接口安装区域和靠近第三侧板的散热表面区域；光电接口安装区域用于安装光电接口部分的至少部分或全部接口。

上侧板的光电接口安装区域对应为第一内部空间的侧表面，由于第一内部空间内具有泵浦光源，增益光纤等等光学部件，因此，将光电接口安装在靠近上侧板的光电接口安装区域，能够直接连接位于第一内部空间的光学器件，避免内部较长又复杂的光电走线。

上侧板的散热表面区域对应为第二内部空间的侧表面，由于第二内部空间内安装有制冷器件并形成风冷通道，因此在上侧板的散热表面区域设置增强散热的表面结构，可以增强装置的散热。散热表面区域设置有多条散热凸起，在一些实施例下，散热凸起可以设置在散热表面区域朝向壳体外的一侧和/或朝向壳体内的一侧。

同样的，在一些实施例下，壳体的下侧板也可以和上侧板同样的设置。

如，下侧板具有靠近第一侧板的光电接口安装区域和靠近第三侧板的散热表面区域；光电接口安装区域用于安装光电接口部分的至少部分或全部接口。

下侧板的光电接口安装区域对应为第一内部空间的侧表面，由于第一内部空间内具有泵浦光源，增益光纤等等光学部件，因此，将光电接口安装在靠近第一侧板的光电接口安装区域，能够直接连接位于第一内部空间的光学器件，避免内部较长又复杂的光电走线。

下侧板的散热表面区域对应为第二内部空间的侧表面，由于第二内部空间内安装有制冷器件并形成风冷通道，因此在下侧板的散热表面区域设置增强散热的表面结构，可以增强装置的散热。散热表面区域设置有多条散热凸起，在一些实施例下，散热凸起可以设置在散热表面区域朝向壳体外的一侧和/或朝向壳体内的一侧。

在一些实施例下，壳体的第三侧板的朝向壳体外的表面和/或朝向壳体内的表面具有增强散热的凸起结构，用于对第一内部空间周围的各个板传过来的热量和其他放热结构发出来的热量进行快速散热。

一个优选实施例中，所述柜体的尺寸为650mm×300mm×570mm。

一个优选实施例中，在所述柜体的下柜板的四个角处分别安装有一万向轮。壳体采用铝型材结构，方便组装、拆开维修，保证散热的同时也节省了机柜空间。

上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种横向风冷光纤激光器，包括壳体，壳体内设置有光纤激光器的光学部分，激光器制冷装置，光学部分包括冷板和安装在冷板上的泵浦激光器及增益光纤部分；激光器制冷装置包括压缩机、冷凝器、冷媒管道，膨胀阀、风扇；其特征在于，壳体内部具有第一内部空间和第二内部空间，光学部分位于第一内部空间，激光器制冷装置位于第二内部空间；冷板包括冷板冷媒管道，冷板冷媒管道与激光器制冷装置的冷媒管道连接，用于制冷剂的流通和循环；冷板为平面板状结构，其具有安装有半导体激光器的第一冷板表面和与之相对的第二冷板表面，冷板呈竖直方向的安装在激光器壳体的内部一侧，冷板的第二冷板表面作为第一内部空间和第二内部空间的分界面；壳体具有上柜板和与之对应的下柜板，在上、下柜板之间具有四个侧面板，分别为依次相连的第一侧板、第二侧板、第三侧板、第四侧板；第一侧板与第三侧板相对，第二侧板与第四侧板相对，壳体围成一内部空间，该内部空间分为靠近第一侧板的第一内部空间和靠近第三侧板的第二内部空间；冷板的第一冷板表面面向壳体的第一侧板内侧，冷板的第二冷板表面面向壳体的第三侧板；壳体的第二侧板设有第一通风孔，壳体第四侧板设有第二通风孔，第一通风孔位于第二侧板的对应第二内部空间那一部分，第二通风孔位于第四侧板的对应第二内部空间那一部分；两个通风孔之间形成了空气的横向的流通通道，第二侧板和第四侧板之间安装具有风扇；冷板的第二冷板表面形成了第一内部空间和第二内部空间的分隔面，使得第一通风孔和第二通风孔之间流动的空气不会经过第一内部空间。

2.根据权利要求1的横向风冷光纤激光器，其特征在于，冷板朝向第二空间的侧面上布置冷板散热鳍片凸起结构。

3.根据权利要求2的横向风冷光纤激光器，其特征在于，冷板散热鳍片凸起结构为多条沿着横向水平方向延伸的鳍片凸起，多条鳍片凸起之间形成沿着水平方向延伸的横向槽；冷板和冷板散热鳍片凸起结构为一体结构，冷板和冷板散热鳍片凸起结构采用导热材料制成。

4.根据权利要求1的横向风冷光纤激光器，其特征在于，风扇的转动方向被设定的用以加速空气从激光器壳体的前侧的通风孔流入，再从激光器壳体的后侧的通风孔流出，出风口面积为进风口的面积的1.2倍以上。

5.根据权利要求1的横向风冷光纤激光器，其特征在于，冷板的周围的四个侧边分别和壳体的上柜板、下柜板、第二侧板、第四侧板接触，冷板和壳体共同围成了密封的第一内部空间。

6.根据权利要求4的横向风冷光纤激光器，其特征在于，激光器制冷装置安装在第二内部空间内，其中冷凝器位于第二内部空间的出风侧，冷凝器包括埋有冷媒管道的冷凝鳍片装置，冷凝鳍片装置具有鳍片之间的多个间隙，多个间隙构成横向的风道。

7.根据权利要求6的横向风冷光纤激光器，其特征在于，冷板为单面埋管冷板或双面埋管冷板；第一风扇组位于第一通风孔和冷凝鳍片组之间，第二风扇组位于第二通风孔的一侧。

8.根据权利要求1的横向风冷光纤激光器，其特征在于，风冷激光器包括光电接口部分，光电接口部分包括多个光电接口，壳体的上柜板具有靠近第一侧板的光电接口安装区域和靠近第三侧板的散热表面区域；光电接口安装区域用于安装光电接口部分的至少部分或全部接口，上柜板的光电接口安装区域对应为第一内部空间的侧面，上柜板的散热表面区域对应为第二内部空间的侧面，在上柜板的散热表面区域设置增强散热的表面结构。

9.根据权利要求8的横向风冷光纤激光器，其特征在于，光电接口部分用于激光器主体与外部的光电连接，包括设备电源输入口，安全锁接口，控制信号输入接口，输出光缆接口，光电接口安装区域用于安装光电接口部分的全部接口。

10.根据权利要求9的横向风冷光纤激光器，其特征在于，还包括激光器驱动部分，泵浦激光单元为一个以上的半导体激光器，还包括N+1正反向光纤合束器，增益光纤部分为掺镱增益光纤和位于掺镱增益光纤两端的第一光栅和第二光栅；N+1正反向光纤合束器用于将泵浦激光单元出射的泵浦光合束耦合进入增益光纤部分，激光器制冷装置还包括电磁四通换向阀，冷媒储液罐，变频压缩机通过冷媒管道与冷凝器和冷板冷媒管道连接，冷媒管道和冷板冷媒管道内装有冷媒制冷剂，激光器制冷装置还包括干燥过滤器，所述干燥过滤器设置在所述冷凝器和热力膨胀阀之间，冷凝器采用铝制平行流换热器；光学部分的泵浦激光单元，增益光纤部分，N+1正反向光纤合束器均集成安装在冷板上。