专利名称：相变储能激光头冷却器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种激光器，特别是涉及一种间断工作的固体激光器的冷却系统。
背景技术：
固体激光器工作时，不论其工作方式是连续的还是脉冲的，输入泵浦灯的能量只有非常少的部分(约为百分之几)转化为激光输出，其余能量转化为热损耗。这些热量会使激光工作物质温度升高，且棒内温度分布不均匀，这将直接影响激光工作物质的光学性能，从而使激光光束质量下降，激光器件寿命缩短，严重时还会出现激光淬灭。因此，固体激光器运行时通常都要采用冷却措施，对激光工作物质、泵浦灯和聚光腔进行冷却，以保证激光器安全正常运行。
传统的冷却方法有液体冷却、气体冷却和传导冷却。较大功率固体激光器一般都采用液体冷却。由于水和其它的冷却液相比，不仅热容量大，粘度低，并且在强紫外线辐射下化学性质稳定，不会分解成其他物质，而对激光工作物质、聚光腔和泵浦灯造成污染，因此，固体激光器通常选用水作为冷却液，传统水冷系统包括水泵、蓄水箱、水管。这种水冷系统要有较大的蓄水箱，一定要求的循环水泵和水管，会使整个激光器体积和重量都比较庞大，因此不适合在小型场合下使用。
目前，解决固体激光器冷却系统小型化问题，运用较多地是半导体致冷技术。但由于半导体致冷器的致冷效率比较低，致冷功率比较小，因此只能用作小功率激光器的致冷器。
发明内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术中存在的不足之处，提出一种相变储能激光头冷却器。该激光头冷却器不仅能够冷却较高输出功率激光器，而且体积较小。
为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是，一种相变储能激光头冷却器，在箱体的箱壁上开有孔，在孔上装有板状半导体制冷器，其冷板与箱壁连接，连接处密封，冷端吸热器位于箱体内，热电堆、热板及热端散热器位于箱体外，在箱壁的侧壁上开有进水口和出水口，在箱体内装有水管，水管的一端与进水口相通，另一端与出水口相通，出水口与水泵相接，在箱体内盛有导热液体，水管置于导热液体中，在与导热液体相接触的水管的管壁内填充相变物质。
本实用新型的优点在于(1)由于相变物质的相变潜热很大，小体积该物质就能够吸收很大热量，而且将热导入箱外的半导体致冷器体积也是非常小，因此，该冷却器相对于水冷来说，具有体积小，冷却量大的优点。
(2)本实用新型同样具有进、出水口，不用改进激光头内部的结构就可以直接对多数固体激光器的激光头进行冷却，适应性强。
图1是半导体致冷系统的原理图。
图2是本实用新型第一个实施例的结构简图。
图3是图2的A-A剖面图。
图4是图2中水管的剖面图。
图5是本实用新型第二个实施例的结构简图。
图6是图5的B-B剖面图。
图7是本实用新型第三个实施例的结构简图。
图8是图7的C-C剖面图。
图9是本实用新型第四个实施例的结构简图。
图10是图9的D-D剖面图。
具体实施方式
物质的存在通常认为有三态固态、液态和气态，物质从一种状态变到另一种状态叫相变。相变物质(PCM)在其物象变化过程中，要从环境吸收热量向环境放出热量，或从环境吸收冷量向环境放出冷量，从而达到能量储存和释放的目的。同时，由于其相变的过程一般是等温或近似等温过程，可以用于调整控制周围环境的温度，并且可以多次重复使用。
半导体致冷，又称热电致冷、温差致冷，其理论基础则是珀尔帖效应。1834年，法国科学家珀尔帖发现向两种不同导体组成的环路通以直流电时，在连接处出现冷热现象，而这种现象在半导体材料中的表现尤为明显，能够产生有效的致冷能力。
图1是半导体致冷系统的原理图，该系统是由三块金属板1、4、5和一副电偶臂组成的热电偶，电偶臂由一块P型半导体2和一块N型半导体3构成。当通以图示电流时，由于载流子离开金属板1时，势能增加，致使金属板1变冷；载流子进入金属板4、5时，势能减小，致使金属板4和5变热，产生致冷效果。
由图2、图3和图4所示，箱体可为长方体，箱壁10指箱体的六个面，在箱壁10的侧壁上开有孔，在孔内装有板状半导体制冷器17，板状半导体制冷器17可根据需要选用市售的板状半导体制冷器。板状半导体制冷器17由冷端吸热器12、冷板13、热电堆14、热板15和热端散热器16组成，冷板13与箱壁10连接，其连接处密封，一般可采用焊接密封或加密封圈，上螺丝进行密封，冷端吸热器12位于箱体内，热电堆14、热板15及热端散热器16位于箱体外。在箱壁10内可填充绝热材料9，绝热材料9可为泡沫塑料、泡沫石棉、玻璃棉或软木制品等。在箱壁10的顶壁和一侧壁上分别开有进水口g和出水口h，在箱体内装有水管7，水管7呈弯曲形状，其横截面为圆形，水管7的一端通过进水口g接激光头6的出水口e，另一端通过出水口h接水泵11，水泵11接激光头6的进水口f。在箱体内盛有导热液体8，导热液体8可为水、无机液体或油类等。水管7置于导热液体8中，在水管7的管壁内填充相变物质18。
相变物质18可为芒硝Na2SO4·10H2O、六水氯化钙CaCl2·6H2O和石蜡。对于水合盐，也就是芒硝和六水氯化钙，由于存在着过冷和析出现象，为了减弱这种现象对相变贮能效果的影响，在芒硝或六水氯化钙中加入成核剂(阻止过冷)，加入晶体结构改变剂或增稠剂(阻止析出)。对加入添加剂的芒硝来说，美国已有商品化的产品，可选择Calortherml8，其中加入的成核剂为硼砂Na2B4O7·10H2O，增稠剂为合成聚合物。对六水氯化钙来说，美国也有商品化的产品，可选择Thermal81。对于石蜡，由于其导热性较差，需要在里面加铝粉增加导热性。
开启电源后，激光头6、水泵11和半导体致冷器17开始工作。激光头6腔内灯在泵浦时，产生大量的热，腔内冷水吸取这些热量后变成热水，在水泵11的带动下，流出激光头6的出水口e，进入冷却器的进水口g，然后导入与之相连的水管7。冷却过激光头6的热水在流动的过程中，被水管7中的相变物质18吸收热量，热水变为凉水，凉水再由出水口h、水泵11泵入激光头6的进水口f，再次对激光头6进行冷却，达到循环。工作几分钟后，随着相变物质18吸收热量的增多，当相变物质18吸收到一定的热量，达到其相变潜热时，由固体变为液体，失去相变储能效果后，激光头6和水泵11停止工作，此时激光器不再出光。相变物质18开始将其吸收的热传导给导热液体8，再由导热液体8传给冷端吸热器12，再经热端散热器16散热到空气中去。经过几分钟，相变物质18恢复了储能功能，此时激光头6和水泵11又开始工作，开始新一轮的循环。
由图5和图6所示，水管7的形状与实施例1不同。当然，水管7还可为其它形状。
所述水管7可为二排或二排以上，每排的一端接第一水箱20，另一端接第二水箱22，第一水箱20通过进水管19与进水口g相通，第二水箱22通过出水管21与出水口h相通。
由图7和图8所示，在箱壁10的侧壁和底壁上分别开有孔，在孔内装有板状半导体制冷器17，其连接处密封。在箱壁10内可填充绝热材料9，绝热材料9可为泡沫塑料、泡沫石棉、玻璃棉或软木制品等。在箱壁10的两个侧壁上分别开有进水口g和出水口h，在箱体内装有水管7，共有七排，每排纵向排列，其横截面为方形。水管7每排的一端接第一水箱20，另一端接第二水箱22，第一水箱20通过进水管19与进水口g相通，即在第一水箱20上有一个水的进口和七个水的出口，其连接处密封，可采用焊接密封。第二水箱22通过出水管21与出水口h相通，即在第二水箱22上共有七个水的进口和一个水的出口，其连接处密封，可采用焊接密封。在箱体内盛有导热液体8，导热液体8可为水、无机液体或油类等。水管7部分置于导热液体8中，第一水箱20置于导热液体8中，第二水箱22未置于导热液体8中，在与导热液体8相接触的水管7的管壁内填充相变物质18，为了使冷却器的冷却效果更好，在第一水箱20的箱壁内可填充相变物质，在第二水箱22的箱壁内可填充相变物质或绝热材料。
由图9和图10所示，在箱壁10的两侧壁和底壁上分别开有孔，在孔内装有板状半导体制冷器17，在箱体内装有水管7，共有八排，每排斜向排列。水管7部分和第二水箱22置于导热液体8中，第一水箱20未置于导热液体8中，在水管7的管壁内填充相变物质18，在第二水箱22的箱壁内填充相变物质或绝热材料。为了使冷却器的冷却效果更好，在第一水箱20的箱壁内可填充相变物质。
权利要求1.一种相变储能激光头冷却器，包括水泵，其特征在于在箱体的箱壁(10)上开有孔，在孔上装有板状半导体制冷器(17)，其冷板(13)与箱壁(10)连接，连接处密封，冷端吸热器(12)位于箱体内，热电堆(14)、热板(15)及热端散热器(16)位于箱体外，在箱壁(10)的侧壁上开有进水口(g)和出水口(h)，在箱体内装有水管(7)，水管(7)的一端与进水口(g)相通，另一端与出水口(h)相通，出水口(h)与水泵(11)相接，在箱体内盛有导热液体(8)，水管(7)置于导热液体(8)中，在与导热液体(8)相接触的水管(7)的管壁内填充相变物质(18)。
2.根据权利要求1所述的相变储能激光头冷却器，其特征在于所述水管(7)为二排或二排以上，每排的一端接第一水箱(20)，另一端接第二水箱(22)，第一水箱(20)通过进水管(19)与进水口(g)相通，第二水箱(22)通过出水管(21)与出水口(h)相通。
3.根据权利要求2所述的相变储能激光头冷却器，其特征在于在第一水箱(20)的箱壁内填充相变物质。
4.根据权利要求2所述的相变储能激光头冷却器，其特征在于在第二水箱(22)的箱壁内填充相变物质或绝热材料。
5.根据权利要求3所述的相变储能激光头冷却器，其特征在于在第二水箱(22)的箱壁内填充相变物质或绝热材料。
6.根据权利要求1或2所述的相变储能激光头冷却器，其特征在于在箱壁(10)内填充绝热材料(9)。
7.根据权利要求1或2所述的相变储能激光头冷却器，其特征在于所述板状半导体制冷器(17)为一个或一个以上。
专利摘要本实用新型公开了一种相变储能激光头冷却器，它的结构是，在箱体的箱壁上开有孔，在孔上装有板状半导体制冷器，其冷板与箱壁连接，连接处密封，冷端吸热器位于箱体内，热电堆、热板及热端散热器位于箱体外，在箱壁的侧壁上开有进水口和出水口，在箱体内装有水管，水管的一端与进水口相通，另一端与出水口相通，出水口与水泵相接，在箱体内盛有导热液体，水管置于导热液体中，在与导热液体相接触的水管的管壁内填充相变物质。该激光头冷却器不仅能够冷却较高输出功率激光器，而且体积较小，可以直接对多数固体激光器的激光头进行冷却，适应性强。
文档编号H01S3/04GK2747753SQ20042005789
公开日2005年12月21日 申请日期2004年12月20日 优先权日2004年12月20日
发明者杨克成, 涂成祥, 谭丹 申请人:华中科技大学