基于喷雾汽化的大功率激光器热管理装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于喷雾汽化的大功率激光器热管理装置及方法，热管理装置包括装设于激光器热沉上的高压喷雾室，高压喷雾室内设有喷雾嘴阵列和气压传感器，且高压喷雾室与一过渡室相邻，过渡室通过高压电动泵与高压储液罐相连，高压喷雾室底部的雾液回聚区通过高压电动泵与过渡室相连，高压喷雾室还与一排气管相连，排气管上设有泄压阀。热管理方法是利用热管理装置实现的，该方法通过维持高压喷雾室内气体制冷剂的压力恒定从而维持温度恒定以实现对激光器热沉的恒温控制。本发明的装置结构简单可靠、紧凑度高、控温准确、且运行稳定，本发明的方法简单易行、效率高、且对环境友好。
【专利说明】基于喷雾汽化的大功率激光器热管理装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于激光器的热管理领域，涉及紧凑化的大功率固态激光器的热管理技术，尤其涉及基于喷雾汽化的大功率激光器热管理装置及方法。
【背景技术】
[0002]近年来，随着二极管激光器(LD)的研究成果逐渐转为实际应用及其商业化大规模生产，二极管激光器的可靠性和性价比均得到了大幅提高。由于二极管激光器具有结构紧凑、电效率高及可模块化等诸多有利于系统集成的优点，二极管激光器已成为多种高能激光器系统如光纤激光器、光泵固体激光器、二极管泵浦碱金属蒸气激光器等的优选泵浦源。
[0003]目前，泵浦激光二极管阵列的电-光转换效率虽然达到约50%，但仍有大量的废热需要处理和散掉以便于维持系统的后续正常运转。例如，以稀土掺杂光纤作为激光介质的光纤激光器，每一种介质对应有一个比较高的吸收峰(对应高的量子效率)，因此，要求泵浦光具有相应的光谱范围，一个976nm泵浦产生1080nm激光的光纤激光器，其吸收峰位于976±3nm，而某型号的泵浦LD阵列的中心波长温度系数为0.32nm/°C。维持泵浦源的恒定工作温度对系统的总体效率有着至关重要的意义，也就是说，需要一个高效的热管理系统来保证二极管激光器的稳定工作，从而保证整个激光器系统的高效、稳定工作。
[0004]现有的工业激光系统如业界龙头企业IPG photonics等生产的千瓦级以上光纤激光器一般采用水冷系统，在热流密度相对较低且对系统的机动性要求不高时，水冷散热系统是比较实用的解决方案。但是，当热流密度相对较高，如热流密度超过20W/cm2，且又有较高的温度均匀性(1°C以内)时，液体冷却(如水冷)技术已无优势，当热流密度超过25W/cm2，且对系统的机动性要求高时，液体冷却散热在功耗、重量等方面已不具备优势，水冷系统已经凸显不足。
【发明内容】
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[0005]本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单可靠、紧凑度高、控温准确、且运行稳定的基于喷雾汽化的大功率激光器热管理装置，还相应提供一种简单易行、效率高、对环境友好的基于喷雾汽化的大功率激光器热管理方法。
[0006]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种基于喷雾汽化的大功率激光器热管理装置，所述大功率激光器上设有一激光器热沉，所述热管理装置包括一装设于所述激光器热沉上的高压喷雾室，所述高压喷雾室内设有用于将液体制冷剂转化为雾状液滴制冷剂并喷射于所述激光器热沉上的喷雾嘴阵列和一气压传感器；所述高压喷雾室与用于向所述喷雾嘴阵列提供所述液体制冷剂的过渡室相邻，所述过渡室通过一高压电动泵与用于储存所述液体制冷剂的高压储液罐相连，所述高压电动泵与所述高压储液罐之间的连接管道上设有第一单向阀；所述高压喷雾室的底部设有一雾液回聚区，所述雾液回聚区内设有一液位传感器，所述雾液回聚区通过所述高压电动泵与所述过渡室相连，所述雾液回聚区与所述高压电动泵之间的连接管道上设有第二单向阀；所述高压喷雾室还与一排气管相连，所述排气管上设有用于使所述高压喷雾室内压力维持在一恒定压力值的泄压阀。
[0007]上述的热管理装置中，所述喷雾嘴阵列由薄金属盘片叠加并通过扩散焊制成，所述喷雾嘴阵列上的喷孔直径优选0.1mm?0.3mm。
[0008]上述的热管理装置中，所述薄金属盘片的厚度优选0.0lmm?0.1mm。
[0009]上述的热管理装置中，所述高压电动泵与所述过渡室之间设有一过滤器。
[0010]上述的热管理装置中，所述泄压阀优选机械式泄压阀或电磁式泄压阀，机械式泄压阀通过阀内压缩弹簧控制，电磁式泄压阀通过压力测量反馈控制。
[0011]上述的热管理方法中，所述高压电动泵的增压动力优选40?60个大气压。
[0012]上述的热管理装置中，所述排气管的输出端置于一吸收水桶内，并与所述吸收水桶内设置的多孔气罩相连。
[0013]作为一个总的技术思路，本发明还提供了一种利用上述热管理装置实现的基于喷雾汽化的大功率激光器热管理方法，包括以下步骤:
[0014](I)打开热管理装置的第一单向阀，关闭第二单向阀，通过高压电动泵将高压储液罐内的液体制冷剂抽取至过渡室，过渡室内的液体制冷剂通过高压喷雾室的喷雾嘴阵列转化为雾状液滴制冷剂，雾状液滴制冷剂进入高压喷雾室后喷射于激光器热沉上，通过吸收激光器热沉上的废热发生部分汽化并使激光器热沉冷却，所得气体制冷剂不断增大高压喷雾室内的压力并通过气压传感器将压力值反馈至泄压阀，当高压喷雾室内的压力达到泄压阀设定的气体制冷剂饱和压力时，泄压阀开启，由排气管将过量的气体制冷剂排出高压喷雾室以维持高压喷雾室内饱和压力恒定，通过饱和压力对应的恒定沸点实现对激光器热沉的恒温控制，同时，未汽化的雾状液滴制冷剂流向高压喷雾室底部的雾液回聚区中，重新汇集形成液体制冷剂；
[0015](2)将雾液回聚区内的液位传感器设定一高液位值和一低液位值，通过液位传感器探测液体制冷剂的回聚量；在雾液回聚区内液体制冷剂的液位上升阶段，当液位低于高液位值时，保持第一单向阀开启和第二单向阀关闭，高压储液罐内的液体制冷剂通过高压电动泵抽取至过渡室，当液位高于高液位值时，关闭第一单向阀，开启第二单向阀，高压电动泵停止抽取高压储液罐内的液体制冷剂，切换为抽取雾液回聚区内的液体制冷剂送至过渡室；在雾液回聚区内液体制冷剂的液位下降阶段，当液位低于高液位值且高于低液位值时，保持第一单向阀关闭和第二单向阀开启，雾液回聚区内的液体制冷剂通过高压电动泵抽取至过渡室，当液位低于低液位值时，开启第一单向阀，关闭第二单向阀，高压电动泵停止抽取雾液回聚区内的液体制冷剂，切换为抽取高压储液罐内的液体制冷剂送至过渡室；
[0016](3)上述步骤(I)和步骤(2)的过程在热管理装置工作的全过程中持续进行。
[0017]上述的热管理方法中，所述液体制冷剂优选液氨。
[0018]上述的热管理方法中，所述排气管将过量的气体制冷剂排放至吸收水桶的多孔气罩内由吸收水桶内的水充分吸收。
[0019]为保证激光器系统的总体效率和质量，泵浦源LD阵列对工作温度有较高的要求，热管理系统必须具备维持泵浦源的恒定工作温度范围的能力。利用喷雾汽化冷却具有过热度小的优点，选用合适的制冷剂和科学的系统结构设计来实现该温度控制。
[0020]在本发明中，制冷剂的选取主要从沸点、汽化热及毒性(安全性)三个方面考虑，在大量的纯净物中进行筛选。根据激光器的工作要求，制冷剂的沸点要低于二极管激光器的工作温度。在标准大气压下，一氟三氯甲烷(R-1l)的沸点是23.7°C，R-1l的汽化热为182.04kJ/kg，汽化热小，且对大气臭氧层有破坏力，其他氟利昂都具有类似缺点。环氧乙烷的沸点是10.3°C，乙胺的沸点是16.5°C，无机物三氯化硼的沸点是12.5°C，都是剧毒物质，人员的安全防护问题非常突出，因此不选用。
[0021]本发明选取液氨作为制冷剂，饱和液氨与饱和氨蒸汽的热物理性质如表I所示。
[0022]表I饱和液氨与饱和氨蒸汽热物理性质
[0023]
【权利要求】
1.一种基于喷雾汽化的大功率激光器热管理装置，所述大功率激光器上设有一激光器热沉(8 )，其特征在于，所述热管理装置包括一装设于所述激光器热沉(8 )上的高压喷雾室(9)，所述高压喷雾室(9)内设有用于将液体制冷剂转化为雾状液滴制冷剂并喷射于所述激光器热沉(8)上的喷雾嘴阵列(7)和一气压传感器(13);所述高压喷雾室(9)与用于向所述喷雾嘴阵列(7)提供所述液体制冷剂的过渡室(6)相邻，所述过渡室(6)通过一高压电动泵(I)与用于储存所述液体制冷剂的高压储液罐(4 )相连，所述高压电动泵(I)与所述高压储液罐(4)之间的连接管道上设有第一单向阀(2);所述高压喷雾室(9)的底部设有一雾液回聚区(11)，所述雾液回聚区(11)内设有一液位传感器(12)，所述雾液回聚区(11)通过所述高压电动泵(I)与所述过渡室(6 )相连，所述雾液回聚区(11)与所述高压电动泵(I)之间的连接管道上设有第二单向阀(3);所述高压喷雾室(9)还与一排气管(14)相连，所述排气管(14)上设有用于使所述高压喷雾室(9)内压力维持在一恒定压力值的泄压阀(10)。
2.根据权利要求1所述的热管理装置，其特征在于，所述喷雾嘴阵列(7)由薄金属盘片(19)叠加并通过扩散焊制成，所述喷雾嘴阵列(7)上的喷孔(17)直径为0.1mm?0.3mm。
3.根据权利要求2所述的热管理装置，其特征在于，所述薄金属盘片(19)的厚度为0.0lmm ?0.1mm0
4.根据权利要求1所述的热管理装置，其特征在于，所述高压电动泵(I)与所述过渡室(6)之间设有一过滤器(5)。
5.根据权利要求1?4中任一项所述的热管理装置，其特征在于，所述泄压阀(10)为机械式泄压阀或电磁式泄压阀。
6.根据权利要求1?4中任一项所述的热管理装置，其特征在于，所述高压电动泵(I)的增压动力为40?60个大气压。
7.根据权利要求1?4中任一项所述的热管理装置，其特征在于，所述排气管(14)的输出端置于一吸收水桶(15)内，并与所述吸收水桶(15)内设置的多孔气罩(16)相连。
8.一种利用权利要求1?7中任一项所述的热管理装置实现的基于喷雾汽化的大功率激光器热管理方法，包括以下步骤: (1)打开热管理装置的第一单向阀，关闭第二单向阀，通过高压电动泵将高压储液罐内的液体制冷剂抽取至过渡室，过渡室内的液体制冷剂通过高压喷雾室的喷雾嘴阵列转化为雾状液滴制冷剂，雾状液滴制冷剂进入高压喷雾室后喷射于激光器热沉上，通过吸收激光器热沉上的废热发生部分汽化并使激光器热沉冷却，所得气体制冷剂不断增大高压喷雾室内的压力并通过气压传感器将压力值反馈至泄压阀，当高压喷雾室内的压力达到泄压阀设定的气体制冷剂饱和压力时，泄压阀开启，由排气管将过量的气体制冷剂排出高压喷雾室以维持高压喷雾室内饱和压力恒定，通过饱和压力对应的恒定沸点实现对激光器热沉的恒温控制，同时，未汽化的雾状液滴制冷剂流向高压喷雾室底部的雾液回聚区中，重新汇集形成液体制冷剂； (2)将雾液回聚区内的液位传感器设定一高液位值和一低液位值，通过液位传感器探测液体制冷剂的回聚量；在雾液回聚区内液体制冷剂的液位上升阶段，当液位低于高液位值时，保持第一单向阀开启和第二单向阀关闭，高压储液罐内的液体制冷剂通过高压电动泵抽取至过渡室，当液位高于高液位值时，关闭第一单向阀，开启第二单向阀，高压电动泵停止抽取高压储液罐内的液体制冷剂，切换为抽取雾液回聚区内的液体制冷剂送至过渡室；在雾液回聚区内液体制冷剂的液位下降阶段，当液位低于高液位值且高于低液位值时，保持第一单向阀关闭和第二单向阀开启，雾液回聚区内的液体制冷剂通过高压电动泵抽取至过渡室，当液位低于低液位值时，开启第一单向阀，关闭第二单向阀，高压电动泵停止抽取雾液回聚区内的液体制冷剂，切换为抽取高压储液罐内的液体制冷剂送至过渡室； (3)上述步骤(I)和步骤(2)的过程在热管理装置工作的全过程中持续进行。
9.根据权利要求8所述的热管理方法，其特征在于，所述液体制冷剂为液氨。
10.根据权利要求8或9所述的热管理方法，其特征在于，所述排气管将过量的气体制冷剂排放至吸收水桶的多 孔气罩内由吸收水桶内的水充分吸收。
【文档编号】H01S3/042GK103441422SQ201310389151
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月30日 优先权日:2013年8月30日
【发明者】李文煜, 许晓军, 罗剑峰, 马阎星, 陈金宝 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学