一种光纤激光器的两相浸没式散热装置的制作方法

[0001]
本实用新型涉及光纤激光器技术领域，尤其涉及一种光纤激光器的两相浸没式散热装置。


背景技术：

[0002]
光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来，在泵浦光的作用下，在光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路便可形成激光振荡输出。光纤激光器的应用范围非常广泛，包括：激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻、激光打标、激光切割、印刷制辊、对金属或非金属进行的钻孔/切割/焊接、军事国防安全、医疗器械仪器设备、大型基础建设及作为其它激光器的泵浦源等领域。
[0003]
在光纤激光器的使用过程中，需对其进行温度控制，这对确保光纤激光器的高功率、高可靠性、高电-光转换效率、高光束质量及良好的光谱特性均具有重要意义。但是，近年来随着光纤激光器输出功率的不断提升，光纤激光器的泵浦源、光学器件及光纤的发热量也不断增加，散热难度越来越大。光纤激光器的电-光转换效率为30％-40％，对于输出功率为3kw的光纤激光器而言，整机发热量为4.5kw-7kw，其中，配套光纤的长度可达到40m以上，光纤的发热量为1kw-1.2kw。由此，如何对光纤激光器上的发热进行高效散热，控制光纤激光器内各器件的温度维持在合理范围内，已成为当前亟待解决的技术问题。
[0004]
光纤激光器传统的散热方式包括风冷散热与间接水冷散热。风冷散热是把发热器件固定在翅片散热器上，通过风扇驱动空气流过散热器翅片以带走热量的技术，该技术存在设备体积大、噪声大、散热热流密度小的问题。间接水冷散热是把发热器件固定在水冷板上，水泵驱动冷却水流过水冷板以带走热量，但是，间接水冷散热存在散热系统结构复杂、造价昂贵的问题，并且，水冷散热系统的众多管路接口也存在泄漏的问题，从而严重影响到水冷散热系统长期可靠地运行。然而，现有的风冷散热与间接水冷散热难以满足对大功率的光纤激光器进行高效散热的需求，并在散热时还存在噪音、管路泄漏等问题。


技术实现要素：

[0005]
本实用新型实施例提供一种光纤激光器的两相浸没式散热装置，用以解决现有的风冷散热与间接水冷散热难以满足对大功率的光纤激光器进行高效散热需求的问题。
[0006]
本实用新型实施例提供一种光纤激光器的两相浸没式散热装置，包括：密封盒，具有用于容纳相变工质与光纤激光器的腔体，所述相变工质为具有气液两相相变特性的绝缘工质，所述光纤激光器用于浸没于所述密封盒内液态的相变工质中；冷却机构，设置于所述密封盒内，并用于设置于所述密封盒内液态的相变工质的上侧。
[0007]
根据本实用新型一个实施例的光纤激光器的两相浸没式散热装置，还包括：抽真空装置，所述抽真空装置连通所述密封盒。
[0008]
根据本实用新型一个实施例的光纤激光器的两相浸没式散热装置，所述冷却机构
为热导管，所述热导管的一端伸入至所述密封盒内，另一端伸出所述密封盒并用于连接冷源；或者，所述冷却机构为采用液冷或风冷结构的冷凝器。
[0009]
根据本实用新型一个实施例的光纤激光器的两相浸没式散热装置，还包括：第一支架，所述第一支架上用于固定所述光纤激光器的光纤，所述第一支架的形状为盘状或柱状。
[0010]
根据本实用新型一个实施例的光纤激光器的两相浸没式散热装置，还包括：第二支架，所述第二支架包括多个，以用于分别固定所述光纤激光器的电学器件、泵浦源及光学器件。
[0011]
根据本实用新型一个实施例的光纤激光器的两相浸没式散热装置，还包括：密封组件，所述密封组件安装于所述密封盒的侧壁上，用于在所述光纤激光器的光纤的一端伸出所述密封盒时，形成为所述光纤与所述密封盒之间的密封。
[0012]
根据本实用新型一个实施例的光纤激光器的两相浸没式散热装置，所述密封组件包括：格兰头与光纤保护套；所述格兰头固定于所述密封盒的侧壁上，并套设于所述光纤保护套的外侧壁上；所述光纤保护套内用于插装所述光纤，并用于通过密封胶与所述光纤密封连接。
[0013]
根据本实用新型一个实施例的光纤激光器的两相浸没式散热装置，所述光纤保护套为一体式管套，或者，所述光纤保护套为多个拼装件沿周向拼装而成的组合件，所述组合件内形成有用于与所述光纤相适配的穿孔。
[0014]
本实用新型实施例提供的一种光纤激光器的两相浸没式散热装置，通过在密封盒内盛装相变工质，将光纤激光器浸没于密封盒内液态的相变工质中，并在密封盒内液态的相变工质的上侧设置冷却机构，则在使用光纤激光器时，液态的相变工质会吸收光纤激光器上产生的热量，并发生相变，由液态变为气态，在密度差和重力的作用下，气态的相变工质会上升，并与冷却机构进行热交换，从而导致气态的相变工质冷凝为液态，凝结为液态的相变工质会在重力的作用下滴落至密封盒的底部，并再次通过相变过程对光纤激光器进行散热。
[0015]
由此可见，本实用新型可实现对光纤激光器的高效散热，由于光纤激光器浸没于密封盒内液态的相变工质中，且相变工质在相变过程中温度保持恒定，从而在确保光纤激光器表面的各个区域散热均匀性的同时，可控制光纤激光器的表面温度维持在预设范围内，进而取得较好的散热效果。
附图说明
[0016]
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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。
[0017]
图1是本实用新型实施例提供的一种光纤激光器的两相浸没式散热装置的结构示意图；
[0018]
图2是本实用新型实施例所示的光纤在第一支架上安装的结构示意图；
[0019]
图3是本实用新型实施例所示的图1中k处的局部放大结构示意图；
[0020]
图4是本实用新型实施例所示的光纤保护套的拼装结构示意图。
[0021]
图中，1、密封盒；2、光纤激光器；21、电学器件；22、泵浦源；23、光学器件；24、光纤；3、冷却机构；4、第一支架；41、第一连接柱；42、支撑盘；5、第二支架；51、第二连接柱；52、金属固定板；6、密封组件；61、格兰头；62、光纤保护套；621、拼装件；622、穿孔；63、密封胶。
具体实施方式
[0022]
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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，本领域的普通技术人员在没有作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。
[0023]
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0024]
参见图1，本实施例提供了一种光纤激光器的两相浸没式散热装置，包括：密封盒1，具有用于容纳相变工质与光纤激光器2的腔体，相变工质为具有气液两相相变特性的绝缘工质，光纤激光器2用于浸没于密封盒1内液态的相变工质中；冷却机构3，设置于密封盒1内，并用于设置于密封盒1内液态的相变工质的上侧。
[0025]
具体的，本实施例所示的散热装置通过在密封盒1内盛装相变工质，将光纤激光器2浸没于密封盒1内液态的相变工质中，并在密封盒1内液态的相变工质的上侧设置冷却机构3，则在光纤激光器2使用时，液态的相变工质会吸收光纤激光器2上产生的热量，并发生相变，由液态变为气态，在密度差和重力的作用下，气态的相变工质会上升，并与冷却机构3进行热交换，导致气态的相变工质冷凝为液态，凝结为液态的相变工质会在重力的作用下滴落至密封盒1的底部，再次通过相变过程对光纤激光器2进行散热，并以此循环。
[0026]
由此可见，本实施例所示的散热装置可实现对光纤激光器2的高效散热，由于光纤激光器2浸没于密封盒1内液态的相变工质中，且相变工质在相变过程中温度保持恒定，从而在确保光纤激光器2表面的各个区域散热均匀性的同时，可控制光纤激光器2的表面温度维持在预设范围内，进而取得较好的散热效果。
[0027]
在此应指出的是，本实施例所示的光纤激光器2包括电学器件21、泵浦源22、光学器件23及光纤24，其中，电学器件21可以为本领域所公知的开关电源，光学器件23包括耦合器、光栅、剥模器等，电学器件21电连接泵浦源22，泵浦源22将激光输送至耦合器，耦合器通过一个光栅连接光纤24的一端，光纤24的另一端通过另一个光栅连接剥模器。本实施例所示的密封盒1的形状可以为长方体或圆柱体等，在此不作具体限定，只要在尺寸上与光纤激光器2相适配即可。
[0028]
与此同时，本实施例所示的相变工质可以为本领域所公知的碳氟化物或氢氟化物等具有气、液两相相变特性的绝缘工质，相变工质的沸点可以为20℃-100℃。由于对光纤激光器2的相变吸热过程直接发生在光纤激光器2与相变工质之间，相比于传统的风冷与间接水冷而言，间接水冷的传热顺序依次从发热器件、导热胶、水冷板至冷却水，风冷的传热顺
序依次从发热器件、导热胶、散热器至空气，从而本实施例对光纤激光器2的相变吸热路径更短，散热过程更直接，从而具有较高的散热效率。
[0029]
另外，光纤激光器2用于浸没于密封盒1内液态的相变工质中，可理解为光纤激光器2用于部分或全部地浸没于密封盒1内液态的相变工质中，为了确保光纤激光器2表面的各个区域散热的均匀性，本实施例优选将光纤激光器2完全浸没于密封盒1内液态的相变工质中。
[0030]
优选地，本实施例还包括：抽真空装置，抽真空装置连通密封盒1，其中，抽真空装置在图1中未具体示意出。
[0031]
具体的，抽真空装置包括真空泵和抽真空管路，可在抽真空管路上设置控制阀，真空泵的吸气端连通抽真空管路的一端，抽真空管路的另一端连通密封盒1。该抽真空装置在一方面，可通过调节密封盒1内的真空度，改变相变工质的沸点，从而控制光纤激光器的表面温度保持在设定值；另一方面，在因相变工质的相变过程而导致密封盒1内的气压过高时，可通过启动抽真空装置的抽真空功能，降低密封盒1内的气压，对密封盒1起到一定的安全保护作用。
[0032]
基于上述实施例的改进，在其中一个优选实施例中，冷却机构3优选为热导管，热导管可设置多根，热导管的一端伸入至密封盒1内，以在相变工质汽化并上升至密封盒1的顶部时，热导管与气态的相变工质进行热交换，使得气态的相变工质凝结为液态；由于热导管的另一端伸出密封盒1并连接冷源，基于冷源提供的冷量可确保热导管温度的恒定，从而便于热导管的一端能够持续地与气态的相变工质进行热交换作用。
[0033]
如图1所示，基于上述实施例的改进，在另一个优选实施例中，冷却机构3可优选为采用液冷或风冷结构的冷凝器。其中，在冷却机构3为采用液冷的冷凝器时，冷凝器可以采用铜管或铝管，并组装呈蛇形排布的盘管结构，可在冷凝器内通入冷却水，以达到对气态的相变工质的冷却效果。
[0034]
优选地，如图1所示，本实施例还包括：第一支架4，第一支架4上用于固定光纤激光器2的光纤24，第一支架4的形状为盘状或柱状。
[0035]
具体的，在第一支架4的形状设计为盘状时，第一支架4可由多根第一连接柱41与支撑盘42组成，第一连接柱41的下端连接密封盒1的底端，第一连接柱41的上端连接支撑盘42的下端面，其中，支撑盘42可由金属片冲压而成，在支撑盘42上冲压有多个镂空孔，从而在将光纤24固定于支撑盘42上时，这既有利于光纤24附近的液态相变工质的补给，又不影响固定光纤24的相应结构强度。
[0036]
如图2所示，支撑盘42也可为辐射状金属支架，相应地，该金属支架的每个辐射端对应连接第一连接柱41的上端。
[0037]
由于光纤激光器2相应的光纤24具有较大的长度，为了减小存放空间，并对光纤24形成可靠的防护，通常将光纤24盘绕呈光纤盘。基于第一支架4的盘状设计结构，可在支撑盘42上将光纤24有序地盘绕成平面环状的光纤盘，该光纤盘上相邻的光纤之间的间隙可设置为0-5mm，并使用锡箔纸将光纤盘粘贴在支撑盘42上，或者使用其它结构件将光纤盘固定在支撑盘42上。
[0038]
与此同时，在第一支架4的形状设计为柱状时，可相应地将光纤24沿周向螺旋状盘绕在第一支架4上。
[0039]
优选地，本实施例中还包括：第二支架5，第二支架5包括多个，以用于分别固定光纤激光器2的电学器件21、泵浦源22及光学器件23。
[0040]
如图1所示，第二支架5可具体设置三个，并呈并排布置。每个第二支架5均可由第二连接柱51与金属固定板52组成，第二连接柱51的下端连接密封盒1的底端，第二连接柱51的上端连接金属固定板52的下边沿。其中，在第一个第二支架5上安装电学器件21，在第二个第二支架5上安装泵浦源22，在第三个第二支架5上安装光学器件23，光学器件23包括耦合器、光栅、剥模器等。
[0041]
优选地，如图1所示，本实施例中还包括：密封组件6，密封组件6安装于密封盒1的侧壁上，用于在光纤激光器2的光纤24的一端伸出密封盒1时，形成为光纤24与密封盒1之间的密封。
[0042]
具体的，如图3所示，本实施例所示的密封组件6包括：格兰头61与光纤保护套62；格兰头61固定于密封盒1的侧壁上，并套设于光纤保护套62的外侧壁上；光纤保护套62内用于插装光纤24，并用于通过密封胶63与光纤24密封连接。如此，通过设置密封组件6，在光纤24的一端伸出密封盒1时，不仅可在光纤24与密封盒1的侧壁之间形成可靠的密封，还可对光纤24形成有效的防护。
[0043]
由于格兰头61与光纤保护套62的外侧壁之间可实现较好的密封连接，从而在实际安装时，只需确保光纤24与光纤保护套62之间的密封性。如图3所示，在其中一个具体实施例中，可设置光纤保护套62为一体式管套，从而在光纤24从光纤保护套62内穿过时，可在光纤保护套62的两端直接填充密封胶63，以实现光纤24与光纤保护套62之间的密封连接。
[0044]
如图4所示，在另一个优选实施例中，可设置光纤保护套62为多个拼装件621沿周向拼装而成的组合件，在组合件内形成有用于与光纤24相适配的穿孔622。其中，拼装件621可具体设置两个，每个拼装件621的横截面均呈半圆形，在拼装件621的圆心部位开设有用于放置光纤24的凹槽，从而在将光纤24嵌入至其中一个凹槽中后，可将两个半圆形的拼装件621对应拼装，光纤24即被限制于两个凹槽拼装而成的穿孔622中，接着，只需通过螺丝连接或卡箍连接的方式将两个拼装件621紧固为一体即可。
[0045]
最后应指出的是，本实施例还可在密封盒1内设置温度传感器、液位传感器及压力传感器，以便通过温度传感器实时监测光纤激光器的表面温度，通过液位传感器监测液态的相变工质的液位，确保光纤激光器始终浸没于液态的相变工质中，同时还通过压力传感器监测密封盒1内的气压，以在确保本实施例所示的散热装置运行安全性与可靠性的基础上，进一步确保光纤激光器的各个部件热量散热的均匀性。
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综上所示，本实施例所示的光纤激光器的两相浸没式散热装置具有如下有益效果：
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(1)本实施例基于两相浸没式散热方案，可根据光纤激光器的发热温度规格，适应性地选用低沸点易挥发的相变工质，根据相变工质直接与光纤激光器的表面接触，并通过往复的相变过程大量地带走光纤激光器表面的热量，不仅导热效率高，而且可实现对光纤激光器的高效散热。
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(2)本实施例可以利用相变工质在发生相变时温度保持不变的特性，控制光纤激光器的表面温度维持在预设的温度范围内，确保光纤激光器表面的温度不受环境温度和冷却水温度的影响。
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(3)传统的风冷和间接水冷的散热方式均会因流道布局的限制和流道上、下游的温差，导致不同位置的光纤散热能力不同，相对而言，本实施例所示的浸没在液态相变工质中的光纤激光器的表面散热能力相同，可以有效防止光纤激光器的局部温度过高，确保光纤激光器相应的光纤的表面温度更加均匀。
[0050]
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。