激光设备及其冷却系统的制作方法

激光设备及其冷却系统
【技术领域】
1.本实用新型实施例涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种激光设备及其冷却系统。


背景技术：

2.近年，随着国家工业发展越来越快，越来越多的光纤激光器厂商开始投入先进技术/充足资金，开发出更多、更高功率的多模块连续光纤激光器。现有激光器的内部的冷却大多还是采用水冷方式。由于水冷散热必须通过水冷机和水箱来持续循环冷却水给水冷板散热，并且目前水冷机和水箱大多采用外置于激光器外的形式，导致激光器的必须固定放置，无法移动，并且会增加激光器的体积和占用空间。
3.申请号为“cn201020643230.7”，专利名称为“yag激光器一体化双循环冷却装置”的中国专利中，公开了一种yag激光器一体化双循环冷却装置，包括：冷凝器，给冷凝器散热的风扇，空气压缩机，螺旋式蒸发器，第一毛细管，储水箱，水泵，激光器；其中，冷凝器和风扇，及空气压缩机、螺旋式蒸发器、第一毛细管组成一套外循环冷却系统；储水箱和水泵，激光器组成一套内循环冷却系统；外循环冷却系统用于对内循环冷却系统中的内循环水进行冷却，内循环冷却系统中的内循环水用于对激光器进行冷却。将内循环冷却系统和外循环冷却系统集成为一体化结构，安装在激光设备中，并将制冷控制和激光器控制集成到一起，实现了激光设备一体化、小型化。
4.但是，本专利中一体化双循环冷却装置只适用于中小功率激光器，并且冷却模式为通过外循环冷却系统用于对内循环冷却系统中的内循环水进行冷却，内循环冷却系统中的内循环水用于对激光器进行冷却；冷却模式单一，并且此种冷却模式只采用水冷给激光器散热，冷却效率低的问题，随着激光器功率的提升，冷水机的体积重量及功耗就必须加大，才能满足激光器散热的需求；同时冷水板的单位面积的热传导效率无法满足激光器的泵浦源高密度热量传导的需求，从而导致实际泵浦的温度偏高，而无法保证泵浦源电光转换的波长一定性。在高温状况下，激光器的效率偏低或停止工作。


技术实现要素：

5.本实用新型实施例旨在提供一种激光设备的冷却系统，冷却系统可在多个工作模式下运行，通过冷媒制冷系统的冷媒板给激光模块散热，并与水冷系统进行热交换，通过水冷系统给激光加工头进行散热，提高了冷却散热的效率。
6.本实用新型解决其技术问题采用以下技术方案：
7.一种激光设备的冷却系统，包括激光模块、主控模块、压缩机、冷凝器、冷媒板、换热装置、水泵、水箱及激光加工头；
8.所述冷媒板密封的设于所述激光模块内，所述换热装置设于所述水箱内，所述压缩机、冷凝器、冷媒板及换热装置通过第一管道串联形成第一冷却回路；
9.所述激光加工头内设有冷却水道，所述水泵、水箱及所述激光加工头通过第二管
道串联形成第二冷却回路；
10.所述冷却系统还包括第一旁通装置，所述第一旁通装置通过第三管道接入在所述第一冷却回路上形成第一旁通支路，且所述第一旁通装置连接在所述压缩机的输出端上。
11.作为优选方案，所述第一旁通装置为板式换热器，所述板式换热器设有第一输入口和第一输出口，以及第二输入口和第二输出口；
12.所述第一输入口和第一输出口通过所述第三管道分别与所述压缩机的输出端和所述冷凝器的输入端连接，形成所述第一旁通支路，所述压缩机的输出端和所述冷凝器的输入端之间的第一管道上还设有第一电磁阀；
13.所述第二输入口和第二输出口通过所述第一管道分别与所述冷媒板的输出端和所述换热装置的输入端连接。
14.作为优选方案，所述第一旁通装置为第一毛细管，所述第一毛细管的两端通过所述第三管道分别与所述压缩机的输出端和所述换热装置的输入端连接，形成所述第一旁通支路，所述第一旁通支路上还设有第二电磁阀。
15.作为优选方案，所述冷却系统还包括膨胀阀，所述膨胀阀串联在所述冷凝器与所述冷媒板之间，所述膨胀阀与所述主控模块电连接。
16.作为优选方案，所述冷媒冷却系统还包括储液罐，所述储液罐串联在所述冷凝器与所述冷媒板之间。
17.作为优选方案，所述冷却系统还包括第二旁通装置，所述第二旁通装置通过第三管道并联在所述冷凝器的输入端和输出端上，形成第二旁通支路，所述第二旁通支路上还设有第三电磁阀。
18.作为优选方案，所述第二旁通装置为第二毛细管，所述第二毛细管的两端通过第三管道分别与所述冷凝器的输入端和输出端连接。
19.作为优选方案，所述压缩机的输入端及输出端分别设有第一压力传感器及第二压力传感器，所述第一压力传感器及第二压力传感器均与所述主控模块电连接。
20.作为优选方案，所述冷媒板及水箱内分别设有第一温度传感器及第二温度传感器，所述第一温度传感器及第二温度传感器均与所述主控模块电连接。
21.本实用新型还提供了一种激光设备，包括上述任一方案的冷却系统，其中，所述主控模块、压缩机、冷凝器、风机、水泵及水箱均设置于所述激光设备的机柜内。
22.本实用新型的有益效果是：冷却系统的第一冷却回路采用冷媒直冷与第二冷却回路采用水冷，两种冷却方案相结合，实现多种工作模式，通过冷媒板给激光模块冷却散热，相较于传统的水冷方案，制冷效率更高，制冷温度更低，可快速带走激光模块内部产生的热量，散热效率较高；冷媒冷却系统提供的冷媒在给激光模块冷却散热，同时还可以给水冷系统的冷却水进行冷却散热，提高了冷却系统的冷却效率，简化了冷却系统的结构布局。
23.并且，冷却系统内设置了第一旁通支路，解决了当激光设备切换至正常工作状态运行，或高负荷状态运行时，压缩机和风机在原有频率的基础上，能够快速升高至与激光设备高负荷工作时相匹配的频率。从而缩短了压缩机变频的匹配时间，提高了激光设备高负载运行时，压缩机的频率匹配速度。
【附图说明】
24.一个或多个实施例通过与之对应的附图进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
25.图1为本实用新型一实施例的激光设备的机柜的示意图；
26.图2为本实用新型一实施例的激光设备的冷却系统原理示意图；
27.图3为本实用新型另一实施例的激光设备的冷却系统原理示意图；
28.图4为本实用新型另一实施例的激光设备的冷却系统原理示意图；
29.图5为本实用新型另一实施例的激光设备的冷却系统原理示意图；
30.图6为本实用新型一实施例的激光设备的冷却系统的控制模块的系统图。
【具体实施方式】
31.为了便于理解本实用新型，下面结合附图和具体实施例，对本实用新型进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”/“固接于”/“安装于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“内”、“外”以及类似的表述只是为了说明的目的。
32.除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本实用新型。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
33.此外，下面所描述的本实用新型不同实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
34.结合图1至图5所示，本实用新型实施例提供了一种激光设备的冷却系统，其中，该激光设备包括机柜1、激光加工头2、激光模块3及冷却系统；其中，激光模块3、冷却系统均设置在机柜1内，以实现冷却系统及激光模块3的一体化设计布局。
35.其中，冷却系统包括激光模块3、主控模块(未标示)、压缩机5、冷凝器6及密封的设置于激光模块3内的冷媒板7和给冷凝器6冷却散热的风机8形成的冷媒制冷系统。所述的压缩机5为变频压缩机，所述的风机8为变频ec风机。
36.以及，以水泵9、水箱10及设置于激光加工头2内的冷却水道形成的水冷系统；水箱10内设有换热装置(未标示)，冷媒制冷系统与水冷系统通过水箱10内的换热装置进行热交换，通过冷媒制冷系统制取的冷媒给水箱10内的冷却水进行冷却散热。
37.机柜1的内部被分隔成独立的第一容纳室101及第二容纳室102，主控模块、压缩机5、冷凝器6、风机8、水泵9及水箱10均设置在第一容纳室101内，激光模块3设置在第二容纳室102内。由于第一容纳室101及第二容纳室102两者为独立空间，从而实现将主控模块与激光模块3分离设计，以利于对激光模块3及主控模块采用不同的冷却方案进行单独冷却。
38.具体的，冷媒板7密封的设于所述激光模块3内，所述换热装置设于所述水箱10内，所述压缩机5、冷凝器6、冷媒板7及换热装置通过第一管道(未标示)串联形成第一冷却回
路。
39.所述激光加工头2内设有冷却水道，所述水泵9、水箱10及所述激光加工头2通过第二管道(未标示)串联形成第二冷却回路。
40.所述冷却系统还包括第一旁通装置，所述第一旁通装置通过第三管道(未标示)接入在所述第一冷却回路上形成第一旁通支路，且所述第一旁通装置连接在所述压缩机5的输出端上。
41.如图2所示，图中箭头所指方向为冷却介质流动的方向，冷却介质包括冷媒及冷却水，第一旁通装置为板式换热器11，所述板式换热器11设有第一输入口和第一输出口，以及第二输入口和第二输出口。
42.所述板式换热器11的第一输入口和第一输出口通过所述第三管道分别与压缩机5的输出端和冷凝器6的输入端连接，形成所述第一旁通支路，压缩机5的输出端和冷凝器6的输入端之间的第一管道上还设有第一电磁阀12。
43.所述板式换热器11的第二输入口和第二输出口通过所述第一管道分别与所述冷媒板7的输出端和所述换热装置的输入端连接。
44.在激光设备处于正常工作状态下，主控模块控制第一电磁阀12打开，此时，整个第一旁通支路被短路，使得冷媒在第一冷却回路中循环。压缩机5为变频压缩机，压缩机5工作以压缩冷媒，使其变成高温高压气体冷媒，高温高压气体冷媒沿着第一管道流过冷凝器6，通过冷凝器6和风机8与环境进行热交换，使高温高压的气体冷媒变成低温低压的液体冷媒，低温低压的液体冷媒流过冷媒板7，通过冷媒板7给激光模块3内的发热元件散热，之后从冷媒板7流出的低温低压液体冷媒再流经水箱10内的换热装置，换热装置例如可以是盘式换热器，通过换热装置与水箱10内的冷却水进行热交换，以给水箱10内的冷却水进行冷却散热，最后从换热装置内流出的液体冷媒再次流回压缩机5内，被压缩机5再次压缩，如此往复循环。
45.而水箱10内的冷却水通过水泵9提供动力，使冷却水在第二冷却回路中循环，冷却水从水箱10内流出沿着第二管道流入到激光加工头2内的冷却水道，以给激光加工头2进行冷却散热，之后冷却水从激光加工头2内的冷却水道流出，通过第二管道流回水箱10，如此往复循环。
46.优选的，冷却系统还包括膨胀阀13，该膨胀阀13接入到第一冷却系统中，并串联在冷凝器6和冷媒板7之间，该膨胀阀13与主控模块电连接。膨胀阀13根据主控模块的控制指令，对从冷凝器6流出的冷媒进行节流，使冷媒变成低温低压的液体冷媒流入冷媒板7给激光模块3进行冷却散热。
47.优选的，冷却系统还包括储液罐14，该储液罐14接入到第一冷却系统中，并串联在冷凝器6和冷媒板7之间，储液罐14用于储存从冷凝器6中流出的多余的低温低压冷媒。例如，激光设备在冬天的时候运行，此时室外温度较低，冷却系统内产生的冷媒过剩，此时便可以将多余的低温低压冷媒储存在储液罐14内。
48.当激光设备处于待机状态或低负荷状态运行时，主控模块控制第一电磁阀12关闭，此时第一旁通支路被接通，第一旁通装置(板式换热器11)被第三管道串联接入第一冷却回路中，从压缩机5中流出的高温高压的气体冷媒，通过第三管道先流入到第一旁通装置(板式换热器11)，高温高压的气体冷媒在板式换热器11内与从冷媒板7内流出的低温低压
的液体冷媒进行热交换，之后从板式换热器11内流出后，再流入到冷凝器6。
49.高温高压的气体冷媒通过冷凝器6和风机8与环境进行热交换，使高温高压的气体冷媒变成低温低压的液体冷媒，低温低压的液体冷媒流过冷媒板7，通过冷媒板7给激光模块3内的发热元件散热，之后从冷媒板7流出的低温低压液体冷媒再流经水箱10内的换热装置，换热装置例如可以是盘式换热器，通过换热装置与水箱10内的冷却水进行热交换，以给水箱10内的冷却水进行冷却散热，最后从换热装置内流出的液体冷媒再次流回压缩机5内，被压缩机5再次压缩，如此往复循环。
50.由于激光设备处于待机状态或低负荷状态运行时，第一旁通支路被接通，第一旁通支路内的第一旁通装置(板式换热器11)运行会增加压缩机5及风机8的工作负荷，使压缩机5及风机8的频率升高，并维持在一定的频率范围内。这样当激光设备切换至正常工作状态运行，或高负荷状态运行时，压缩机5和风机8在原有频率的基础上，能够快速升高至与激光设备高负荷工作时相匹配的频率。从而缩短了压缩机5变频的匹配时间，提高了激光设备高负载运行时，压缩机5的频率匹配速度。
51.如图3所示，在其他实施例中，第一旁通装置还可为第一毛细管15，所述第一毛细管15的两端通过所述第三管道分别与所述压缩机5的输出端和所述换热装置的输入端连接，形成所述第一旁通支路，所述第一旁通支路上还设有第二电磁阀16。
52.在激光设备处于正常工作状态下，主控模块控制第二电磁阀16关闭，此时，整个第一旁通支路被短路，使得冷媒在第一冷却回路中循环。压缩机5为变频压缩机，压缩机5工作以压缩冷媒，使其变成高温高压气体冷媒，高温高压气体冷媒沿着第一管道流过冷凝器6，通过冷凝器6和风机8与环境进行热交换，使高温高压的气体冷媒变成低温低压的液体冷媒，低温低压的液体冷媒流过冷媒板7，通过冷媒板7给激光模块3内的发热元件散热，之后从冷媒板7流出的低温低压液体冷媒再流经水箱10内的换热装置，换热装置例如可以是盘式换热器，通过换热装置与水箱10内的冷却水进行热交换，以给水箱10内的冷却水进行冷却散热，最后从换热装置内流出的液体冷媒再次流回压缩机5内，被压缩机5再次压缩，如此往复循环。
53.当激光设备处于待机状态或低负荷状态运行时，主控模块控制第二电磁阀16打开，此时第一旁通支路被接通，从压缩机5中流出的高温高压的气体冷媒，分成两路，其中一路的高温高压的气体冷媒通过冷凝器6和风机8与环境进行热交换，使高温高压的气体冷媒变成低温低压的液体冷媒，低温低压的液体冷媒流过冷媒板7，通过冷媒板7给激光模块3内的发热元件散热，之后从冷媒板7流出的低温低压液体冷媒再流经水箱10内的换热装置，换热装置例如可以是盘式换热器，通过换热装置与水箱10内的冷却水进行热交换，以给水箱10内的冷却水进行冷却散热，最后从换热装置内流出的液体冷媒再次流回压缩机5内，被压缩机5再次压缩，如此往复循环。另外一路的高温高压的气体冷媒流入第一旁通支路，从第一旁通装置(第一毛细管15)流回到水箱10内的换热装置。
54.由于激光设备处于待机状态或低负荷状态运行时，第一旁通支路被接通，第一旁通支路内的第一旁通装置(第一毛细管15)运行会增加压缩机5及风机8的工作负荷，使压缩机5及风机8的频率升高，并维持在一定的频率范围内。这样当激光设备切换至正常工作状态运行，或高负荷状态运行时，压缩机5和风机8在原有频率的基础上，能够快速升高至与激光设备高负荷工作时相匹配的频率。从而缩短了压缩机5变频的匹配时间，提高了激光设备
高负载运行时，压缩机5的频率匹配速度。
55.结合图4及图5所示，冷却系统还包括第二旁通装置，第二旁通装置通过第三管道并联在冷凝器6的输入端和输出端上，形成第二旁通支路，第二旁通支路上还设有第三电磁阀25。
56.优选的，第二旁通装置为第二毛细管24，第二毛细管24的两端通过第三管道分别与冷凝器6的输入端和输出端连接。
57.当激光设备处于低温及超低温环境(例如-20℃至5℃的环境)下运行时，第三电磁阀25打开，第一冷却回路内从压缩机5内输出的高温高压的气体冷媒一部分会通过打开的第三电磁阀25流入第二旁通支路，经过第二旁通装置(第二毛细管24)的节流后，再流回第一冷却回路中与从冷凝器6中流出的低温低压的液体冷媒汇合，再流经储液罐14及膨胀阀13后，流入冷媒板7，最终流回压缩机5，如此反复循环。从而小幅提升第一冷却回路中低温低压的液体冷媒温度，从而可以解决冷凝器6受到低温及超低温环境影响，冷凝器6的冷却过剩，导致风机8启停频繁，使冷却系统冷凝温度不稳定，导致冷却系统内的压力波动较大的问题。
58.上述实施例中，第一管道和第三管道均为铜管或铝管，第二管道为可用于输送冷却水的塑料管。
59.此外，可以在冷媒板7的输入端及输出端分别设置第四电磁阀17及第五电磁阀18，通过主控模块控制第四电磁阀17及第五电磁阀18的启闭，来控制冷媒流入或流出冷媒板7的时机，实现冷媒在第一冷却回路中流动的可控性。
60.如图6所示，其中，主控模块包括激光器主控制板41、冷却系统控制板42、供电模块43及泵浦源驱动器44及压缩机驱动器45，激光器主控制板41分别与冷却系统控制板42、供电模块43及泵浦源驱动器44电连接，冷却系统控制板42与压缩机驱动器45电连接。激光器主控制板41作为激光器的主控中心，用于控制冷却系统及激光模块3的正常运转工作，其中，压缩机5、风机8、水泵9、第一电磁阀12、第二电磁阀16、第三电磁阀25、第四电磁阀17及第五电磁阀18均与冷却系统控制板42电连接，冷却系统控制板42用于接收激光器主控制板41的控制指令，控制冷却系统的运行。
61.控制模块将控制激光器运行的所有控制器件，集成在一个控制盒内，通过激光器主控制板42统一控制冷却系统及激光模块3运行，提高了激光器控制的集成性，有利于优化激光器的控制布局，简化激光器的内部结构，减小激光器的体积。同时，将控制模块的集成设计，也便于控制模块的维护及装配。
62.如图2所示，在冷媒冷却系统中，冷媒板7与冷凝器6之间连接有膨胀阀13，膨胀阀13同样与冷却系统控制板42电连接。膨胀阀13根据冷却系统控制板42的控制指令，对从冷凝器6流出的冷媒进行节流，使冷媒变成低温低压的液体冷媒流入冷媒板7给激光模块3进行冷却散热。
63.压缩机5的输入端及输出端分别设有第一压力传感器19及第二压力传感器20，第一压力传感器19及第二压力传感器20均与冷却系统控制板42电连接。本实施例中压缩机5为变频压缩机，第一压力传感器19及第二压力传感器20实时将采集的压力数据反馈给冷却系统控制板42，冷却系统控制板42根据反馈的数据，发出控制指令给压缩机5，使压缩机5按照指令工作维持冷却系统的压力，以保证冷媒制冷系统能够按照激光器的工作状态，提供
符合要求的制冷条件。
64.此外，冷媒板7上设有第一温度传感器21，第一温度传感器21与激光器主控制板41电连接，水箱10内设有第二温度传感器22，第二温度传感器21与冷却系统控制板42电连接。第一温度传感器21用于实时监测冷媒板7的温度，并将温度数据反馈给激光器主控制板41，激光器主控制板41根据接受的温度数据，发出控制指令给冷却系统控制板42，冷却系统控制板42根据接收的控制指令，分别发出执行指令给压缩机5及风机8工作，以使冷媒冷却系统中的循环的冷媒温度符合激光模块3的冷却散热要求，实现冷媒温度的自动调节。
65.同理，第二温度传感器22用于实施监测水箱10内的冷却水的温度，并将温度数据反馈给冷却系统控制板42，冷却系统控制板42根据接受的温度数据，分别发出执行指令给压缩机5及风机8工作，以使换热装置与水箱10内的冷却水进行热交换后，水冷系统中的循环的冷却水温度符合激光加工头2的冷却散热要求，实现冷却水温度的自动调节。
66.此外，水箱10内还设有加热装置23，加热装置23能够在冬天室外环境过低的时候，给水箱10内的冷却水进行预加热，避免因水箱10内的冷却水温度过低而结冰，或导致激光加工头2发生凝露问题。
67.本实用新型还提供了一种激光设备，包括机柜1及上述任一方案所述的冷却系统，其中，所述主控模块、压缩机5、冷凝器6、风机8、水泵9及水箱10均设置于所述激光设备的机柜1内。
68.综上总结，本实用新型的有益效果是：
69.1、将冷却系统、激光模块、控制模块集成设置在机柜内，实现了激光设备的冷却一体化设计，减小了激光设备的总体积、重量及占用空间，提高了激光设备的可移动性。
70.2、冷却系统采用冷媒直冷系统与水冷系统两种方案结合，实现多种工作模式，通过冷媒板给激光模块冷却散热，相较于传统的水冷方案，制冷效率更高，制冷温度更低，可快速带走激光模块内部产生的热量，散热效率较高；冷媒冷却系统提供的冷媒在给激光模块冷却散热，同时还可以给水冷系统的冷却水进行冷却散热，提高了冷却系统的冷却效率，简化了冷却系统的结构布局。
71.3、冷却系统可通过主控模块实现智能化冷却控制，使冷却系统在不同的工作模式下自由切换适应不同场景的冷却需求，还可根据激光模块及水箱实时监测的温度，适应性调节压缩机、风机等的运转，提供符合要求的冷却环境和温度。
72.4、冷媒板设置在密封的激光模块内，使激光器内部的光路模块更不容易接触外部环境，避免了凝露的现象发生。
73.5、激光模块采用了冷媒板直接冷却，使激光模块的外部接口更少，更容易进行密封处理，密封性更高。
74.6、冷却系统内设置了第一旁通支路，解决了当激光设备切换至正常工作状态运行，或高负荷状态运行时，压缩机和风机在原有频率的基础上，能够快速升高至与激光设备高负荷工作时相匹配的频率。从而缩短了压缩机变频的匹配时间，提高了激光设备高负载运行时，压缩机的频率匹配速度。
75.最后应说明的是：以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；在本实用新型的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本实用新型的不同方面的许多其它变化，为
了简明，它们没有在细节中提供；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范围。