基於噴霧汽化的大功率雷射器熱管理裝置及方法
2023-10-29 07:43:12 1
基於噴霧汽化的大功率雷射器熱管理裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於噴霧汽化的大功率雷射器熱管理裝置及方法，熱管理裝置包括裝設於雷射器熱沉上的高壓噴霧室，高壓噴霧室內設有噴霧嘴陣列和氣壓傳感器，且高壓噴霧室與一過渡室相鄰，過渡室通過高壓電動泵與高壓儲液罐相連，高壓噴霧室底部的霧液回聚區通過高壓電動泵與過渡室相連，高壓噴霧室還與一排氣管相連，排氣管上設有洩壓閥。熱管理方法是利用熱管理裝置實現的，該方法通過維持高壓噴霧室內氣體製冷劑的壓力恆定從而維持溫度恆定以實現對雷射器熱沉的恆溫控制。本發明的裝置結構簡單可靠、緊湊度高、控溫準確、且運行穩定，本發明的方法簡單易行、效率高、且對環境友好。
【專利說明】基於噴霧汽化的大功率雷射器熱管理裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於雷射器的熱管理領域，涉及緊湊化的大功率固態雷射器的熱管理技術，尤其涉及基於噴霧汽化的大功率雷射器熱管理裝置及方法。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著二極體雷射器(LD)的研究成果逐漸轉為實際應用及其商業化大規模生產，二極體雷射器的可靠性和性價比均得到了大幅提高。由於二極體雷射器具有結構緊湊、電效率高及可模塊化等諸多有利於系統集成的優點，二極體雷射器已成為多種高能雷射器系統如光纖雷射器、光泵固體雷射器、二極體泵浦鹼金屬蒸氣雷射器等的優選泵浦源。
[0003]目前，泵浦雷射二極體陣列的電-光轉換效率雖然達到約50%，但仍有大量的廢熱需要處理和散掉以便於維持系統的後續正常運轉。例如，以稀土摻雜光纖作為雷射介質的光纖雷射器，每一種介質對應有一個比較高的吸收峰(對應高的量子效率)，因此，要求泵浦光具有相應的光譜範圍，一個976nm泵浦產生1080nm雷射的光纖雷射器，其吸收峰位於976±3nm，而某型號的泵浦LD陣列的中心波長溫度係數為0.32nm/°C。維持泵浦源的恆定工作溫度對系統的總體效率有著至關重要的意義，也就是說，需要一個高效的熱管理系統來保證二極體雷射器的穩定工作，從而保證整個雷射器系統的高效、穩定工作。
[0004]現有的工業雷射系統如業界龍頭企業IPG photonics等生產的千瓦級以上光纖雷射器一般採用水冷系統，在熱流密度相對較低且對系統的機動性要求不高時，水冷散熱系統是比較實用的解決方案。但是，當熱流密度相對較高，如熱流密度超過20W/cm2，且又有較高的溫度均勻性(1°C以內)時，液體冷卻(如水冷)技術已無優勢，當熱流密度超過25W/cm2，且對系統的機動性要求高時，液體冷卻散熱在功耗、重量等方面已不具備優勢，水冷系統已經凸顯不足。
【發明內容】
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[0005]本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種結構簡單可靠、緊湊度高、控溫準確、且運行穩定的基於噴霧汽化的大功率雷射器熱管理裝置，還相應提供一種簡單易行、效率高、對環境友好的基於噴霧汽化的大功率雷射器熱管理方法。
[0006]為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是一種基於噴霧汽化的大功率雷射器熱管理裝置，所述大功率雷射器上設有一雷射器熱沉，所述熱管理裝置包括一裝設於所述雷射器熱沉上的高壓噴霧室，所述高壓噴霧室內設有用於將液體製冷劑轉化為霧狀液滴製冷劑並噴射於所述雷射器熱沉上的噴霧嘴陣列和一氣壓傳感器；所述高壓噴霧室與用於向所述噴霧嘴陣列提供所述液體製冷劑的過渡室相鄰，所述過渡室通過一高壓電動泵與用於儲存所述液體製冷劑的高壓儲液罐相連，所述高壓電動泵與所述高壓儲液罐之間的連接管道上設有第一單向閥；所述高壓噴霧室的底部設有一霧液回聚區，所述霧液回聚區內設有一液位傳感器，所述霧液回聚區通過所述高壓電動泵與所述過渡室相連，所述霧液回聚區與所述高壓電動泵之間的連接管道上設有第二單向閥；所述高壓噴霧室還與一排氣管相連，所述排氣管上設有用於使所述高壓噴霧室內壓力維持在一恆定壓力值的洩壓閥。
[0007]上述的熱管理裝置中，所述噴霧嘴陣列由薄金屬碟片疊加並通過擴散焊製成，所述噴霧嘴陣列上的噴孔直徑優選0.1mm?0.3mm。
[0008]上述的熱管理裝置中，所述薄金屬碟片的厚度優選0.0lmm?0.1mm。
[0009]上述的熱管理裝置中，所述高壓電動泵與所述過渡室之間設有一過濾器。
[0010]上述的熱管理裝置中，所述洩壓閥優選機械式洩壓閥或電磁式洩壓閥，機械式洩壓閥通過閥內壓縮彈簧控制，電磁式洩壓閥通過壓力測量反饋控制。
[0011]上述的熱管理方法中，所述高壓電動泵的增壓動力優選40?60個大氣壓。
[0012]上述的熱管理裝置中，所述排氣管的輸出端置於一吸收水桶內，並與所述吸收水桶內設置的多孔氣罩相連。
[0013]作為一個總的技術思路，本發明還提供了一種利用上述熱管理裝置實現的基於噴霧汽化的大功率雷射器熱管理方法，包括以下步驟:
[0014](I)打開熱管理裝置的第一單向閥，關閉第二單向閥，通過高壓電動泵將高壓儲液罐內的液體製冷劑抽取至過渡室，過渡室內的液體製冷劑通過高壓噴霧室的噴霧嘴陣列轉化為霧狀液滴製冷劑，霧狀液滴製冷劑進入高壓噴霧室後噴射於雷射器熱沉上，通過吸收雷射器熱沉上的廢熱發生部分汽化並使雷射器熱沉冷卻，所得氣體製冷劑不斷增大高壓噴霧室內的壓力並通過氣壓傳感器將壓力值反饋至洩壓閥，當高壓噴霧室內的壓力達到洩壓閥設定的氣體製冷劑飽和壓力時，洩壓閥開啟，由排氣管將過量的氣體製冷劑排出高壓噴霧室以維持高壓噴霧室內飽和壓力恆定，通過飽和壓力對應的恆定沸點實現對雷射器熱沉的恆溫控制，同時，未汽化的霧狀液滴製冷劑流向高壓噴霧室底部的霧液回聚區中，重新匯集形成液體製冷劑；
[0015](2)將霧液回聚區內的液位傳感器設定一高液位值和一低液位值，通過液位傳感器探測液體製冷劑的回聚量；在霧液回聚區內液體製冷劑的液位上升階段，當液位低於高液位值時，保持第一單向閥開啟和第二單向閥關閉，高壓儲液罐內的液體製冷劑通過高壓電動泵抽取至過渡室，當液位高於高液位值時，關閉第一單向閥，開啟第二單向閥，高壓電動泵停止抽取高壓儲液罐內的液體製冷劑，切換為抽取霧液回聚區內的液體製冷劑送至過渡室；在霧液回聚區內液體製冷劑的液位下降階段，當液位低於高液位值且高於低液位值時，保持第一單向閥關閉和第二單向閥開啟，霧液回聚區內的液體製冷劑通過高壓電動泵抽取至過渡室，當液位低於低液位值時，開啟第一單向閥，關閉第二單向閥，高壓電動泵停止抽取霧液回聚區內的液體製冷劑，切換為抽取高壓儲液罐內的液體製冷劑送至過渡室；
[0016](3)上述步驟(I)和步驟(2)的過程在熱管理裝置工作的全過程中持續進行。
[0017]上述的熱管理方法中，所述液體製冷劑優選液氨。
[0018]上述的熱管理方法中，所述排氣管將過量的氣體製冷劑排放至吸收水桶的多孔氣罩內由吸收水桶內的水充分吸收。
[0019]為保證雷射器系統的總體效率和質量，泵浦源LD陣列對工作溫度有較高的要求，熱管理系統必須具備維持泵浦源的恆定工作溫度範圍的能力。利用噴霧汽化冷卻具有過熱度小的優點，選用合適的製冷劑和科學的系統結構設計來實現該溫度控制。
[0020]在本發明中，製冷劑的選取主要從沸點、汽化熱及毒性(安全性)三個方面考慮，在大量的純淨物中進行篩選。根據雷射器的工作要求，製冷劑的沸點要低於二極體雷射器的工作溫度。在標準大氣壓下，一氟三氯甲烷(R-1l)的沸點是23.7°C，R-1l的汽化熱為182.04kJ/kg，汽化熱小，且對大氣臭氧層有破壞力，其他氟利昂都具有類似缺點。環氧乙烷的沸點是10.3°C，乙胺的沸點是16.5°C，無機物三氯化硼的沸點是12.5°C，都是劇毒物質，人員的安全防護問題非常突出，因此不選用。
[0021]本發明選取液氨作為製冷劑，飽和液氨與飽和氨蒸汽的熱物理性質如表I所示。
[0022]表I飽和液氨與飽和氨蒸汽熱物理性質
[0023]
【權利要求】
1.一種基於噴霧汽化的大功率雷射器熱管理裝置，所述大功率雷射器上設有一雷射器熱沉(8 )，其特徵在於，所述熱管理裝置包括一裝設於所述雷射器熱沉(8 )上的高壓噴霧室(9)，所述高壓噴霧室(9)內設有用於將液體製冷劑轉化為霧狀液滴製冷劑並噴射於所述雷射器熱沉(8)上的噴霧嘴陣列(7)和一氣壓傳感器(13);所述高壓噴霧室(9)與用於向所述噴霧嘴陣列(7)提供所述液體製冷劑的過渡室(6)相鄰，所述過渡室(6)通過一高壓電動泵(I)與用於儲存所述液體製冷劑的高壓儲液罐(4 )相連，所述高壓電動泵(I)與所述高壓儲液罐(4)之間的連接管道上設有第一單向閥(2);所述高壓噴霧室(9)的底部設有一霧液回聚區(11)，所述霧液回聚區(11)內設有一液位傳感器(12)，所述霧液回聚區(11)通過所述高壓電動泵(I)與所述過渡室(6 )相連，所述霧液回聚區(11)與所述高壓電動泵(I)之間的連接管道上設有第二單向閥(3);所述高壓噴霧室(9)還與一排氣管(14)相連，所述排氣管(14)上設有用於使所述高壓噴霧室(9)內壓力維持在一恆定壓力值的洩壓閥(10)。
2.根據權利要求1所述的熱管理裝置，其特徵在於，所述噴霧嘴陣列(7)由薄金屬碟片(19)疊加並通過擴散焊製成，所述噴霧嘴陣列(7)上的噴孔(17)直徑為0.1mm?0.3mm。
3.根據權利要求2所述的熱管理裝置，其特徵在於，所述薄金屬碟片(19)的厚度為0.0lmm ?0.1mm0
4.根據權利要求1所述的熱管理裝置，其特徵在於，所述高壓電動泵(I)與所述過渡室(6)之間設有一過濾器(5)。
5.根據權利要求1?4中任一項所述的熱管理裝置，其特徵在於，所述洩壓閥(10)為機械式洩壓閥或電磁式洩壓閥。
6.根據權利要求1?4中任一項所述的熱管理裝置，其特徵在於，所述高壓電動泵(I)的增壓動力為40?60個大氣壓。
7.根據權利要求1?4中任一項所述的熱管理裝置，其特徵在於，所述排氣管(14)的輸出端置於一吸收水桶(15)內，並與所述吸收水桶(15)內設置的多孔氣罩(16)相連。
8.一種利用權利要求1?7中任一項所述的熱管理裝置實現的基於噴霧汽化的大功率雷射器熱管理方法，包括以下步驟: (1)打開熱管理裝置的第一單向閥，關閉第二單向閥，通過高壓電動泵將高壓儲液罐內的液體製冷劑抽取至過渡室，過渡室內的液體製冷劑通過高壓噴霧室的噴霧嘴陣列轉化為霧狀液滴製冷劑，霧狀液滴製冷劑進入高壓噴霧室後噴射於雷射器熱沉上，通過吸收雷射器熱沉上的廢熱發生部分汽化並使雷射器熱沉冷卻，所得氣體製冷劑不斷增大高壓噴霧室內的壓力並通過氣壓傳感器將壓力值反饋至洩壓閥，當高壓噴霧室內的壓力達到洩壓閥設定的氣體製冷劑飽和壓力時，洩壓閥開啟，由排氣管將過量的氣體製冷劑排出高壓噴霧室以維持高壓噴霧室內飽和壓力恆定，通過飽和壓力對應的恆定沸點實現對雷射器熱沉的恆溫控制，同時，未汽化的霧狀液滴製冷劑流向高壓噴霧室底部的霧液回聚區中，重新匯集形成液體製冷劑； (2)將霧液回聚區內的液位傳感器設定一高液位值和一低液位值，通過液位傳感器探測液體製冷劑的回聚量；在霧液回聚區內液體製冷劑的液位上升階段，當液位低於高液位值時，保持第一單向閥開啟和第二單向閥關閉，高壓儲液罐內的液體製冷劑通過高壓電動泵抽取至過渡室，當液位高於高液位值時，關閉第一單向閥，開啟第二單向閥，高壓電動泵停止抽取高壓儲液罐內的液體製冷劑，切換為抽取霧液回聚區內的液體製冷劑送至過渡室；在霧液回聚區內液體製冷劑的液位下降階段，當液位低於高液位值且高於低液位值時，保持第一單向閥關閉和第二單向閥開啟，霧液回聚區內的液體製冷劑通過高壓電動泵抽取至過渡室，當液位低於低液位值時，開啟第一單向閥，關閉第二單向閥，高壓電動泵停止抽取霧液回聚區內的液體製冷劑，切換為抽取高壓儲液罐內的液體製冷劑送至過渡室； (3)上述步驟(I)和步驟(2)的過程在熱管理裝置工作的全過程中持續進行。
9.根據權利要求8所述的熱管理方法，其特徵在於，所述液體製冷劑為液氨。
10.根據權利要求8或9所述的熱管理方法，其特徵在於，所述排氣管將過量的氣體製冷劑排放至吸收水桶的多 孔氣罩內由吸收水桶內的水充分吸收。
【文檔編號】H01S3/042GK103441422SQ201310389151
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月30日 優先權日:2013年8月30日
【發明者】李文煜, 許曉軍, 羅劍峰, 馬閻星, 陳金寶 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學