高功率光纤激光器一体化相变蓄冷热沉

技术领域

本发明属于光纤激光器热管理设备技术领域，特别涉及一种高功率光纤激光器一体化相变蓄冷热沉。

背景技术

高功率光纤激光器以其光束质量好、效率高、使用方便等多种优势获得了广泛应用。当前，高功率光纤激光器的电光效率大多在30％左右，普遍采用工业水冷机的方式进行散热。随着激光输出功率的提升，水冷机的体积重量和功耗也越来越大，给某些机动应用带来了不便。

因此，在保证散热效果的同时体积小、重量轻、便于机动应用的光纤激光器热管理装置是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种高功率光纤激光器一体化相变蓄冷热沉，可保障光纤激光器连续工作一定时长，体积小、重量轻、无功耗，便于机动应用，在高压线路除障、野外激光加工等领域中具有广阔的应用前景。

为实现上述技术目的，本发明提出的技术方案为：

高功率光纤激光器一体化相变蓄冷热沉，包括热沉本体，所述热沉本体内设有热沉腔体，所述热沉腔体内设置有导热骨架，导热骨架内部设有散热件且散热件伸出热沉本体之外，所述热沉腔体内填充有相变材料。

作为本发明的进一步改进，所述导热骨架为高导热金属或石墨材料制成的网状结构骨架。所述导热骨架的上下侧面紧贴热沉腔体的上、下侧面。所述导热骨架用于提升相变材料的导热系数。

作为本发明的进一步改进，所述热沉本体采用铝、铜等高导热系数金属材料加工而成。热沉本体的上、下侧面作为高功率光纤激光器其待散热激光器件的安装平台，如用于安装高功率光纤激光器中的泵浦LD、增益光纤、合束器等待散热激光器件。热沉本体的上、下侧面可根据需要加工螺纹孔、光纤槽等待散热激光器件的安装定位结构。热沉本体的侧面预设有相变材料加注口和散热件穿出孔，用于加注相变材料以及散热件的伸出。

热沉本体其热沉腔体的高度(即热沉腔体其上、下侧面之间的高度)需要确保热沉腔体内的相变材料体积满足高功率光纤激光器的散热需求，可根据下式求得：

其中，h为热沉腔体的高度，P为高功率光纤激光器的散热功率，t为高功率光纤激光器所需的工作时长，M为相变材料的相变潜热，ρ

作为本发明的进一步改进，所述相变材料为相变点合适的各种高相变潜热物质，比如石蜡、镓基液态金属、无机盐溶液等。相变材料的相变点应在高功率光纤激光器其待散热激光器件所需的温度范围内，不腐蚀热沉腔体、导热骨架和散热件。相变材料的重量可根据所需的散热量和相变材料的相变潜热而定，确保在高功率光纤激光器的工作时间满足要求。

作为本发明的进一步改进，所述散热件为平板热管，一块以上的平板热管的一端插入导热骨架内部，与导热骨架紧密贴合，另一端分别从对应的散热件穿出孔伸出热沉本体之外，用于安装制冷设备。制冷设备可以是带散热片的TEC制冷片、水冷热沉等，平板热管的工作温度应低于相变材料的相变点温度。

作为本发明的进一步改进，所述散热件为盘绕在导热骨架内部的金属盘管，金属盘管的两端头分别从对应的散热件穿出孔伸出热沉本体之外，用于安装制冷设备，制冷设备向金属盘管内注入冷媒，冷媒在金属盘管中循环流动，带走相变材料中的热量，金属盘管中冷媒的工作温度应低于相变材料的相变点温度。在金属盘管的盘绕方式不限，使得金属盘管均匀分布在导热骨架内部即可。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明提供一种高功率光纤激光器一体化相变蓄冷热沉,用于高功率光纤激光器的散热管理，可大幅降低热管理系统的体积重量和功耗，为高功率光纤激光器的机动便携应用提供了方便。

附图说明

图1为本发明优选实施例一的外形结构示意图；

图2为本发明优选实施例一的纵向剖面示意图；

图3为本发明优选实施例一的横向剖面示意图；

图4为本发明优选实施例二的外形结构示意图；

图5为本发明优选实施例二的横向剖面示意图；

图6为本发明优选实施例三中热沉本体的结构示意图；

图7为本发明优选实施例三中热沉本体的上盖板的结构示意图；

图8为本发明优选实施例三中热沉本体的下盖板的结构示意图；

图中各标号表示：

1、热沉本体；101、上盖板；102、下盖板；2、热沉腔体；3、导热骨架；4、散热件；5、相变材料加注口；6、散热件穿出孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

参照图1至图3，本实施例提供一种高功率光纤激光器一体化相变蓄冷热沉，包括热沉本体1，所述热沉本体1内设有热沉腔体2，所述热沉腔体2内设置有导热骨架3，导热骨架3内部设有散热件4且散热件4伸出热沉本体之外，所述热沉腔体2内填充有相变材料。

本实施例中所述导热骨架3为高导热金属或石墨材料制成的网状结构骨架。导热骨架3的外形尺寸与热沉腔体2相适应，所述导热骨架3的上、下、左和右侧面均紧贴热沉腔体2的上、下、左和右侧面。所述导热骨架3用于提升相变材料的导热系数。

所述热沉本体1采用铝、铜等高导热系数金属材料加工而成。热沉本体的上、下侧面作为高功率光纤激光器其待散热激光器件的安装平台，如用于安装高功率光纤激光器中的泵浦LD、增益光纤、合束器等待散热激光器件。热沉本体1的上、下侧面可根据需要加工螺纹孔、光纤槽等待散热激光器件的安装定位结构。热沉本体的侧面预设有相变材料加注口5和散热件穿出孔6，用于加注相变材料以及散热件的伸出。

热沉本体1其热沉腔体的高度(即热沉腔体其上、下侧面之间的高度)需要确保热沉腔体内的相变材料体积满足高功率光纤激光器的散热需求，可根据下式求得：

其中，h为热沉腔体的高度，P为高功率光纤激光器的散热功率，t为高功率光纤激光器所需的工作时长，M为相变材料的相变潜热，ρ

所述相变材料为相变点合适的各种高相变潜热物质，比如石蜡、镓基液态金属、无机盐溶液等。相变材料的相变点应在高功率光纤激光器其待散热激光器件所需的温度范围内，不腐蚀热沉腔体、导热骨架和散热件。相变材料的重量可根据所需的散热量和相变材料的相变潜热而定，确保在高功率光纤激光器的工作时间满足要求。

本实施例中的所述散热件4为平板热管，一块以上的平板热管的一端插入导热骨架3内部，与导热骨架3紧密贴合，另一端分别从对应的散热件穿出孔6伸出热沉本体1之外，用于安装制冷设备。制冷设备可以是带散热片的TEC制冷片、水冷热沉等，平板热管的工作温度应低于相变材料的相变点温度。

参照图4至图5，本实施例提供一种高功率光纤激光器一体化相变蓄冷热沉，包括热沉本体1，所述热沉本体1内设有热沉腔体2，所述热沉腔体2内设置有导热骨架3，导热骨架3内部设有散热件4且散热件4伸出热沉本体之外，所述热沉腔体2内填充有相变材料。与图1至3中所提供的高功率光纤激光器一体化相变蓄冷热沉不同的是，本实施例所述散热件4为盘绕在导热骨架3内部的金属盘管，金属盘管的两端头分别从对应的散热件穿出孔7伸出热沉本体1之外，用于安装制冷设备，制冷设备向金属盘管内注入冷媒，冷媒在金属盘管中循环流动，带走相变材料中的热量，金属盘管中冷媒的工作温度应低于相变材料的相变点温度。在金属盘管的盘绕方式不限，使得金属盘管均匀分布在导热骨架3内部即可。

参照图6至图8，本实施例提供一种高功率光纤激光器一体化相变蓄冷热沉，包括热沉本体1，所述热沉本体1内设有热沉腔体2，所述热沉腔体2内设置有导热骨架3，导热骨架3内部设有散热件4且散热件4伸出热沉本体之外，所述热沉腔体2内填充有相变材料。本实施例中的热沉本体1由上盖板101和下盖板102扣合而成，上盖板101和下盖板102之间设有形成相变材料加注口5和散热件穿出孔6的凹槽，上盖板101和下盖板102扣合后，形成热沉本体的侧面的相变材料加注口5和散热件穿出孔6。本实施例的加工方法如下：

(1)制备出热沉腔体1的上盖板101和下盖板102，两盖板扣合后即为热沉本体，所述热沉本体1内设有热沉腔体2；

(2)制备出长、宽与热沉腔体内部长、宽相等、厚度为热沉腔体内部厚度1/2的泡沫金属板2块。两块泡沫金属板相对扣合形成的整体则与热沉腔体2的形状尺寸相同。

(3)每块泡沫金属板相对的一侧按照散热件的尺寸加工相应的凹槽，当两块泡沫金属板扣合时可以将散热件夹在中间的凹槽中。然后将扣合后的两块泡沫金属板作为导热骨架3置于热沉腔体内，所述导热骨架3的上、下、左和右侧面均紧贴热沉腔体2的上、下、左和右侧面。

(4)将散热件、导热骨架、热沉腔体的上、下盖板组装在一起形成热沉本体，并对其边缘以及连接处进行焊接紧固以及密封处理。

(5)通过相变材料加注口加注相变材料，之后将相变材料加注口密封。

本发明以上所有实施例还可采用3D打印技术打印而成，采用3D打印技术一次性打印出热沉本体、导热骨架和散热件。当散热件为平板热管时只打印带散热件穿出孔的热沉本体，随后插入平板热管即可；当散热件为金属盘管时则同步打印出金属盘管；最后通过相变材料加注口加注相变材料，之后将相变材料加注口密封。

本发明的使用方法：

(1)充冷。在相变蓄冷热沉工作前，首先需要对其进行充冷。当散热件为平板热管时，可以将单独的TEC风冷制备装置或者液冷制冷块的冷面贴在热沉本体外部的平板热管上，进行充冷，充冷结束后，可以去掉制冷装置。当散热件为金属盘管时，将金属盘管的两端直接连接冷水机的出、入水口即可，进行充冷，充冷结束后，可以去掉水冷机管路，堵住金属盘管的两端。

(2)用冷。相变蓄冷热沉充冷完成后，即可脱开制冷设备，保障激光器工作一定时长。

通过采用本发明中相变蓄冷热沉，高功率光纤激光器可在不连接热管理设备的情况下工作一定时长，系统的体积重量将大幅减小，为高功率光纤激光器的机动应用提供了便利。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。