專利名稱：相變儲能激光頭冷卻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種激光器，特別是涉及一種間斷工作的固體激光器的冷卻系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
固體激光器工作時，不論其工作方式是連續(xù)的還是脈沖的，輸入泵浦燈的能量只有非常少的部分(約為百分之幾)轉(zhuǎn)化為激光輸出，其余能量轉(zhuǎn)化為熱損耗。這些熱量會使激光工作物質(zhì)溫度升高，且棒內(nèi)溫度分布不均勻，這將直接影響激光工作物質(zhì)的光學(xué)性能，從而使激光光束質(zhì)量下降，激光器件壽命縮短，嚴(yán)重時還會出現(xiàn)激光淬滅。因此，固體激光器運行時通常都要采用冷卻措施，對激光工作物質(zhì)、泵浦燈和聚光腔進(jìn)行冷卻，以保證激光器安全正常運行。
傳統(tǒng)的冷卻方法有液體冷卻、氣體冷卻和傳導(dǎo)冷卻。較大功率固體激光器一般都采用液體冷卻。由于水和其它的冷卻液相比，不僅熱容量大，粘度低，并且在強紫外線輻射下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不會分解成其他物質(zhì)，而對激光工作物質(zhì)、聚光腔和泵浦燈造成污染，因此，固體激光器通常選用水作為冷卻液，傳統(tǒng)水冷系統(tǒng)包括水泵、蓄水箱、水管。這種水冷系統(tǒng)要有較大的蓄水箱，一定要求的循環(huán)水泵和水管，會使整個激光器體積和重量都比較龐大，因此不適合在小型場合下使用。
目前，解決固體激光器冷卻系統(tǒng)小型化問題，運用較多地是半導(dǎo)體致冷技術(shù)。但由于半導(dǎo)體致冷器的致冷效率比較低，致冷功率比較小，因此只能用作小功率激光器的致冷器。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足之處，提出一種相變儲能激光頭冷卻器。該激光頭冷卻器不僅能夠冷卻較高輸出功率激光器，而且體積較小。
為達(dá)到上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案是，一種相變儲能激光頭冷卻器，在箱體的箱壁上開有孔，在孔上裝有板狀半導(dǎo)體制冷器，其冷板與箱壁連接，連接處密封，冷端吸熱器位于箱體內(nèi)，熱電堆、熱板及熱端散熱器位于箱體外，在箱壁的側(cè)壁上開有進(jìn)水口和出水口，在箱體內(nèi)裝有水管，水管的一端與進(jìn)水口相通，另一端與出水口相通，出水口與水泵相接，在箱體內(nèi)盛有導(dǎo)熱液體，水管置于導(dǎo)熱液體中，在與導(dǎo)熱液體相接觸的水管的管壁內(nèi)填充相變物質(zhì)。
本實用新型的優(yōu)點在于(1)由于相變物質(zhì)的相變潛熱很大，小體積該物質(zhì)就能夠吸收很大熱量，而且將熱導(dǎo)入箱外的半導(dǎo)體致冷器體積也是非常小，因此，該冷卻器相對于水冷來說，具有體積小，冷卻量大的優(yōu)點。
(2)本實用新型同樣具有進(jìn)、出水口，不用改進(jìn)激光頭內(nèi)部的結(jié)構(gòu)就可以直接對多數(shù)固體激光器的激光頭進(jìn)行冷卻，適應(yīng)性強。


圖1是半導(dǎo)體致冷系統(tǒng)的原理圖。
圖2是本實用新型第一個實施例的結(jié)構(gòu)簡圖。
圖3是圖2的A-A剖面圖。
圖4是圖2中水管的剖面圖。
圖5是本實用新型第二個實施例的結(jié)構(gòu)簡圖。
圖6是圖5的B-B剖面圖。
圖7是本實用新型第三個實施例的結(jié)構(gòu)簡圖。
圖8是圖7的C-C剖面圖。
圖9是本實用新型第四個實施例的結(jié)構(gòu)簡圖。
圖10是圖9的D-D剖面圖。
具體實施方式
物質(zhì)的存在通常認(rèn)為有三態(tài)固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)，物質(zhì)從一種狀態(tài)變到另一種狀態(tài)叫相變。相變物質(zhì)(PCM)在其物象變化過程中，要從環(huán)境吸收熱量向環(huán)境放出熱量，或從環(huán)境吸收冷量向環(huán)境放出冷量，從而達(dá)到能量儲存和釋放的目的。同時，由于其相變的過程一般是等溫或近似等溫過程，可以用于調(diào)整控制周圍環(huán)境的溫度，并且可以多次重復(fù)使用。
半導(dǎo)體致冷，又稱熱電致冷、溫差致冷，其理論基礎(chǔ)則是珀爾帖效應(yīng)。1834年，法國科學(xué)家珀爾帖發(fā)現(xiàn)向兩種不同導(dǎo)體組成的環(huán)路通以直流電時，在連接處出現(xiàn)冷熱現(xiàn)象，而這種現(xiàn)象在半導(dǎo)體材料中的表現(xiàn)尤為明顯，能夠產(chǎn)生有效的致冷能力。
圖1是半導(dǎo)體致冷系統(tǒng)的原理圖，該系統(tǒng)是由三塊金屬板1、4、5和一副電偶臂組成的熱電偶，電偶臂由一塊P型半導(dǎo)體2和一塊N型半導(dǎo)體3構(gòu)成。當(dāng)通以圖示電流時，由于載流子離開金屬板1時，勢能增加，致使金屬板1變冷；載流子進(jìn)入金屬板4、5時，勢能減小，致使金屬板4和5變熱，產(chǎn)生致冷效果。
由圖2、圖3和圖4所示，箱體可為長方體，箱壁10指箱體的六個面，在箱壁10的側(cè)壁上開有孔，在孔內(nèi)裝有板狀半導(dǎo)體制冷器17，板狀半導(dǎo)體制冷器17可根據(jù)需要選用市售的板狀半導(dǎo)體制冷器。板狀半導(dǎo)體制冷器17由冷端吸熱器12、冷板13、熱電堆14、熱板15和熱端散熱器16組成，冷板13與箱壁10連接，其連接處密封，一般可采用焊接密封或加密封圈，上螺絲進(jìn)行密封，冷端吸熱器12位于箱體內(nèi)，熱電堆14、熱板15及熱端散熱器16位于箱體外。在箱壁10內(nèi)可填充絕熱材料9，絕熱材料9可為泡沫塑料、泡沫石棉、玻璃棉或軟木制品等。在箱壁10的頂壁和一側(cè)壁上分別開有進(jìn)水口g和出水口h，在箱體內(nèi)裝有水管7，水管7呈彎曲形狀，其橫截面為圓形，水管7的一端通過進(jìn)水口g接激光頭6的出水口e，另一端通過出水口h接水泵11，水泵11接激光頭6的進(jìn)水口f。在箱體內(nèi)盛有導(dǎo)熱液體8，導(dǎo)熱液體8可為水、無機液體或油類等。水管7置于導(dǎo)熱液體8中，在水管7的管壁內(nèi)填充相變物質(zhì)18。
相變物質(zhì)18可為芒硝Na2SO4·10H2O、六水氯化鈣CaCl2·6H2O和石蠟。對于水合鹽，也就是芒硝和六水氯化鈣，由于存在著過冷和析出現(xiàn)象，為了減弱這種現(xiàn)象對相變貯能效果的影響，在芒硝或六水氯化鈣中加入成核劑(阻止過冷)，加入晶體結(jié)構(gòu)改變劑或增稠劑(阻止析出)。對加入添加劑的芒硝來說，美國已有商品化的產(chǎn)品，可選擇Calortherml8，其中加入的成核劑為硼砂Na2B4O7·10H2O，增稠劑為合成聚合物。對六水氯化鈣來說，美國也有商品化的產(chǎn)品，可選擇Thermal81。對于石蠟，由于其導(dǎo)熱性較差，需要在里面加鋁粉增加導(dǎo)熱性。
開啟電源后，激光頭6、水泵11和半導(dǎo)體致冷器17開始工作。激光頭6腔內(nèi)燈在泵浦時，產(chǎn)生大量的熱，腔內(nèi)冷水吸取這些熱量后變成熱水，在水泵11的帶動下，流出激光頭6的出水口e，進(jìn)入冷卻器的進(jìn)水口g，然后導(dǎo)入與之相連的水管7。冷卻過激光頭6的熱水在流動的過程中，被水管7中的相變物質(zhì)18吸收熱量，熱水變?yōu)闆鏊?，涼水再由出水口h、水泵11泵入激光頭6的進(jìn)水口f，再次對激光頭6進(jìn)行冷卻，達(dá)到循環(huán)。工作幾分鐘后，隨著相變物質(zhì)18吸收熱量的增多，當(dāng)相變物質(zhì)18吸收到一定的熱量，達(dá)到其相變潛熱時，由固體變?yōu)橐后w，失去相變儲能效果后，激光頭6和水泵11停止工作，此時激光器不再出光。相變物質(zhì)18開始將其吸收的熱傳導(dǎo)給導(dǎo)熱液體8，再由導(dǎo)熱液體8傳給冷端吸熱器12，再經(jīng)熱端散熱器16散熱到空氣中去。經(jīng)過幾分鐘，相變物質(zhì)18恢復(fù)了儲能功能，此時激光頭6和水泵11又開始工作，開始新一輪的循環(huán)。
由圖5和圖6所示，水管7的形狀與實施例1不同。當(dāng)然，水管7還可為其它形狀。
所述水管7可為二排或二排以上，每排的一端接第一水箱20，另一端接第二水箱22，第一水箱20通過進(jìn)水管19與進(jìn)水口g相通，第二水箱22通過出水管21與出水口h相通。
由圖7和圖8所示，在箱壁10的側(cè)壁和底壁上分別開有孔，在孔內(nèi)裝有板狀半導(dǎo)體制冷器17，其連接處密封。在箱壁10內(nèi)可填充絕熱材料9，絕熱材料9可為泡沫塑料、泡沫石棉、玻璃棉或軟木制品等。在箱壁10的兩個側(cè)壁上分別開有進(jìn)水口g和出水口h，在箱體內(nèi)裝有水管7，共有七排，每排縱向排列，其橫截面為方形。水管7每排的一端接第一水箱20，另一端接第二水箱22，第一水箱20通過進(jìn)水管19與進(jìn)水口g相通，即在第一水箱20上有一個水的進(jìn)口和七個水的出口，其連接處密封，可采用焊接密封。第二水箱22通過出水管21與出水口h相通，即在第二水箱22上共有七個水的進(jìn)口和一個水的出口，其連接處密封，可采用焊接密封。在箱體內(nèi)盛有導(dǎo)熱液體8，導(dǎo)熱液體8可為水、無機液體或油類等。水管7部分置于導(dǎo)熱液體8中，第一水箱20置于導(dǎo)熱液體8中，第二水箱22未置于導(dǎo)熱液體8中，在與導(dǎo)熱液體8相接觸的水管7的管壁內(nèi)填充相變物質(zhì)18，為了使冷卻器的冷卻效果更好，在第一水箱20的箱壁內(nèi)可填充相變物質(zhì)，在第二水箱22的箱壁內(nèi)可填充相變物質(zhì)或絕熱材料。
由圖9和圖10所示，在箱壁10的兩側(cè)壁和底壁上分別開有孔，在孔內(nèi)裝有板狀半導(dǎo)體制冷器17，在箱體內(nèi)裝有水管7，共有八排，每排斜向排列。水管7部分和第二水箱22置于導(dǎo)熱液體8中，第一水箱20未置于導(dǎo)熱液體8中，在水管7的管壁內(nèi)填充相變物質(zhì)18，在第二水箱22的箱壁內(nèi)填充相變物質(zhì)或絕熱材料。為了使冷卻器的冷卻效果更好，在第一水箱20的箱壁內(nèi)可填充相變物質(zhì)。
權(quán)利要求1.一種相變儲能激光頭冷卻器，包括水泵，其特征在于在箱體的箱壁(10)上開有孔，在孔上裝有板狀半導(dǎo)體制冷器(17)，其冷板(13)與箱壁(10)連接，連接處密封，冷端吸熱器(12)位于箱體內(nèi)，熱電堆(14)、熱板(15)及熱端散熱器(16)位于箱體外，在箱壁(10)的側(cè)壁上開有進(jìn)水口(g)和出水口(h)，在箱體內(nèi)裝有水管(7)，水管(7)的一端與進(jìn)水口(g)相通，另一端與出水口(h)相通，出水口(h)與水泵(11)相接，在箱體內(nèi)盛有導(dǎo)熱液體(8)，水管(7)置于導(dǎo)熱液體(8)中，在與導(dǎo)熱液體(8)相接觸的水管(7)的管壁內(nèi)填充相變物質(zhì)(18)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變儲能激光頭冷卻器，其特征在于所述水管(7)為二排或二排以上，每排的一端接第一水箱(20)，另一端接第二水箱(22)，第一水箱(20)通過進(jìn)水管(19)與進(jìn)水口(g)相通，第二水箱(22)通過出水管(21)與出水口(h)相通。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的相變儲能激光頭冷卻器，其特征在于在第一水箱(20)的箱壁內(nèi)填充相變物質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的相變儲能激光頭冷卻器，其特征在于在第二水箱(22)的箱壁內(nèi)填充相變物質(zhì)或絕熱材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的相變儲能激光頭冷卻器，其特征在于在第二水箱(22)的箱壁內(nèi)填充相變物質(zhì)或絕熱材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的相變儲能激光頭冷卻器，其特征在于在箱壁(10)內(nèi)填充絕熱材料(9)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的相變儲能激光頭冷卻器，其特征在于所述板狀半導(dǎo)體制冷器(17)為一個或一個以上。
專利摘要本實用新型公開了一種相變儲能激光頭冷卻器，它的結(jié)構(gòu)是，在箱體的箱壁上開有孔，在孔上裝有板狀半導(dǎo)體制冷器，其冷板與箱壁連接，連接處密封，冷端吸熱器位于箱體內(nèi)，熱電堆、熱板及熱端散熱器位于箱體外，在箱壁的側(cè)壁上開有進(jìn)水口和出水口，在箱體內(nèi)裝有水管，水管的一端與進(jìn)水口相通，另一端與出水口相通，出水口與水泵相接，在箱體內(nèi)盛有導(dǎo)熱液體，水管置于導(dǎo)熱液體中，在與導(dǎo)熱液體相接觸的水管的管壁內(nèi)填充相變物質(zhì)。該激光頭冷卻器不僅能夠冷卻較高輸出功率激光器，而且體積較小，可以直接對多數(shù)固體激光器的激光頭進(jìn)行冷卻，適應(yīng)性強。
文檔編號H01S3/04GK2747753SQ20042005789
公開日2005年12月21日 申請日期2004年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月20日
發(fā)明者楊克成, 涂成祥, 譚丹 申請人:華中科技大學(xué)