專利名稱：固體激光器的冷卻系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子元件尤其是大功率小體積的電子元件的冷卻，特別是涉及用于固體激光器的冷卻系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
固體激光器的主要發(fā)熱元件為激光二極管和激光晶體。隨著固體激光器技術(shù)的高速發(fā)展，固體激光發(fā)生器的體積及表面積越來越小，而功率卻越來越大，因而散熱的熱流密度越來越高(例如，單個大功率固體激光器總的功率典型為幾十瓦到幾百瓦，且接觸面積很小，故熱流密度很大，達(dá)到了每平方厘米幾百瓦到幾千瓦的量級)，傳統(tǒng)的空氣冷卻、半導(dǎo)體冷卻以及熱管冷卻方式已經(jīng)難以實現(xiàn)對大功率固體激光器進(jìn)行冷卻的要求。而且散熱不良會引起固體激光器的溫度升高，產(chǎn)生的激光頻率出現(xiàn)偏差，甚至?xí)斐晒腆w激光器的燒毀，因此散熱問題已經(jīng)成為限制大功率固體激光器發(fā)展的主要瓶頸之一。中國實用新型專利ZL93216474. 9提出了一種固體激光器熱管傳導(dǎo)冷卻裝置，其利用充滿飽和工質(zhì)的熱管對固體激光器進(jìn)行冷卻。這種裝置具有的主要缺點是在熱管中的飽和工質(zhì)通過相變冷卻了固體激光器之后，要通過散熱片等散熱以使工質(zhì)恢復(fù)至液態(tài)，然后才可用于下一次的相變冷卻。中國發(fā)明專利CN 1291530C提供了一種相變儲能激光頭冷卻裝置，其對傳統(tǒng)的半導(dǎo)體冷卻和水冷進(jìn)行了改進(jìn)，其通過對激光頭提供循環(huán)水冷來冷卻激光頭，而冷卻水流經(jīng)盤繞的水管從而被水管中填充的相變材料冷卻，然后再通過半導(dǎo)體冷卻來對相變材料進(jìn)行冷卻。這種冷卻裝置同樣存在著不能循環(huán)地(持續(xù)地)提供冷卻的缺陷。在相變材料由固體變?yōu)橐后w之后，需要關(guān)閉激光頭等待一段時間，直至相變材料恢復(fù)固體才能再次啟動激光頭。此外，現(xiàn)有技術(shù)的激光器冷卻裝置不能提供解決小體積且大功率的激光器的一些冷卻問題，尤其是在激光器體積或表面積較小但功率(發(fā)熱量)很大的情況下對激光器元件的均勻冷卻的問題。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明目的是提供用于激光器的冷卻系統(tǒng)，其能夠持續(xù)地為具有小體積或表面但大功率或發(fā)熱量的激光器的發(fā)熱元件提供冷卻，并且具有較高的冷卻效率，而且該冷卻系統(tǒng)尤其還避免在冷卻過程中發(fā)生冷卻器的堵塞和換熱不良。因此，本發(fā)明提供一種用于激光器的冷卻系統(tǒng)，其特征是，包括順次連通構(gòu)成循環(huán)回路的壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流裝置和用于冷卻激光器的發(fā)熱元件的冷卻器以及該回路中循環(huán)流動的冷卻劑，其中，所述冷卻器具有貫穿所述冷卻器以用于冷卻劑從其中流過的多個微通道，在該循環(huán)回路中，在所述冷卻器的上游且設(shè)在所述壓縮機(jī)的下游設(shè)置有油分離器。提供這種冷卻系統(tǒng)可以實現(xiàn)對激光器的發(fā)熱元件持續(xù)地冷卻，并且適用于小體積但大功率的激光器的冷卻。此外，通過冷卻器中設(shè)置的微通道有效地改善了激光器發(fā)熱元件的均勻冷卻的問題。此外這種構(gòu)造有利于實現(xiàn)固體激光器冷卻系統(tǒng)的一體化設(shè)計。此外，還可通過壓縮機(jī)、節(jié)流裝置調(diào)節(jié)激光冷卻器內(nèi)部的工作壓力、相變溫度和流量，進(jìn)而調(diào)節(jié)熱流密度與散熱量，可以適合于多種不同類型的固體激光器。潤滑油與冷卻劑是互溶的。但在冷卻器內(nèi)，潤滑油不能變?yōu)闅怏w，這對于具有微通道的冷卻器來說是非常致命的。因為這可能會大大降低換熱效率，造成換熱不良，甚至造成微通道的堵塞，引發(fā)安全問題。因此本發(fā)明通過設(shè)置油分離器來消除潤滑油給冷卻器所帶來的問題。根據(jù)本發(fā)明一特別優(yōu)選的實施例，所述微通道具有小于1mm，大于等于0. Olmm的當(dāng)量直徑。這種小于Imm當(dāng)量直徑的微通道冷卻器非常適合于小體積、大功率的激光器的均勻冷卻，顯著地提高了冷卻效率和效果。根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步特征，所述冷卻器包括激光二極管冷卻器和/或激光晶體冷卻器。根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實施例，還包括回?zé)崞?。回?zé)崞骶哂羞B通于所述冷凝器與所述節(jié)流裝置之間的第一通道和連通于所述冷卻器與所述壓縮機(jī)之間的第二通道，所述通道彼此傳熱但隔離開。根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步實施例，冷卻系統(tǒng)還包括設(shè)置在節(jié)流裝置的下游且設(shè)置在冷卻器上游的氣液分離器，該氣液分離器的氣相出口與壓縮機(jī)的入口連通。進(jìn)一步優(yōu)選地，在所述氣液分離器的氣相出口與所述壓縮機(jī)的入口之間的連通線路中設(shè)置第二節(jié)流裝置。為了克服冷卻劑在冷卻器中的阻力，該系統(tǒng)還可以包括位于所述冷卻器的上游的泵。這種設(shè)置用于小于Irnm當(dāng)量直徑的微通道冷卻器中是尤其有效的，能以較小的液態(tài)冷卻劑流量在微通道冷卻器中實現(xiàn)較大的熱流密度和散熱量。此外，本發(fā)明還提供一種激光器的冷卻系統(tǒng)，其包括制冷循環(huán)回路，該制冷循環(huán)回路包括順次連通成回路的壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流裝置和換熱器以及在該回路中循環(huán)流動的制冷劑；冷卻循環(huán)回路，該冷卻循環(huán)回路包括連通成回路的所述換熱器、泵和布置在激光器的發(fā)熱元件上用于冷卻該發(fā)熱元件的冷卻器以及在該回路中循環(huán)流動的冷卻劑，且所述冷卻器具有貫穿所述冷卻器以用于冷卻劑從其中流過的多個微通道；其中，所述換熱器構(gòu)造成使得流過其中的制冷劑與冷卻劑彼此傳熱但彼此隔離開。根據(jù)本發(fā)明的這種激光器由于采用了兩個循環(huán)回路而避免了潤滑油在冷卻循環(huán)回路中流動，從而在用具有微通道的冷卻器對發(fā)熱元件進(jìn)行冷卻的同時不會出現(xiàn)微通道堵塞的情況，因而省去了設(shè)置油分離器的必要。根據(jù)一優(yōu)選實施例，所述微通道具有小于1mm，大于等于0. Olmm的當(dāng)量直徑。根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步實施例，所述泵包括可變轉(zhuǎn)速泵和/或可變排量泵。本發(fā)明還提供一種用于激光器的冷卻方法，包括設(shè)置壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流裝置和用于激光器的發(fā)熱元件的冷卻器構(gòu)成循環(huán)回路， 其中所述冷卻器具有貫穿所述冷卻器的多個微通道；使冷卻劑流體以使其在該回路中以蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的形式循環(huán)流動；和用油分離器從壓縮機(jī)出來的冷卻劑中分離出潤滑油。根據(jù)一優(yōu)選的實施例，還包括使分離出的潤滑油回到壓縮機(jī)的步驟。


以下，結(jié)合附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的實施例，其中
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的用于固體激光器的冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的用于固體激光器的冷卻系統(tǒng)的第一實施例；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的用于固體激光器的冷卻系統(tǒng)的第二實施例；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的用于固體激光器的冷卻系統(tǒng)的第三實施例；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的用于固體激光器的冷卻系統(tǒng)的第四實施例；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的用于固體激光器的冷卻系統(tǒng)的第五實施例；圖7為根據(jù)本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)的換熱器的一個實施例，其中示出了制冷劑和冷卻劑在該換熱器中的流動路徑；圖8為根據(jù)本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)的換熱器的另一個實施例，其中示出了制冷劑和冷卻劑在該換熱器中的流動路徑；圖中各部件名稱為1-壓縮機(jī)，2-冷凝器，3-節(jié)流裝置，4-激光二極管冷卻器， 5-激光晶體冷卻器，6-油分離器，7-回?zé)崞鳎?-氣液分離器，9-二級節(jié)流裝置，10-泵， 11-換熱器，11a，11a’ -換熱器的制冷劑流動路徑，11b，lib’ -換熱器的冷卻劑流動路徑。
具體實施例方式現(xiàn)結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的各實施例。如圖1所示，示出了根據(jù)本發(fā)明的用于固體激光器的冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意原理圖。 該冷卻系統(tǒng)包括壓縮機(jī)1、冷凝器2、節(jié)流裝置3、激光晶體冷卻器5和激光二極管冷卻器 4。它們用冷卻劑管路順序連接構(gòu)成蒸氣壓縮式制冷循環(huán)回路，冷卻劑在該回路中循環(huán)流通。具體地，低溫低壓的冷卻劑蒸氣在壓縮機(jī)1的作用下變成高溫高壓的冷卻劑蒸氣，進(jìn)入冷凝器2向外部介質(zhì)散熱后變?yōu)楦邷馗邏旱睦鋮s劑液體，通過節(jié)流裝置3節(jié)流后變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍庖簝上嗬鋮s劑，再進(jìn)入激光晶體冷卻器5和激光二極管冷卻器4內(nèi)從外接的激光晶體和激光二極管吸收熱量液相冷卻劑蒸發(fā)后，再回到壓縮機(jī)1，從而利用激光晶體冷卻器 5和激光二極管冷卻器4內(nèi)冷卻劑蒸發(fā)時的相變潛熱實現(xiàn)對外接的激光二極管和激光晶體進(jìn)行散熱的目的。然而，應(yīng)該明白在該圖中未示出油分離器6 (見圖2)，油分離器6對于防止冷卻器的通道堵塞是重要的。如上所述圖1所示出的冷卻系統(tǒng)為用于固體激光器的冷卻系統(tǒng)，但可以理解的是該冷卻系統(tǒng)也可用于其它類型的激光器，甚至不排除用于其它的功率較大(即發(fā)熱量大) 但體積較小的電子元件中。進(jìn)一步地，盡管在圖中示出的是激光晶體冷卻器和激光二極管冷卻器，但可以理解也可以用作激光器的其他發(fā)熱元件的冷卻器。此外，盡管具體描述了通過蒸汽壓縮制冷循環(huán)來形成液態(tài)冷卻劑，并通過液態(tài)冷卻劑的相變來冷卻激光晶體或激光二極管，但可以采用其它的熱力學(xué)循環(huán)使得冷卻劑相變來冷卻激光器的發(fā)熱元件。在上述的固體激光器的冷卻裝置中，所述的激光晶體冷卻器5和激光二極管冷卻器4可以如圖所示地是并聯(lián)的，但可以想到的是冷卻器也可以串聯(lián)，或者冷卻器也可以單獨用于激光晶體或激光二極管中的一個?；蛘呃鋮s器也可以用于激光器中的其它發(fā)熱元件。由于激光器元件的構(gòu)造原因(體積小，功率大)，因此常規(guī)的冷卻器是不適用的。 因此，在根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于冷卻固體激光器的冷卻裝置中的冷卻器具有貫穿所述冷卻器以用于冷卻劑從其中流過的多個微通道。其中所述微通道在本文中通?？梢岳斫鉃樵撏ǖ赖漠?dāng)量直徑小于等于5mm。在一個優(yōu)選的實施例中，所述冷卻器具有當(dāng)量直徑小于等于2mm的微通道。在特別優(yōu)選的實施例中，所述冷卻器具有當(dāng)量直徑大于等于0. Olmm且小于Imm的微通道。冷卻器通常由換熱性能良好的金屬制成。在一個特別優(yōu)選的實施例中， 在薄銅板上用線切割或光刻等加工的方法制作多個平行布置的微小的通道，再將相應(yīng)地切割的薄銅板作為上下蓋板通過壓力焊等方式進(jìn)行壓合從而獲得具有微通道的冷卻器，且內(nèi)部當(dāng)量直徑大于等于0. Olmm且小于1mm。通道當(dāng)量直徑的縮小能有效強(qiáng)化兩相換熱，同時通道密集分布的微通道蒸發(fā)冷卻器，傳熱均勻性強(qiáng)，可以使得冷卻表面有比較均勻的溫度分布。可以想到的是，在所述冷卻裝置中，所述的激光晶體冷卻器5和激光二極管冷卻器4可以包括板式冷卻器和/或套筒式冷卻器，以適應(yīng)不同形狀固體激光器的散熱需求。例如，在一個實施例中，固體激光器的發(fā)熱元件的散熱表面為平狀的，為了能夠讓冷卻器和散熱有緊密的接觸，因此可以采用呈一對平板壓合的平板狀冷卻器，平板上如上所述地相應(yīng)地線切割或光刻加工出的微通道，從而在壓合后形成板式冷卻器。該冷卻器布置在發(fā)熱元件的平狀散熱表面上。在一個優(yōu)選的實施例中，該板式冷卻器中的微通道布置方向與該發(fā)熱元件的縱長方向平行。而在另一個實施例中，被冷卻的激光器元件呈圓柱狀。且所述冷卻器為套筒式冷卻器，且該冷卻器緊密地套設(shè)在該柱狀元件上，其中該套筒式冷卻器例如由兩個圓筒壓合成的，圓筒之間通有如上所述通過線切割或光刻加工制成的微通道，且其中內(nèi)圓筒的外徑等于外圓筒的內(nèi)徑且內(nèi)圓筒的內(nèi)徑等于該元件的直徑，從而在這兩個圓筒壓合后形成套筒式冷卻器。在一個優(yōu)選的實施例中，該套筒式冷卻器中的微通道布置方向與該柱形發(fā)熱元件的軸向平行?？梢韵氲降氖?，針對發(fā)熱元件的不同構(gòu)造可以設(shè)計其它構(gòu)造的發(fā)熱器。在本文中術(shù)語“當(dāng)量直徑”是指，當(dāng)冷卻器的通道的橫截面為圓形時，當(dāng)量直徑即為該圓的直徑，當(dāng)冷卻器的通道的橫截面為其他形狀例如方形、矩形或不規(guī)則圖形時，當(dāng)量直徑為與該橫截面積相同大小的圓所具有的直徑。在所述冷卻系統(tǒng)中，所述的壓縮機(jī)1可以包括可變轉(zhuǎn)速壓縮機(jī)或者可變排量壓縮機(jī)或它們的組合，從而通過調(diào)節(jié)壓縮機(jī)1的轉(zhuǎn)速或排量，可以調(diào)節(jié)制冷循環(huán)的蒸發(fā)溫度。在所述冷卻系統(tǒng)中，節(jié)流裝置3可以包括毛細(xì)管、節(jié)流孔板、熱力膨脹閥、電子膨脹閥或它們的組合，以控制壓縮機(jī)1進(jìn)口的冷卻劑為氣態(tài)，保證系統(tǒng)的安全運行。其中所述組合包括并聯(lián)或串聯(lián)。在上述的固體激光器的冷卻系統(tǒng)中，所述的冷凝器2可以包括水冷式冷凝器、風(fēng)冷式冷凝器或它們的組合。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的激光器冷卻系統(tǒng)的第一實施例。該系統(tǒng)包括壓縮機(jī)1、油分離器6、冷凝器2、節(jié)流裝置3、激光晶體冷卻器5和激光二極管冷卻器4，它們通過冷卻劑管路順序連接構(gòu)成蒸氣壓縮式制冷循環(huán)回路。在圖示的實施例中，油分離器6安裝在壓縮機(jī)1和冷凝器2之間。由于從壓縮機(jī)1排出的氣態(tài)冷卻劑會攜帶少量的潤滑油，潤滑油在冷卻時不能變成氣體，因而在氣態(tài)冷卻劑中呈微小液滴狀。混有潤滑油的冷卻劑在冷凝器2、 激光晶體冷卻器5和激光二極管冷卻器4內(nèi)的換熱系數(shù)會明顯降低，尤其是激光晶體冷卻器5和激光二極管冷卻器4內(nèi)流道當(dāng)量直徑較小時(特別是通道當(dāng)量直徑小于Imm大于等于0. Olmm的冷卻器中)，會引起激光晶體冷卻器5和激光二極管冷卻器4內(nèi)流道的中流動減緩甚至于堵塞，這影響了冷卻效果，尤其是均勻冷卻的效果，甚至還會影響到激光器元件的安全運行。因此，在壓縮機(jī)1出口安裝油分離器6，使得冷卻劑和潤滑油分離，分離出來的冷卻劑流入冷凝器2進(jìn)入制冷循環(huán)，而分離出來的潤滑油直接返回壓縮機(jī)1底部。這樣不僅可以改善冷卻劑在冷凝器2、激光晶體冷卻器5和激光二極管冷卻器4內(nèi)的傳熱系數(shù)，而且可以防止?jié)櫥途彍蚨氯す饩w冷卻器5和激光二極管冷卻器4的流道中的流動， 保證了冷卻器的均與冷卻。在不那么優(yōu)選的方案中，油分離器6可以布置在其他位置，只要布置在壓縮機(jī)的下游且冷卻器的上游即可。如圖3所示，示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的固體激光器的冷卻系統(tǒng)，其包括壓縮機(jī)1、油分離器6、冷凝器2、節(jié)流裝置3、激光晶體冷卻器5和激光二極管冷卻器4。它們通過冷卻劑管路順序連接構(gòu)成蒸氣壓縮式制冷循環(huán)回路。其中該冷卻系統(tǒng)與第一實施例不同之處在于還包括回?zé)崞?。該回?zé)崞骶哂羞B通于冷凝器2和節(jié)流裝置3之間的第一通道和連通于激光晶體冷卻器5和/或激光二極管冷卻器4與壓縮機(jī)1之間的第二通道。且該第一通道和第二通道中的冷卻劑可以彼此傳熱但彼此隔離開。壓縮機(jī)1通常要求其入口的冷卻劑要有一定的過熱度，然而過熱流體在激光晶體冷卻器5和激光二極管冷卻器4內(nèi)換熱系數(shù)小、占換熱面積大，不利于提高激光晶體冷卻器5和激光二極管冷卻器4散熱的熱流密度和散熱量，因此在循環(huán)回路中設(shè)置回?zé)崞?，一側(cè)(第一通道)連接于冷凝器2和節(jié)流裝置3之間，另一(第二通道)連接于激光晶體冷卻器5和激光二極管冷卻器4與壓縮機(jī)1之間，實現(xiàn)了用冷凝器2流出的高溫液態(tài)冷卻劑來加熱激光晶體冷卻器5和激光二極管冷卻器4流出的低溫兩相冷卻劑，從而在確保了壓縮機(jī)1入口處冷卻劑過熱的同時，還保證了整個激光二極管冷卻器4和/或激光晶體冷卻器5內(nèi)的冷卻劑均為兩相的(即從冷卻器出口出來的冷卻劑仍為兩相的)，這樣可以提高激光晶體冷卻器5和激光二極管冷卻器4 散熱的熱流密度和散熱量。不打算作為限制，可以認(rèn)為理想狀態(tài)是從冷卻器出來的流體是剛好完全變?yōu)闅鈶B(tài)。但由于冷卻流體變?yōu)闅鈶B(tài)后，傳熱系數(shù)迅速下降，因此為了保證在整個冷卻器內(nèi)部維持比較均勻的冷卻效果，讓冷卻器流出的流體還有一定量的液體，這樣才能保證整個冷卻器內(nèi)流動的都是兩相流體。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的固體激光器的冷卻系統(tǒng)的第三實施例，其包括壓縮機(jī)1、 油分離器6、冷凝器2、節(jié)流裝置3、激光晶體冷卻器5和激光二極管冷卻器4，它們通過冷卻劑管路順序連接構(gòu)成蒸氣壓縮式制冷循環(huán)回路。與第二實施例類似地，該系統(tǒng)還包括回?zé)崞?，該回?zé)崞?具有連接于冷凝器2和節(jié)流裝置3之間的第一通道，和連接于激光晶體冷卻器5和激光二極管冷卻器4與壓縮機(jī)1之間的第二通道，且該第一通道和第二通道中的冷卻劑可以彼此傳熱但是間隔開。與第二實施例不同在于，該冷卻系統(tǒng)還包括設(shè)置在節(jié)流裝置3下游且在激光晶體冷卻器5和激光二極管冷卻器4上游的氣液分離器8，且氣液分離器8的液相出口聯(lián)接到激光晶體冷卻器5和激光二極管冷卻器4的入口，從氣液分離器 8的氣相出口經(jīng)次級節(jié)流裝置9后的氣態(tài)冷卻劑與從冷卻器出口出來的的冷卻劑匯合。設(shè)置氣液分離器8是特別有利的。在該圖所示的冷卻裝置中，冷卻劑在經(jīng)過節(jié)流裝置3后已經(jīng)變?yōu)闅庖簝上?，單位質(zhì)量流量的冷卻劑的汽化潛熱降低，因此，加入氣液分離器8后，僅使得分離出來的液相冷卻劑進(jìn)入激光晶體冷卻器5和激光二極管冷卻器4對固體激光器進(jìn)行冷卻，而分離出來的氣態(tài)冷卻劑經(jīng)過次級節(jié)流裝置9后與激光晶體冷卻器5和激光二極管冷卻器4流出的冷卻劑匯合，再流入到回?zé)崞?中。這樣液相冷卻劑具有比氣液兩相冷卻劑具有顯著高的單位質(zhì)量的氣化潛熱。此外，還可以通過調(diào)節(jié)次級節(jié)流裝置9來調(diào)節(jié)冷卻劑在激光晶體冷卻器5和激光二極管冷卻器4及相關(guān)連接管路內(nèi)的流量，從而例如可以根據(jù)激光器元件的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)以獲得所希望的冷卻效果。在該實施例中，由于流入冷卻器中的均為液態(tài)冷卻劑，因此可以用較小的流量就可以實現(xiàn)較大的熱流密度和散熱量，可以減小激光晶體冷卻器5和激光二極管冷卻器4的體積和傳熱面積，從而可以用于體積更小功率更大的激光器元件。在該冷卻系統(tǒng)中，所述二級節(jié)流裝置9可以包括毛細(xì)管、節(jié)流孔板、熱力膨脹閥或電子膨脹閥或它們的組合，以調(diào)節(jié)氣液分離器8內(nèi)的液位。如圖5所示，示出了根據(jù)本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)的第四實施例，其包括壓縮機(jī)1、油分離器6、冷凝器2、節(jié)流裝置3、激光晶體冷卻器5和激光二極管冷卻器4，它們通過冷卻劑管路順序連接構(gòu)成蒸氣壓縮式制冷循環(huán)回路。此外，該冷卻系統(tǒng)包括設(shè)置在節(jié)流裝置3下游的氣液分離器8和泵10。且該氣液分離器8的液相出口經(jīng)過泵10后連接到激光晶體冷卻器5和激光二極管冷卻器4的入口，而氣液分離器8的氣相出口連接到壓縮機(jī)1的入口。其中所述氣液分離器8的功能與第三實施例的冷卻系統(tǒng)中氣液分離器的布置位置與功能類似，只是該冷卻系統(tǒng)未設(shè)置次級節(jié)流裝置。此外，該冷卻系統(tǒng)還包括布置在氣液分離器8的下游且在激光晶體冷卻器5和激光二極管冷卻器4上游的泵10。該泵10用來克服冷卻劑在激光晶體冷卻器5和激光二極管冷卻器4以及相關(guān)連接管路內(nèi)的阻力。這樣，較小的液態(tài)冷卻劑流量就可以實現(xiàn)較大的熱流密度和散熱量，可以減小激光二極管冷卻器4和激光晶體冷卻器5的體積與傳熱面積。更優(yōu)選地，所述的泵10可以包括可變轉(zhuǎn)速泵或者可變排量泵，這樣可以通過調(diào)節(jié)泵10的轉(zhuǎn)速或排量，就可以調(diào)節(jié)進(jìn)入激光二極管冷卻器4和激光晶體冷卻器5內(nèi)的冷卻劑流量和/或氣液分離器內(nèi)8內(nèi)的液位，以適應(yīng)不同固體激光器散熱時所需的熱流密度和散熱量的要求。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的固體激光器的冷卻系統(tǒng)的第五實施例。該冷卻系統(tǒng)包括制冷循環(huán)回路和與該制冷循環(huán)回路進(jìn)行熱交換的冷卻循環(huán)回路。其中制冷循環(huán)回路包括壓縮機(jī)1、冷凝器2、節(jié)流裝置3和換熱器11，它們通過制冷劑管路順序連接。該制冷循環(huán)回路還包括在上述部件和制冷劑管路中循環(huán)流通的制冷劑。冷卻循環(huán)回路包括換熱器11、氣液分離器8、泵10、激光晶體冷卻器5和激光二極管冷卻器4，它們通過冷卻劑管路順序相連， 構(gòu)成冷卻循環(huán)。該冷卻循環(huán)回路還包括在上述部件和制冷劑管路中循環(huán)流通的冷卻劑。在該實施例中，所述制冷循環(huán)回路是蒸氣壓縮式的制冷循環(huán)回路。且如圖所示，處于兩個回路中的換熱器11構(gòu)造成其中的制冷劑與冷卻劑彼此可以傳熱但是隔離開，具體地是換熱器11中的低溫制冷劑的蒸發(fā)從而對換熱器中的冷卻劑進(jìn)行冷卻。如圖所示的冷卻循環(huán)回路中包括的氣液分離器8是優(yōu)選的，其用于將從換熱器11流出的冷卻劑分離出來的液態(tài)冷卻劑。更優(yōu)選地，通過如圖所示的泵10對從氣液分離器8的液相出口流出的液相冷卻劑泵送到激光晶體冷卻器5和激光二極管冷卻器4中，從而冷卻劑可以對固體激光器進(jìn)行冷卻。這樣，制冷循環(huán)和冷卻循環(huán)都為獨立的循環(huán)，相互干擾小，操作靈活。此外更大的優(yōu)點在于，冷卻器4和/或5可以避免壓縮機(jī)中潤滑油的影響，因此在該冷卻裝置中無需設(shè)置油分離器。這對于當(dāng)量直徑小于Imm的微通道冷卻器來說是特別有利的。
8
根據(jù)實際需要，冷卻劑和制冷劑可以采用同種物質(zhì)。但也可以采用不同種物質(zhì)，以便于調(diào)節(jié)冷卻循環(huán)內(nèi)的壓力和溫度。此外，所述的泵10可以包括可變轉(zhuǎn)速泵或可變排量泵，從而可以通過調(diào)節(jié)泵10的轉(zhuǎn)速或排量，可以調(diào)節(jié)進(jìn)入激光二極管冷卻器4和激光晶體冷卻器5內(nèi)的制冷劑流量和/ 或氣液分離器內(nèi)8內(nèi)的液位，以適應(yīng)不同固體激光器散熱時所需的熱流密度和散熱量的要求。如圖7和8所示，所述換熱器11可以包括板式的換熱器或套筒式的換熱器或它們的組合。在圖7所示的板式的換熱器中，該換熱器11具有相互平行且交錯地間隔布置的多個換熱器11的制冷劑流動路徑Ila和冷卻劑流動路徑lib。如圖所示地，制冷劑流動路徑 Ila與冷卻劑流動路徑lib方向相反且互不連通，從而可以有效地?zé)峤粨Q而又不會使得制冷劑和冷卻劑相混合。在圖8所示的套管式的換熱器中，其具有一個大直徑的管道(在這里為制冷劑流動路徑11a’ )和設(shè)置在該大管道中的多個小直徑管道(在這里為冷卻劑流動路徑lib’)。如圖所示一個大直徑的管道中設(shè)置有三個小直徑管道，然而可以想到的是也可以一個大直徑管道中設(shè)置其它數(shù)目(例如1個)的小直徑管道。可以想到，優(yōu)選的是制冷劑和冷卻劑的流動方向在軸向上是相反的，但也不排除同向流動的情況。盡管圖7和 8示出了兩種換熱器的類型，但可以想到的是也可以采用其它的合適類型的換熱器。以上詳細(xì)地描述了本發(fā)明的實施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將明白上述描述僅是為了說明本發(fā)明，而并非是對本發(fā)明的限定，根據(jù)所給出的上述說明本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對上述實施例做出其他不同形式的變形且其中的特征可以互換。這里無需對所有的實施方式予以窮舉，而基于本說明書所得到的等同、變化或變動仍落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于激光器的冷卻系統(tǒng)，其特征是，包括順次連通構(gòu)成循環(huán)回路的壓縮機(jī)(1)、 冷凝器O)、節(jié)流裝置C3)和用于冷卻激光器的發(fā)熱元件的冷卻器以及該回路中循環(huán)流動的冷卻劑，其中，所述冷卻器具有貫穿所述冷卻器以用于冷卻劑從其中流過的多個微通道， 在該循環(huán)回路中在所述冷卻器的上游且在所述壓縮機(jī)(1)的下游設(shè)置有油分離器(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器的冷卻系統(tǒng)，其特征是，所述微通道具有小于1mm，大于等于0.01mm的當(dāng)量直徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光器的冷卻系統(tǒng)，其特征是，所述冷卻器包括激光二極管冷卻器⑷和/或激光晶體冷卻器(5)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光器的冷卻系統(tǒng)，其特征是，還包括回?zé)崞?7)，其中， 所述回?zé)崞?7)具有連通于所述冷凝器( 與所述節(jié)流裝置( 之間的第一通道和連通于所述冷卻器與所述壓縮機(jī)(1)之間的第二通道，所述通道彼此傳熱但隔離開。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光器的冷卻系統(tǒng)，其特征是，所述冷卻系統(tǒng)還包括設(shè)置在所述節(jié)流裝置C3)的下游且設(shè)在所述冷卻器的上游的氣液分離器(8)，該氣液分離器(8) 的氣相出口與所述壓縮機(jī)(1)的入口連通。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的激光器的冷卻系統(tǒng)，其特征是，在所述氣液分離器(8)的氣相出口與所述壓縮機(jī)(1)的入口之間的連通線路中設(shè)置第二節(jié)流裝置(9)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光器的冷卻系統(tǒng)，其特征是，還包括設(shè)置在所述冷卻器的上游的泵(10)。
8.一種用于激光器的冷卻系統(tǒng)，其特征是，其包括制冷循環(huán)回路，該制冷循環(huán)回路包括順次連通成回路的壓縮機(jī)(1)、冷凝器O)、節(jié)流裝置C3)和換熱器(11)以及在該回路中循環(huán)流動的制冷劑；冷卻循環(huán)回路，該冷卻循環(huán)回路包括連通成回路的所述換熱器(11)、泵(10)和用于激光器的發(fā)熱元件的冷卻器以及在該回路中循環(huán)流動的冷卻劑，且所述冷卻器具有貫穿所述冷卻器以用于冷卻劑從其中流過的多個微通道；其中，所述換熱器(11)構(gòu)造成使得流過其中的制冷劑與冷卻劑彼此傳熱但彼此隔離開。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的激光器的冷卻系統(tǒng)，其特征是，所述微通道具有小于1mm，大于等于0.01mm的當(dāng)量直徑。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的激光器的冷卻系統(tǒng)，其特征是，所述泵(10)包括可變轉(zhuǎn)速泵和/或可變排量泵。
11.一種用于激光器的冷卻方法，其特征是，包括設(shè)置壓縮機(jī)(1)、冷凝器O)、節(jié)流裝置C3)和用于激光器的發(fā)熱元件的冷卻器構(gòu)成循環(huán)回路，其中所述冷卻器具有貫穿所述冷卻器的多個微通道；使冷卻劑流體以使其在該回路中以蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的形式循環(huán)流動；和用油分離器(6)從壓縮機(jī)(1)出來的冷卻劑中分離出潤滑油。
12.一種根據(jù)權(quán)利要求11所述的冷卻方法，其特征是，還包括使分離出的潤滑油回到壓縮機(jī)(1)的步驟。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于激光器的冷卻系統(tǒng)，其特征是，包括順次連通構(gòu)成循環(huán)回路的壓縮機(jī)(1)、冷凝器(2)、節(jié)流裝置(3)和用于冷卻激光器的發(fā)熱元件的冷卻器以及該回路中循環(huán)流動的冷卻劑，其中，所述冷卻器具有貫穿所述冷卻器以用于冷卻劑從其中流過的多個微通道，在該循環(huán)回路中，在所述冷凝器(2)的上游且設(shè)在所述壓縮機(jī)(1)的下游設(shè)置有油分離器(6)。此外，本發(fā)明還提供另一種激光器的冷卻系統(tǒng)。本發(fā)明還涉及一種激光器的冷卻方法。
文檔編號H01S3/042GK102201639SQ201010132278
公開日2011年9月28日 申請日期2010年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月24日
發(fā)明者徐洪波, 田長青, 邵雙全 申請人:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所