基于噴霧汽化的大功率激光器熱管理裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于噴霧汽化的大功率激光器熱管理裝置及方法，熱管理裝置包括裝設于激光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(qū)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，排氣管上設有泄壓閥。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制冷劑的壓力恒定從而維持溫度恒定以實現對激光器熱沉的恒溫控制。本發(fā)明的裝置結構簡單可靠、緊湊度高、控溫準確、且運行穩(wěn)定，本發(fā)明的方法簡單易行、效率高、且對環(huán)境友好。
【專利說明】基于噴霧汽化的大功率激光器熱管理裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于激光器的熱管理領域，涉及緊湊化的大功率固態(tài)激光器的熱管理技術，尤其涉及基于噴霧汽化的大功率激光器熱管理裝置及方法。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著二極管激光器(LD)的研究成果逐漸轉為實際應用及其商業(yè)化大規(guī)模生產，二極管激光器的可靠性和性價比均得到了大幅提高。由于二極管激光器具有結構緊湊、電效率高及可模塊化等諸多有利于系統(tǒng)集成的優(yōu)點，二極管激光器已成為多種高能激光器系統(tǒng)如光纖激光器、光泵固體激光器、二極管泵浦堿金屬蒸氣激光器等的優(yōu)選泵浦源。
[0003]目前，泵浦激光二極管陣列的電-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于維持系統(tǒng)的后續(xù)正常運轉。例如，以稀土摻雜光纖作為激光介質的光纖激光器，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范圍，一個976nm泵浦產生1080nm激光的光纖激光器，其吸收峰位于976±3nm，而某型號的泵浦LD陣列的中心波長溫度系數為0.32nm/°C。維持泵浦源的恒定工作溫度對系統(tǒng)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(tǒng)來保證二極管激光器的穩(wěn)定工作，從而保證整個激光器系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定工作。
[0004]現有的工業(yè)激光系統(tǒng)如業(yè)界龍頭企業(yè)IPG photonics等生產的千瓦級以上光纖激光器一般采用水冷系統(tǒng)，在熱流密度相對較低且對系統(tǒng)的機動性要求不高時，水冷散熱系統(tǒng)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(yōu)勢，當熱流密度超過25W/cm2，且對系統(tǒng)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(yōu)勢，水冷系統(tǒng)已經凸顯不足。

【發(fā)明內容】
.
[0005]本發(fā)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(wěn)定的基于噴霧汽化的大功率激光器熱管理裝置，還相應提供一種簡單易行、效率高、對環(huán)境友好的基于噴霧汽化的大功率激光器熱管理方法。
[0006]為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是一種基于噴霧汽化的大功率激光器熱管理裝置，所述大功率激光器上設有一激光器熱沉，所述熱管理裝置包括一裝設于所述激光器熱沉上的高壓噴霧室，所述高壓噴霧室內設有用于將液體制冷劑轉化為霧狀液滴制冷劑并噴射于所述激光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于向所述噴霧嘴陣列提供所述液體制冷劑的過渡室相鄰，所述過渡室通過一高壓電動泵與用于儲存所述液體制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(qū)，所述霧液回聚區(qū)內設有一液位傳感器，所述霧液回聚區(qū)通過所述高壓電動泵與所述過渡室相連，所述霧液回聚區(qū)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于使所述高壓噴霧室內壓力維持在一恒定壓力值的泄壓閥。
[0007]上述的熱管理裝置中，所述噴霧嘴陣列由薄金屬盤片疊加并通過擴散焊制成，所述噴霧嘴陣列上的噴孔直徑優(yōu)選0.1mm?0.3mm。
[0008]上述的熱管理裝置中，所述薄金屬盤片的厚度優(yōu)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，所述泄壓閥優(yōu)選機械式泄壓閥或電磁式泄壓閥，機械式泄壓閥通過閥內壓縮彈簧控制，電磁式泄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(yōu)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于一吸收水桶內，并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(fā)明還提供了一種利用上述熱管理裝置實現的基于噴霧汽化的大功率激光器熱管理方法，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制冷劑抽取至過渡室，過渡室內的液體制冷劑通過高壓噴霧室的噴霧嘴陣列轉化為霧狀液滴制冷劑，霧狀液滴制冷劑進入高壓噴霧室后噴射于激光器熱沉上，通過吸收激光器熱沉上的廢熱發(fā)生部分汽化并使激光器熱沉冷卻，所得氣體制冷劑不斷增大高壓噴霧室內的壓力并通過氣壓傳感器將壓力值反饋至泄壓閥，當高壓噴霧室內的壓力達到泄壓閥設定的氣體制冷劑飽和壓力時，泄壓閥開啟，由排氣管將過量的氣體制冷劑排出高壓噴霧室以維持高壓噴霧室內飽和壓力恒定，通過飽和壓力對應的恒定沸點實現對激光器熱沉的恒溫控制，同時，未汽化的霧狀液滴制冷劑流向高壓噴霧室底部的霧液回聚區(qū)中，重新匯集形成液體制冷劑；
[0015](2)將霧液回聚區(qū)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制冷劑的回聚量；在霧液回聚區(qū)內液體制冷劑的液位上升階段，當液位低于高液位值時，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制冷劑通過高壓電動泵抽取至過渡室，當液位高于高液位值時，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制冷劑，切換為抽取霧液回聚區(qū)內的液體制冷劑送至過渡室；在霧液回聚區(qū)內液體制冷劑的液位下降階段，當液位低于高液位值且高于低液位值時，保持第一單向閥關閉和第二單向閥開啟，霧液回聚區(qū)內的液體制冷劑通過高壓電動泵抽取至過渡室，當液位低于低液位值時，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(qū)內的液體制冷劑，切換為抽取高壓儲液罐內的液體制冷劑送至過渡室；
[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(xù)進行。
[0017]上述的熱管理方法中，所述液體制冷劑優(yōu)選液氨。
[0018]上述的熱管理方法中，所述排氣管將過量的氣體制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]為保證激光器系統(tǒng)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(tǒng)必須具備維持泵浦源的恒定工作溫度范圍的能力。利用噴霧汽化冷卻具有過熱度小的優(yōu)點，選用合適的制冷劑和科學的系統(tǒng)結構設計來實現該溫度控制。
[0020]在本發(fā)明中，制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，在大量的純凈物中進行篩選。根據激光器的工作要求，制冷劑的沸點要低于二極管激光器的工作溫度。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(huán)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(fā)明選取液氨作為制冷劑，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】
1.一種基于噴霧汽化的大功率激光器熱管理裝置，所述大功率激光器上設有一激光器熱沉(8 )，其特征在于，所述熱管理裝置包括一裝設于所述激光器熱沉(8 )上的高壓噴霧室(9)，所述高壓噴霧室(9)內設有用于將液體制冷劑轉化為霧狀液滴制冷劑并噴射于所述激光器熱沉(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)與用于向所述噴霧嘴陣列(7)提供所述液體制冷劑的過渡室(6)相鄰，所述過渡室(6)通過一高壓電動泵(I)與用于儲存所述液體制冷劑的高壓儲液罐(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(qū)(11)，所述霧液回聚區(qū)(11)內設有一液位傳感器(12)，所述霧液回聚區(qū)(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(qū)(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)上設有用于使所述高壓噴霧室(9)內壓力維持在一恒定壓力值的泄壓閥(10)。
2.根據權利要求1所述的熱管理裝置，其特征在于，所述噴霧嘴陣列(7)由薄金屬盤片(19)疊加并通過擴散焊制成，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，其特征在于，所述薄金屬盤片(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，其特征在于，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，其特征在于，所述泄壓閥(10)為機械式泄壓閥或電磁式泄壓閥。
6.根據權利要求1?4中任一項所述的熱管理裝置，其特征在于，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，其特征在于，所述排氣管(14)的輸出端置于一吸收水桶(15)內，并與所述吸收水桶(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于噴霧汽化的大功率激光器熱管理方法，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制冷劑抽取至過渡室，過渡室內的液體制冷劑通過高壓噴霧室的噴霧嘴陣列轉化為霧狀液滴制冷劑，霧狀液滴制冷劑進入高壓噴霧室后噴射于激光器熱沉上，通過吸收激光器熱沉上的廢熱發(fā)生部分汽化并使激光器熱沉冷卻，所得氣體制冷劑不斷增大高壓噴霧室內的壓力并通過氣壓傳感器將壓力值反饋至泄壓閥，當高壓噴霧室內的壓力達到泄壓閥設定的氣體制冷劑飽和壓力時，泄壓閥開啟，由排氣管將過量的氣體制冷劑排出高壓噴霧室以維持高壓噴霧室內飽和壓力恒定，通過飽和壓力對應的恒定沸點實現對激光器熱沉的恒溫控制，同時，未汽化的霧狀液滴制冷劑流向高壓噴霧室底部的霧液回聚區(qū)中，重新匯集形成液體制冷劑； (2)將霧液回聚區(qū)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制冷劑的回聚量；在霧液回聚區(qū)內液體制冷劑的液位上升階段，當液位低于高液位值時，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制冷劑通過高壓電動泵抽取至過渡室，當液位高于高液位值時，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制冷劑，切換為抽取霧液回聚區(qū)內的液體制冷劑送至過渡室；在霧液回聚區(qū)內液體制冷劑的液位下降階段，當液位低于高液位值且高于低液位值時，保持第一單向閥關閉和第二單向閥開啟，霧液回聚區(qū)內的液體制冷劑通過高壓電動泵抽取至過渡室，當液位低于低液位值時，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(qū)內的液體制冷劑，切換為抽取高壓儲液罐內的液體制冷劑送至過渡室； (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(xù)進行。
9.根據權利要求8所述的熱管理方法，其特征在于，所述液體制冷劑為液氨。
10.根據權利要求8或9所述的熱管理方法，其特征在于，所述排氣管將過量的氣體制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(yōu)先權日:2013年8月30日
【發(fā)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