一種基于板條式激光器的高密度熱流相變儲熱散熱系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于板條式激光器的高密度熱流相變儲熱散熱系統(tǒng)，包括一體化層流結構、液體循環(huán)管路、相變儲熱散熱裝置和導熱液體；一體化層流結構包括第一分流結構、第二分流結構、全反射板條和晶體板條；相變儲熱散熱裝置包括相變材料和相變材料固定結構；導熱液體從液體循環(huán)管路中進入第一分流結構、晶體板條間縫隙和第二分流結構，將全反射板條與晶體板條的熱量帶走，導熱液體從低溫變?yōu)楦邷?；導熱液體相變儲熱散熱裝置中流過，相變材料吸收導熱液體中熱量，從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，流經(jīng)的導熱液體從高溫變?yōu)榈蜏乩^續(xù)循環(huán)，激光器停止工作后，相變材料緩慢散熱，由液態(tài)還原為固態(tài)；相變儲熱散熱裝置可重復使用，適用于Nd:YAG、Yb:YAG等多種板條式固體激光器。
【專利說明】一種基于板條式激光器的高密度熱流相變儲熱散熱系統(tǒng)

【技術領域】
[0001] 一種基于板條式激光器的高密度熱流相變儲熱散熱系統(tǒng)，可用于Nd:YAG、Yb:YAG 等板條式高功率激光器及其它高功率激光器系統(tǒng)，屬于高能激光領域。

【背景技術】
[0002] 高功率激光具有廣泛用途，在軍事上，高能激光可應用于地基、?；?、機載、天基激 光武器，多年來美國已經(jīng)投入攻關了多個激光武器項目研究和試驗；在民用中，高能激光器 在工業(yè)加工、焊接、雕刻、清潔方面有廣泛應用。自80年代至今，高能激光也一直是我國高 度重視研究的方向之一，高能化學激光器、氧碘激光器已經(jīng)具有成熟產(chǎn)品和廣泛工業(yè)應用。 隨著技術的發(fā)展，固體激光器因其轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、輸出功率高有了快速發(fā)展，在 高能激光器中板條式固體激光器成為高能激光器中新興的研究方向，在較多應用方面正在 慢慢取代化學激光器、氧碘激光器。
[0003] 在軍事或工業(yè)使用高功率板條式固體激光器中，其常規(guī)水冷散熱方式體積龐大、 搬運困難，對高功率固體激光器的車載、機載、天基平臺的軍事應用，特殊產(chǎn)品部位的焊接、 清潔、雕刻等工業(yè)應用的移動作業(yè)具有較大限制條件。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于：克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于板條式高功率激光器的 高密度熱流相變儲熱散熱系統(tǒng)，該相變儲熱散熱系統(tǒng)專門針對板條式激光器，設計了一種 與激光器增益池結構一體化設計的層流導熱裝置，儲熱散熱系統(tǒng)可使高功率激光器或高峰 值功率激光器脫離地面大型水冷設備，使高功率激光器的散熱系統(tǒng)成為獨立儲熱散熱設 備，適用于要求搬運方便的大型地面試驗中，移動式工業(yè)加工、車載激光武器、機載激光武 器、天基激光武器等多種平臺的集成設計。
[0005] 本發(fā)明的技術解決方案為：
[0006] -種基于板條式激光器的高密度熱流相變儲熱散熱系統(tǒng)，包括：一體化層流結 構、液體循環(huán)管路、相變儲熱散熱裝置和導熱液體；一體化層流結構又包括第一分流結構、 第二分流結構、全反射板條和晶體板條；相變儲熱散熱裝置包括相變材料和相變材料固定 結構；
[0007] -體化層流結構、液體循環(huán)管路和相變儲熱散熱裝置形成循環(huán)回路，導熱液體在 該循環(huán)回路中循環(huán)流動且導熱液體的折射率為1?2。
[0008] 晶體板條位于兩個全反射板條之間，晶體板條的數(shù)量為正整數(shù)N，且全反射板條與 相鄰的晶體板條之間以及晶體板條與相鄰的晶體板條之間均存在縫隙，激光器產(chǎn)生的激光 在兩個全反射板條之間反射傳輸，激光穿過晶體板條和所述縫隙；
[0009] 第一分流結構和第二分流結構結構相同，均為一分Μ結構，M = N+1 ;且第一分流結 構和第二分流結構的分流端口與所述縫隙密封連接，使得導熱液體從液體循環(huán)管路中進入 第一分流結構，之后依次經(jīng)過第一分流結構、所述縫隙和第二分流結構再次進入液體循環(huán) 管路，將全反射板條與晶體板條的熱量帶走，導熱液體從低溫變?yōu)楦邷兀?br> [0010] 相變材料固定結構為蜂窩狀結構，相變材料嵌在蜂窩狀結構中，導熱液體從嵌入 相變材料的蜂窩狀結構中流過，相變材料吸收導熱液體中的熱量，發(fā)生相變，從固態(tài)變?yōu)橐?態(tài)，流經(jīng)相變儲熱散熱裝置的導熱液體從高溫變?yōu)榈蜏乩^續(xù)循環(huán)，激光器停止工作后，相變 材料緩慢散熱，由液態(tài)還原為固態(tài)；
[0011] 流入一體化層流結構的導熱液體的溫度低于全反射板條與晶體板條的溫度。
[0012] 所述導熱液體的折射率n3滿足n2〈n3〈nl，其中，nl為全反射板條的折射率，n2為 晶體板條的折射率。所述相變材料為有機烷烴類，相變溫度范圍為5°C?30°C。
[0013] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于：
[0014] (1)、本發(fā)明專門針對板條式高功率激光器，提出了一種與增益池一體化結構設計 的、相變溫度與激光器工作溫度匹配的、可獨立于地面大型水冷設備的新型相變儲熱散熱 系統(tǒng)設計方案。該儲熱散熱方案采用相變材料在短時間內(nèi)儲存激光出光過程中產(chǎn)生大量熱 量，裝置獨立易于搬動。
[0015] (2)、本發(fā)明專門針對板條式高功率激光器，設計了一種與增益池一體化結構設計 的層流散熱結構，可置于增益池內(nèi)部，提高了換熱效率、減少了設備體積，且不影響激光的 傳輸。
[0016] (3)、本發(fā)明針對板條式激光器常用增益池結構，設計了一種與全反射板條、晶體 板條匹配的、密封性好的一分Μ分流結構，結構設計考慮了了與導熱液體流體系數(shù)的匹配， 最大化提高了散熱效率。
[0017] (4)、本發(fā)明專門針對板條式高功率激光器，發(fā)明了一種與增益池板條折射率匹配 的導熱液體，激光器出光過程中，導熱液體循環(huán)既可以吸收導走熱量，又不影響激光的振蕩 放大。
[0018] (5)、本發(fā)明針對短時間內(nèi)的高密度熱流激光，設計了一種可易于搬動的、儲熱效 率高集成化相變儲熱散熱裝置，其內(nèi)填充的相變材料為有機烷烴，其相變溫度與激光器工 作溫度匹配，儲熱效率和總儲熱量與激光器電光轉(zhuǎn)換效率、工作時間匹配。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明中相變儲熱散熱系統(tǒng)組成示意圖。

【具體實施方式】
[0020] 如圖1所示，本發(fā)明提供了一種基于板條式激光器的高密度熱流相變儲熱散熱系 統(tǒng)，包括：一體化層流結構1、液體循環(huán)管路2、相變儲熱散熱裝置3和導熱液體4 ;一體化層 流結構1又包括第一分流結構5、第二分流結構6、全反射板條7和晶體板條8 ;相變儲熱散 熱裝置3包括相變材料9和相變材料固定結構10 ;
[0021] 一體化層流結構1、液體循環(huán)管路2和相變儲熱散熱裝置3形成循環(huán)回路，一體化 層流結構放置在板條式激光器增益池內(nèi)部，導熱液體4在該循環(huán)回路中循環(huán)流動且導熱液 體4的折射率為1?2。
[0022] 晶體板條8位于兩個全反射板條7之間，晶體板條8的數(shù)量為正整數(shù)Ν，且全反射 板條7與相鄰的晶體板條8之間以及晶體板條8與相鄰的晶體板條8之間均存在縫隙，激 光器產(chǎn)生的激光在兩個全反射板條7之間反射傳輸，激光穿過晶體板條8和所述縫隙；
[0023] 第一分流結構5和第二分流結構6結構相同，均為一分Μ結構，Μ = N+1 ;且第一 分流結構5和第二分流結構6的分流端口與所述縫隙密封連接，使得導熱液體4從液體循 環(huán)管路2中進入第一分流結構5,之后依次經(jīng)過第一分流結構5、所述縫隙和第二分流結構 6再次進入液體循環(huán)管路2,將全反射板條7與晶體板條8的熱量帶走，導熱液體4從低溫 變?yōu)楦邷兀?br> [0024] 相變材料固定結構10為蜂窩狀結構，相變材料9嵌在蜂窩狀結構中，導熱液體4 從嵌入相變材料9的蜂窩狀結構中流過，相變材料9吸收導熱液體4中的熱量，發(fā)生相變， 從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，流經(jīng)相變儲熱散熱裝置3的導熱液體4從高溫變?yōu)榈蜏乩^續(xù)循環(huán)，激光器 停止工作后，相變材料9緩慢散熱，由液態(tài)還原為固態(tài)。
[0025] 相變儲熱散熱系統(tǒng)可重復使用，適用于Nd:YAG、Yb:YAG等多種板條式固體激光 器。
[0026] 流入一體化層流結構1的導熱液體4的溫度低于全反射板條7與晶體板條8的溫 度。
[0027] 依據(jù)不同尺寸的增益池要求，相變儲熱散熱系統(tǒng)的增益池一體化層流結構將增益 池內(nèi)部分為M(M為大于1的正整數(shù)，一般為2?5)層。激光在增益池內(nèi)振蕩時，每次光路 均穿過相變儲熱散熱系統(tǒng)的增益池一體化層流結構和導熱液體。導熱液體4的折射率n3 滿足n2〈n3〈nl，其中，nl為全反射板條7的折射率，n2為晶體板條8的折射率。
[0028] 所述相變材料9為有機烷烴類，相變溫度范圍為5°C?30°C，該溫度的選擇與激光 器的工作溫度匹配，且與換熱效率、總儲熱量有直接關系。
[0029] 本發(fā)明針對現(xiàn)有板條式高功率激光器在軍事、民用應用方面受到的限制，創(chuàng)新性 提出了一種與增益池一體化結構設計的、相變溫度與激光器工作溫度匹配的、可獨立于 地面大型水冷設備的新型相變儲熱換熱系統(tǒng)設計方案。該相變儲熱散熱系統(tǒng)專門針對 Nd:YAG、Yb:YAG等多種板條式固體激光器，與增益池一體化結構設計的層流散熱結構，可置 于增益池內(nèi)部，提高了換熱效率、減小了設備體積；在激光器出光過程中，與增益池板條折 射率匹配的導熱液體循環(huán)可以吸收導走熱量，又不影響激光的振蕩放大；采用相變材料在 短時間內(nèi)儲存激光出光過程中的大量熱量。儲熱散熱系統(tǒng)可使高功率板條式固體激光器 (含高峰值功率激光器）脫離地面大型水冷設備，使其散熱系統(tǒng)成為獨立式、便攜的儲熱散 熱設備，本發(fā)明該儲熱散熱方案適用于要求搬運方便的特殊產(chǎn)品或特殊部位的焊接、清潔、 雕刻等工業(yè)應用或大型地面試驗中，也方便車載、機載、天基激光武器等多種軍用平臺的集 成設計。
【權利要求】
1. 一種基于板條式激光器的高密度熱流相變儲熱散熱系統(tǒng)，其特征在于包括：一體化 層流結構（1)、液體循環(huán)管路（2)、相變儲熱散熱裝置（3)和導熱液體（4);一體化層流結構 (1)又包括第一分流結構（5)、第二分流結構（6)、全反射板條（7)和晶體板條（8);相變儲 熱散熱裝置（3)包括相變材料（9)和相變材料固定結構（10); 一體化層流結構（1)、液體循環(huán)管路（2)和相變儲熱散熱裝置（3)形成循環(huán)回路，導熱 液體（4)在該循環(huán)回路中循環(huán)流動且導熱液體（4)的折射率為1?2 ; 晶體板條（8)位于兩個全反射板條（7)之間，晶體板條（8)的數(shù)量為正整數(shù)N，且全反 射板條（7)與相鄰的晶體板條⑶之間以及晶體板條⑶與相鄰的晶體板條⑶之間均存 在縫隙，激光器產(chǎn)生的激光在兩個全反射板條（7)之間反射傳輸，激光穿過晶體板條（8)和 所述縫隙； 第一分流結構（5)和第二分流結構（6)結構相同，均為一分Μ結構，Μ = N+1 ;且第一 分流結構（5)和第二分流結構（6)的分流端口與所述縫隙密封連接，使得導熱液體（4)從 液體循環(huán)管路（2)中進入第一分流結構（5)，之后依次經(jīng)過第一分流結構（5)、所述縫隙和 第二分流結構（6)再次進入液體循環(huán)管路（2)，將全反射板條（7)與晶體板條（8)的熱量帶 走，導熱液體（4)從低溫變?yōu)楦邷兀? 相變材料固定結構（10)為蜂窩狀結構，相變材料（9)嵌在蜂窩狀結構中，導熱液體（4) 從嵌入相變材料（9)的蜂窩狀結構中流過，相變材料（9)吸收導熱液體（4)中的熱量，發(fā)生 相變，從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，流經(jīng)相變儲熱散熱裝置（3)的導熱液體（4)從高溫變?yōu)榈蜏乩^續(xù)循 環(huán)，激光器停止工作后，相變材料（9)緩慢散熱，由液態(tài)還原為固態(tài)； 流入一體化層流結構（1)的導熱液體（4)的溫度低于全反射板條（7)與晶體板條（8) 的溫度。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于板條式激光器的高密度熱流相變儲熱散熱系統(tǒng)，其 特征在于：所述導熱液體（4)的折射率η3滿足112〈113〈111，其中，111為全反射板條（7)的折 射率，η2為晶體板條（8)的折射率。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于板條式激光器的高密度熱流相變儲熱散熱系統(tǒng)，其 特征在于：所述相變材料（9)為有機烷烴類，相變溫度范圍為5°C?30°C。
【文檔編號】H01S3/042GK104218435SQ201410484000
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月19日 優(yōu)先權日:2014年9月19日
【發(fā)明者】張佳, 韓新民, 劉萬發(fā), 王金昌, 溫聚英, 公發(fā)全, 袁本立, 李成祥, 閆波 申請人:中國運載火箭技術研究院