Prefacio
Con la creciente aplicación de láseres de fibra, la confiabilidad de los láseres de fibra ha atraído cada vez más la atención, incluida la confiabilidad del rendimiento de salida del láser, la confiabilidad de los componentes electrónicos, la confiabilidad de los dispositivos ópticos, la confiabilidad de los sistemas, etc. Espere.La mayoría de estos están estrechamente relacionados con las propiedades térmicas del propio láser.Además, la temperatura tiene una gran influencia en el rendimiento del láser, especialmente en la potencia de salida y la estabilidad de salida del láser.
El calor del láser de fibra proviene principalmente de la fuente de bombeo y la cavidad de ganancia.Para la fuente de bombeo, su eficiencia de conversión es de alrededor del 50 %, lo que también significa que se genera una energía equivalente a la potencia óptica de salida en forma de calor.Si el calor no se puede disipar a tiempo, la temperatura del chip interno aumentará rápidamente y la longitud de onda central del láser se desviará a medida que aumenta la temperatura.Para la cavidad de ganancia, después de que la luz de la bomba ingresa a la fibra de ganancia activa, solo una parte se convierte en salida de láser y el resto de la energía se convierte en energía térmica.La energía térmica aumentará la temperatura del medio de ganancia, lo que dará como resultado la ampliación del espectro de fluorescencia y una vida útil corta de la emisión espontánea, lo que reducirá la eficiencia de conversión de energía.Por lo tanto, la gestión térmica tiene una importancia no despreciable para los láseres de fibra.En la actualidad, las tecnologías de gestión térmica más utilizadas son principalmente las de refrigeración por aire y por agua.Entre ellos, la tecnología de disipación de calor refrigerada por aire se utiliza principalmente en láseres pulsados de baja potencia y láseres continuos de baja potencia.La mayoría de los láseres de fibra de potencia media y alta utilizan disipación de calor refrigerada por agua como disipación de calor principal.
Dos formas de disipar el calor.
1. Refrigeración por agua
Como su nombre lo indica, el enfriamiento por agua es el uso de agua para eliminar el calor a través de un intercambiador de calor (como una placa de enfriamiento por agua).Su principio de funcionamiento también es muy simple, es decir, el agua fría en el enfriador fluye hacia el intercambiador de calor a través de la tubería de agua, luego sale de otro puerto del intercambiador de calor y luego fluye de regreso al enfriador a través de la tubería de agua. .El calor se aleja del interior del láser.
El método de disipación de calor enfriado por agua tiene una estructura simple y es fácil de mantener;la capacidad de disipación de calor es fuerte y la uniformidad de la temperatura es buena.El rendimiento de refrigeración del láser se puede mejorar mediante el uso de un enfriador con una mayor capacidad de refrigeración.En la actualidad, hay más de 500 fabricantes que integran y venden máquinas de soldadura láser portátiles en el mercado y, por lo general, utilizan refrigeración por agua.Sin embargo, además del propio láser, la máquina de soldadura láser portátil con refrigeración por agua también requiere enfriadores y agua adicionales, lo que da como resultado un aumento sustancial en el volumen y el peso total del equipo, y entornos de uso limitado.
2. Refrigeración por aire
En un sentido amplio, la disipación de calor enfriada por aire se refiere al uso de ventiladores para mejorar la convección del aire y completar el intercambio de calor dentro de la máquina.Con la mejora de la tecnología, los principales fabricantes de láser han comenzado a pisar el campo de la refrigeración por aire y la disipación de calor.En junio del año pasado, el gigante mundial del láser de fibra I Company lanzó el producto de soldadura láser portátil LightWELD 1500W refrigerado por aire;en agosto, GW lanzó la soldadora láser inteligente A1500W refrigerada por aire en China;En octubre, la empresa Reci también lanzó la máquina de soldadura láser refrigerada por aire FCA1500.láser.
▲ Soldadora láser refrigerada por aire: reci, IPG, GW
(La imagen proviene de Internet, si hay alguna infracción, contáctenos para eliminarla)
Estos tres láseres están destinados principalmente al segmento de mercado de la soldadura láser manual.Los láseres enfriados por aire pueden hacer que el trabajo sea más flexible y portátil.Los tres láseres utilizan disipación de calor refrigerada por aire sin equipos adicionales de refrigeración por agua, lo que reduce los costes.Al mismo tiempo, el tamaño y el peso del equipo se reducen considerablemente.Aunque ambos se denominan láseres enfriados por aire, los esquemas de disipación de calor enfriados por aire utilizados son diferentes, incluidos el enfriamiento por ventilador, el enfriamiento por radiador de tubería de calor y el enfriamiento y enfriamiento por compresor.(1) Disipación de calor por ventilador En el láser, el calor generado dentro de la fuente de la bomba y la cavidad de ganancia se disipa usando un sustrato con buena conductividad térmica (como cobre, nitruro de aluminio, etc.), y luego el calor se disipa por convección.Este método se llama enfriamiento por convección.La transferencia de calor por convección se puede dividir en convección natural y disipación de calor por convección forzada de acuerdo con la fuerza impulsora del flujo de fluido.En ausencia de una fuerza externa, solo la diferencia de temperatura del fluido puede hacer que el fluido fluya espontáneamente para conducir la transferencia de calor, lo que llamamos convección natural;cuando existe una fuerza motriz externa, es decir, el fluido es impulsado por ventiladores, ventiladores y otros componentes.flujo, eliminando así el calor, lo llamamos convección forzada.Debido a la disipación de calor extremadamente lenta y al efecto deficiente de la convección natural, no puede cumplir completamente con los requisitos de disipación de calor de los láseres.Por lo tanto, es necesario agregar un ventilador a todo el sistema de enfriamiento para acelerar el flujo de aire y convertir la convección natural en convección forzada.
▲ Principio de refrigeración por ventilador
(2) Radiador de tubo de calor para disipar el calor
La disipación de calor del radiador de tubo de calor significa que el tubo de calor se basa en el cambio de fase del líquido de trabajo dentro de sí mismo para lograr la transferencia de calor.Este líquido tiene un punto de ebullición bajo y es fácil de volatilizar.Un extremo del tubo de calor es el extremo de evaporación, que está conectado al disipador de calor dentro del láser;el otro extremo es el extremo de condensación, que está conectado al disipador de calor externo y al ventilador.La pared del tubo tiene una mecha absorbente de líquidos, que está compuesta de materiales porosos capilares.Cuando el láser se calienta, el extremo de evaporación se calienta, el líquido de trabajo se evapora rápidamente, el vapor fluye hacia el extremo de condensación bajo la diferencia de presión y se libera el calor, que se descarga a través del ventilador;al mismo tiempo, el vapor se condensa nuevamente en líquido y el líquido regresa a la sección de evaporación a través de la mecha.(Si se trata de un tubo de calor por gravedad, no hay mecha y el líquido se adhiere a la pared del tubo y fluye de regreso a la sección de evaporación inferior por gravedad).Este ciclo no se detiene y el calor se transfiere desde el interior del láser hacia el exterior.
▲ Principio de disipación de calor del radiador de tubo de calor
El sistema de soldadura láser portátil LightWELD 1500 de IPG utiliza una solución de enfriamiento de radiador de tubería de calor.El diseño y la fabricación de LightWELD se caracteriza por su pequeño tamaño y peso ligero, lo que lleva a una nueva generación de cambios en la máquina de soldadura láser portátil actual.Además de la soldadura, también realiza las funciones de limpieza y soldadura láser manual.La máquina de soldadura láser portátil LightWELD adopta el método de enfriamiento por aire, sin el consumo de energía requerido por el equipo enfriador adicional, lo que elimina las tuberías, los componentes, los enlaces de control y mantenimiento del enfriador, lo que reduce los costos y aumenta la portabilidad y mejora la confiabilidad general del sistema.
▲ Sistema de soldadura láser portátil LightWELD 1500
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(3) refrigeración y refrigeración del compresor
Refrigeración del compresor y principio de disipación de calor: el compresor comprime el refrigerante, lo convierte en un gas de alta temperatura y alta presión, y fluye hacia el condensador externo.El gas de alta temperatura y alta presión se condensa en un líquido de baja temperatura y alta presión, y el calor generado por la licuefacción se descarga fuera de la máquina con el ventilador.El refrigerante líquido de baja temperatura y alta presión se despresuriza a través de la válvula de expansión y se convierte en un estado de baja temperatura, baja presión y fácil evaporación, y fluye hacia el evaporador interno.El evaporador absorbe calor para reducir la temperatura interna del láser para lograr el efecto de enfriamiento, y luego el refrigerante se vaporiza en un gas de alta temperatura y baja presión.El refrigerante de gas evaporado por el evaporador es comprimido nuevamente por el compresor y circula de un lado a otro, lo que realiza la disipación de calor dentro de la máquina.
▲ Refrigeración del compresor y principio de disipación de calor
La máquina de soldadura portátil inteligente refrigerada por aire A1500W lanzada por GW Laser utiliza el esquema de refrigeración y disipación de calor del compresor.GW Laser se centra en la exploración e innovación continuas de la tecnología de 976nm
Combinado con la alta eficiencia de conversión fotoeléctrica de 976nm, resolvió de manera creativa el problema de la capacidad de enfriamiento refrigerado por aire y lanzó la primera tecnología de 976nm refrigerada por aire en la industria, que resolvió los problemas de consumo de energía y portabilidad, y una vez más lideró el dirección de desarrollo tecnológico de láseres de fibra.Este modelo ha realizado la función tres en uno de soldadura, corte y limpieza.
▲ Soldadora de mano inteligente refrigerada por aire GW Laser A1500W
Comparación de varios métodos de enfriamiento
La estructura del enfriamiento por ventilador es relativamente simple.Simplemente distribuye el calor del disipador de calor al disipador de calor y luego utiliza la diferencia de temperatura entre el disipador de calor y el aire ambiente para disipar el calor a través de la convección forzada del ventilador.Cuando la temperatura ambiente es demasiado alta en verano, la diferencia de temperatura entre el disipador de calor y el aire es demasiado pequeña y la capacidad de disipación de calor se reduce considerablemente.Solo puede disipar el calor de forma pasiva, se ve muy afectado por el medio ambiente y no puede controlar la temperatura con precisión.La ventaja es que el equipo general y el sistema de control son simples.
En comparación con el método de enfriamiento por ventilador simple, el radiador de tubería de calor tiene más tuberías de calor, por lo que su estructura es relativamente complicada.Se basa en la evaporación y condensación del material de trabajo para transferir rápidamente el calor del disipador de calor al disipador de calor y luego disipar el calor en el aire a través del ventilador.También pertenece a la disipación de calor pasiva, que no puede controlar con precisión la temperatura y se ve muy perturbada por la temperatura ambiente.
El esquema de disipación de calor y enfriamiento del compresor pertenece a la disipación de calor activa.Debido a la existencia del compresor y la válvula de expansión, la temperatura se puede controlar con precisión ajustando el flujo y la presión del refrigerante.Al mismo tiempo, la temperatura del refrigerante en el condensador es más alta que la del disipador de calor, lo que conduce a una rápida generación de calor.transmitido al aire.Su sistema de control es más complicado;al mismo tiempo, debido a que su estructura es mucho más complicada que los dos esquemas anteriores, el volumen y el peso del equipo también aumentan en consecuencia.
La mayoría de los láseres de fibra tradicionales utilizan refrigeración por agua para disipar el calor.Primero, el agua se enfría con la refrigeración del compresor y luego el láser se enfría con agua.El esquema de disipación de calor enfriado por aire de Guanghui Laser utiliza directamente el enfriamiento del compresor para enfriar el láser, abandonando la existencia de agua y eliminando el enlace intermedio de transferencia de calor, por lo que la eficiencia de disipación de calor es mayor y el volumen y el peso pueden reducirse.
En el laboratorio, usamos una caja de prueba de temperatura y humedad constante para establecer 35 °C para simular el entorno de uso de alta temperatura en verano, y probamos el cambio de temperatura de la fibra de ganancia interna del láser con diferentes esquemas de enfriamiento de aire bajo la condición de potencia total de 1500W..A partir de los datos experimentales, se puede ver claramente que la temperatura de la fibra aumenta exponencialmente en los primeros minutos y se estabiliza alrededor de los 10 minutos.Debido al efecto de enfriamiento del compresor, el láser se puede enfriar activamente, por lo que la temperatura se puede controlar por debajo de 60 °C y el cambio de temperatura es relativamente estable;mientras que los otros dos solo pueden confiar en la disipación de calor pasiva, por lo que la temperatura interna es ligeramente más alta que la del esquema de enfriamiento del compresor;, Debido a la alta eficiencia de transferencia de calor del tubo de calor, el calor puede exportarse bien desde el interior del láser, por lo que su temperatura interna es más baja que la de un ventilador puro y el aumento de temperatura es más suave.
▲ La temperatura cambia con el tiempo cuando el láser emite un láser de 1,5 kW con diferentes esquemas de refrigeración por aire
(datos de laboratorio, puede haber desviaciones del uso de campo real)
Epílogo
En el campo de los láseres de fibra, GW Laser siempre ha tenido como objetivo al gigante mundial del láser IPG.Es la ventaja de la marca única de Guanghui crear productos con calidad militar.Hace muchos años, GW Laser comenzó a organizar fuerzas de investigación científica para llevar a cabo una exploración continua en el enfriamiento del aire y la disipación de calor.En el futuro, continuaremos mejorando este aspecto, mejorando continuamente la estabilidad de los productos, realizando actualizaciones iterativas de productos y tecnologías, y satisfaciendo las necesidades de más industrias.necesidades de procesamiento
Hora de publicación: 10-mar-2022