序文
ファイバーレーザーの用途拡大に伴い、レーザー出力性能の信頼性、電子部品の信頼性、光デバイスの信頼性、システムの信頼性など、ファイバーレーザーの信頼性にますます注目が集まっています。これらのほとんどは、レーザー自体の熱特性に密接に関連しています。さらに、温度はレーザーの性能、特にレーザーの出力パワーと出力安定性に大きな影響を与えます。
ファイバーレーザーの熱は、主にポンプ光源とゲインキャビティから発生します。励起光源の場合、その変換効率は約50%であり、これは出力光パワーに相当するエネルギーが熱の形で発生することも意味します。熱が時間内に消散できない場合、内部チップの温度が急速に上昇し、温度が上昇するにつれてレーザーの中心波長がドリフトします。ゲイン キャビティでは、ポンプ光がアクティブ ゲイン ファイバーに入った後、その一部のみがレーザー出力に変換され、残りのエネルギーは熱エネルギーに変換されます。熱エネルギーは利得媒質の温度を上昇させ、その結果、蛍光スペクトルが広がり、自然放出の寿命が短くなり、エネルギー変換効率が低下します。したがって、熱管理はファイバーレーザーにとって無視できない重要性を持っています。現在、一般的に使用されている熱管理技術は、主に空冷と水冷です。その中で、空冷放熱技術は、主に低出力パルスレーザーと低出力連続レーザーで使用されます。中出力および高出力ファイバーレーザーのほとんどは、主な熱放散として水冷熱放散を使用しています。
熱を放散する2つの方法
1. 水冷
名前が示すように、水冷は、水を使用して熱交換器 (水冷プレートなど) を介して熱を奪うことです。その動作原理も非常に単純です。つまり、チラー内の冷水が水道管を通って熱交換器に流れ込み、熱交換器の別のポートから出て、水道管を通ってチラーに戻ります。 .熱はレーザーの内部から運び去られます。
水冷式の放熱方式は構造がシンプルでメンテナンスも容易です。放熱能力が強く、温度均一性が良好です。より大きな冷却能力を持つチラーを使用することで、レーザーの冷却性能を向上させることができます。現在、ハンドヘルドレーザー溶接機を市場に統合して販売しているメーカーは500社以上あり、通常は水冷を使用しています。ただし、レーザー自体に加えて、水冷式のハンドヘルドレーザー溶接機には追加のチラーと水も必要であり、その結果、装置全体の体積と重量が大幅に増加し、使用環境が制限されます。
2.空冷
広義には、空冷式の放熱とは、ファンを使用して空気の対流を促進し、マシン内の熱交換を完了することを指します。技術の向上に伴い、主要なレーザー メーカーは、空冷と放熱の分野に足を踏み入れ始めています。昨年 6 月、世界的なファイバー レーザーの巨人である I 社は、空冷式の LightWELD 1500W ハンドヘルド レーザー溶接製品を発売しました。8月、GWは中国で空冷A1500Wインテリジェントレーザー溶接機を発売しました。10 月には、Reci 社も FCA1500 空冷レーザー溶接機をリリースしました。レーザ。
▲ 空冷レーザー溶接機：reci、IPG、GW
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これらの 3 つのレーザーは、主にハンドヘルド レーザー溶接の市場セグメントを対象としています。空冷レーザーは、作業をより柔軟でポータブルにします。3 つのレーザーはすべて、追加の水冷装置なしで空冷熱放散を使用するため、コストが削減されます。同時に、装置のサイズと重量が大幅に削減されます。どちらも空冷レーザーと呼ばれますが、ファン冷却、ヒートパイプラジエーター冷却、コンプレッサー冷却および冷却など、使用される空冷放熱スキームは異なります。(1) ファンによる放熱 レーザでは、励起光源やゲインキャビティ内で発生する熱を、熱伝導率の良い基板（銅や窒化アルミニウムなど）を用いて放熱し、対流によって放熱しています。この方法は対流冷却と呼ばれます。対流熱伝達は、流体の流れの駆動力に応じて、自然対流と強制対流熱放散に分けることができます。外力がない場合、流体の温度差だけが流体を自発的に流れさせて熱伝達を行うことができます。これを自然対流と呼びます。外部駆動力がある場合、つまり、流体はファン、ファン、およびその他のコンポーネントによって駆動されます。流れ、それによって熱を取り除きます。これを強制対流と呼びます。熱放散が非常に遅く、自然対流の効果が低いため、レーザーの熱放散要件を完全に満たすことはできません。したがって、冷却システム全体にファンを追加して、空気の流れを高速化し、自然対流を強制対流に変える必要があります。
▲ファン冷却原理
(2) 熱を放散するヒートパイプラジエーター
ヒート パイプ ラジエーターの熱放散は、ヒート パイプが内部の作動液体の相変化に依存して熱伝達を達成することを意味します。沸点が低く揮発しやすい液体です。ヒート パイプの一方の端は蒸発端で、レーザー内部のヒートシンクに接続されています。もう一方の端は凝縮端で、外部ヒートシンクとファンに接続されています。チューブの壁には液体を吸収する芯があり、これは毛細管多孔質材料で構成されています。レーザーが加熱されると、蒸発端が加熱され、作動液体が急速に蒸発し、蒸気が圧力差の下で凝縮端に流れ、熱が放出され、ファンから排出されます。同時に、蒸気は再び凝縮して液体になり、液体はウィックを通って蒸発セクションに戻ります。（重力式ヒートパイプの場合、ウィックがなく、液体がチューブ壁に付着し、重力により下部蒸発部に逆流します）。このサイクルは止まらず、熱はレーザーの内部から外部に伝達されます。
▲ヒートパイプラジエーターの放熱原理
IPG の LightWELD 1500 ハンドヘルド レーザー溶接システムは、ヒート パイプ ラジエーター冷却ソリューションを使用しています。LightWELD の設計と製造は、小型で軽量であることを特徴としており、現在のハンドヘルド レーザー溶接機に新世代の変化をもたらします。溶接に加えて、ハンディレーザー溶接とクリーニングの機能も実現します。LightWELD ハンドヘルド レーザー溶接機は空冷方式を採用しており、追加の冷却装置に必要な電力消費がなく、冷却装置の配管、コンポーネント、制御およびメンテナンス リンクが不要で、コストを削減しながら携帯性を高め、システムの全体的な信頼性を向上させます。
▲ LightWELD 1500 ハンドヘルド レーザー溶接システム
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(3) 圧縮機の冷却と冷却
コンプレッサーの冷凍と放熱の原理：コンプレッサーは冷媒を圧縮し、冷媒を高温高圧のガスに変え、外部コンデンサーに流れます。高温高圧の気体を凝縮させて低温高圧の液体にし、液化によって発生した熱をファンで機外に排出します。低温高圧の液冷媒は膨張弁で減圧され、低温低圧の蒸発しやすい状態になり、内部蒸発器に流れます。蒸発器は熱を吸収してレーザーの内部温度を下げて冷却効果を達成し、次に冷媒が気化して高温低圧のガスになります。エバポレーターで蒸発したガス冷媒は、コンプレッサーで再び圧縮されて前後に循環することで、機内の放熱を実現します。
▲コンプレッサーの冷凍と放熱の原理
GW Laser が発売した A1500W スマート空冷ハンドヘルド溶接機は、コンプレッサー冷却および放熱スキームを使用しています。GWレーザーは、976nm技術の継続的な探求と革新に焦点を当てています
976nmの高い光電変換効率と組み合わせることで、空冷冷却能力の問題を創造的に解決し、業界初の空冷976nm技術を立ち上げ、消費電力と携帯性の問題を解決し、再び市場をリードしました。ファイバーレーザーの技術開発の方向性。溶接・切断・洗浄の3つの機能を1台で実現したモデルです。
▲ GW Laser A1500W スマート空冷ハンドヘルド溶接機
複数の冷却方法の比較
ファン冷却の構造は比較的シンプルです。ヒートシンク内の熱をヒートシンクに単純に拡散し、ヒートシンクと周囲空気の温度差を利用して、ファンの強制対流によって熱を放散します。夏に周囲温度が高すぎると、ヒートシンクと空気の温度差が小さすぎて、放熱能力が大幅に低下します。熱を受動的に放散することしかできず、環境の影響を大きく受け、温度を正確に制御することはできません。利点は、全体的な機器と制御システムがシンプルであることです。
単純なファン冷却方式と比較して、ヒートパイプラジエーターはヒートパイプの数が多いため、構造が比較的複雑になります。作業物質の蒸発と凝縮に依存して、ヒートシンクからヒートシンクに熱をすばやく伝達し、ファンを介して空気中に熱を放散します。また、温度を正確に制御できず、周囲の温度によって大きく乱される受動的な熱放散にも属します。
コンプレッサーの冷却および放熱スキームは、アクティブな放熱に属します。コンプレッサーと膨張弁の存在により、冷媒の流れと圧力を調整することで、温度を正確に制御できます。同時に、凝縮器内の冷媒の温度はヒートシンクの温度よりも高く、急速な発熱を助長します。空気に伝達されます。その制御システムはより複雑です。同時に、その構造は上記の2つのスキームよりもはるかに複雑であるため、機器の体積と重量もそれに応じて増加します。
従来のファイバーレーザーのほとんどは、熱を放散するために水冷を使用しています。最初に、水が圧縮機の冷凍によって冷却され、次にレーザーが水によって冷却されます。広輝レーザーの空冷放熱方式は、コンプレッサー冷却を直接使用してレーザーを冷却し、水の存在を放棄し、中間の熱伝達リンクを排除するため、放熱効率が高くなり、体積と重量を小さくすることができます。
実験室では、恒温恒湿テスト ボックスを使用して 35°C に設定し、夏の高温使用環境をシミュレートし、その条件下でさまざまな空冷方式でレーザーの内部ゲイン ファイバーの温度変化をテストします。 1500Wのフルパワー。.実験データから、ファイバー温度が最初の数分間で指数関数的に上昇し、約 10 分で安定することが明確にわかります。コンプレッサーの冷却効果により、レーザーを積極的に冷却できるため、温度を60°C未満に制御でき、温度変化は比較的安定しています。他の2つは受動的な熱放散にしか依存できないため、内部温度はコンプレッサー冷却方式の温度よりわずかに高くなります。、 ヒートパイプの高い熱伝達効率により、熱はレーザーの内部からうまく排出されるため、内部温度は純粋なファンよりも低く、温度上昇はより穏やかです。
▲空冷方式の異なる1.5kWレーザー出力時の温度経時変化
(実験データ、実際の現場での使用とは異なる場合があります)
エピローグ
ファイバーレーザーの分野では、GWレーザーは常に世界的なレーザー大手IPGを目指してきました。ミリタリー品質の製品を作成することは、Guanghui のユニークなブランドの利点です。何年も前に、GW レーザーは、空冷と熱放散の継続的な調査を行うために科学研究部隊を組織し始めました。将来的には、この側面を改善し続け、製品の安定性を継続的に改善し、製品と技術の反復的なアップグレードを実現し、より多くの業界のニーズに応えます。処理ニーズ
投稿時間: 2022 年 3 月 10 日