머리말
파이버 레이저의 응용이 증가함에 따라 레이저 출력 성능의 신뢰성, 전자 부품의 신뢰성, 광학 장치의 신뢰성, 시스템의 신뢰성 등 파이버 레이저의 신뢰성이 점점 더 주목을 받고 있습니다.이들 중 대부분은 레이저 자체의 열 특성과 밀접한 관련이 있습니다.또한 온도는 레이저의 성능, 특히 레이저의 출력과 출력 안정성에 큰 영향을 미칩니다.
파이버 레이저의 열은 주로 펌프 소스와 게인 캐비티에서 나옵니다.펌프 소스의 경우 변환 효율이 약 50%이며 이는 출력 광 출력에 해당하는 에너지가 열의 형태로 생성됨을 의미합니다.열이 제때 소산되지 않으면 내부 칩의 온도가 급격히 상승하고 온도가 상승함에 따라 레이저의 중심 파장이 표류합니다.게인 캐비티의 경우 펌프 광이 활성 게인 광섬유에 들어간 후 일부만 레이저 출력으로 변환되고 나머지 에너지는 열 에너지로 변환됩니다.열 에너지는 이득 매질의 온도를 증가시켜 형광 스펙트럼을 넓히고 자발 방출 수명을 단축시켜 에너지 변환 효율을 감소시킵니다.따라서 열 관리는 파이버 레이저에서 무시할 수 없는 중요성을 가집니다.현재 일반적으로 사용되는 열 관리 기술은 주로 공냉식과 수냉식입니다.그 중 공냉식 방열 기술은 주로 저전력 펄스 레이저 및 저전력 연속 레이저에 사용됩니다.대부분의 중간 및 고출력 파이버 레이저는 수냉식 방열을 주요 방열로 사용합니다.
열을 발산하는 두 가지 방법
1. 수냉식
이름에서 알 수 있듯이 수냉식은 물을 사용하여 열 교환기(예: 수냉식 판)를 통해 열을 제거하는 것입니다.그 작동 원리도 매우 간단합니다. 즉, 냉각기의 냉수가 수관을 통해 열교환기로 유입된 다음 열교환기의 다른 포트에서 나온 다음 수관을 통해 냉각기로 다시 흐릅니다. .열은 레이저 내부에서 빠져나갑니다.
수냉식 방열 방식은 구조가 간단하고 유지 보수가 용이합니다.방열 능력이 강하고 온도 균일성이 좋습니다.냉각 용량이 큰 칠러를 사용하면 레이저의 냉각 성능을 향상시킬 수 있습니다.현재 시장에는 휴대용 레이저 용접기를 통합 판매하는 500개 이상의 제조업체가 있으며 일반적으로 수냉식을 사용합니다.그러나 레이저 자체 외에도 수냉식 휴대용 레이저 용접기는 추가 냉각기와 물이 필요하므로 장비의 전체 부피와 무게가 크게 증가하고 사용 환경이 제한됩니다.
2. 공기 냉각
넓은 의미에서 공냉식 방열은 팬을 사용하여 공기 대류를 향상시키고 기계 내부의 열 교환을 완료하는 것을 말합니다.기술의 향상과 함께 주요 레이저 제조업체는 공기 냉각 및 방열 분야에 발을 들여놓기 시작했습니다.작년 6월, 글로벌 파이버 레이저 거대 기업 I사는 공냉식 LightWELD 1500W 핸드헬드 레이저 용접 제품을 출시했습니다.8월에 GW는 중국에서 공랭식 A1500W 지능형 레이저 용접기를 출시했습니다.10월에 Reci 회사는 FCA1500 공랭식 레이저 용접기도 출시했습니다.레이저.
▲ 공랭식 레이저 용접기: reci, IPG, GW
(사진은 인터넷에서 가져온 것입니다. 침해가 있으면 저희에게 연락하여 삭제하십시오)
이 세 가지 레이저는 주로 핸드헬드 레이저 용접 시장 부문을 겨냥하고 있습니다.공냉식 레이저는 작업을 보다 유연하고 휴대 가능하게 만들 수 있습니다.세 가지 레이저 모두 추가 수냉식 장비 없이 공냉식 방열 방식을 사용하므로 비용이 절감됩니다.동시에 장비의 크기와 무게가 크게 줄어듭니다.둘 다 공냉식 레이저라고 하지만 팬 냉각, 히트 파이프 라디에이터 냉각, 컴프레서 냉각 및 냉각을 포함하여 사용되는 공냉식 방열 체계는 다릅니다.(1) 팬 방열 레이저에서 펌프 소스 및 게인 캐비티 내부에서 발생하는 열은 열전도율이 좋은 기판(예: 구리, 질화알루미늄 등)을 사용하여 방열한 다음 대류에 의해 방열합니다.이 방법을 대류 냉각이라고 합니다.대류열전달은 유체흐름의 추진력에 따라 자연대류와 강제대류 열소산으로 나눌 수 있다.외력이 없을 때 유체의 온도차만이 유체를 자발적으로 흐르게 하여 열 전달을 수행할 수 있으며, 이를 자연 대류라고 합니다.외부 구동력이 있는 경우, 즉 유체는 팬, 팬 및 기타 구성 요소에 의해 구동됩니다.흐름을 통해 열을 제거하는 것을 강제 대류라고 합니다.매우 느린 열 발산과 자연 대류의 열악한 효과로 인해 레이저의 열 발산 요구 사항을 완전히 충족할 수 없습니다.따라서 전체 냉각 시스템에 팬을 추가하여 공기 흐름을 가속화하고 자연 대류를 강제 대류로 전환해야 합니다.
▲ 팬 냉각 원리
(2) 열 발산을 위한 히트파이프 라디에이터
히트 파이프 라디에이터의 방열은 히트 파이프가 열 전달을 달성하기 위해 내부 작동 액체의 상 변화에 의존한다는 것을 의미합니다.이 액체는 끓는점이 낮고 휘발하기 쉽습니다.히트 파이프의 한쪽 끝은 레이저 내부의 방열판에 연결된 증발 끝입니다.다른 쪽 끝은 외부 방열판과 팬에 연결된 응축 끝입니다.튜브 벽에는 모세관 다공성 재료로 구성된 액체 흡수 심지가 있습니다.레이저가 가열되면 증발 끝이 가열되고 작동 액체가 빠르게 증발하고 증기가 압력 차이로 응축 끝으로 흐르고 열이 방출되어 팬을 통해 배출됩니다.동시에 증기는 다시 액체로 응축되고 액체는 심지를 통해 증발 섹션으로 다시 흐릅니다.(중력 히트파이프라면 심지가 없고 액체가 관벽에 달라붙어 중력에 의해 하부 증발부로 역류).이 주기는 멈추지 않고 레이저 내부에서 외부로 열이 전달됩니다.
▲ 히트파이프 라디에이터의 방열원리
IPG의 LightWELD 1500 휴대용 레이저 용접 시스템은 히트 파이프 라디에이터 냉각 솔루션을 사용합니다.LightWELD의 설계 및 제조는 작은 크기와 가벼운 무게가 특징이며, 현재 휴대용 레이저 용접기의 차세대 변화를 이끌고 있습니다.용접 외에도 휴대용 레이저 용접 및 청소 기능도 실현합니다.LightWELD 휴대용 레이저 용접기는 추가 냉각기 장비에 필요한 전력 소비 없이 공기 냉각 방식을 채택하여 냉각기 배관, 구성 요소, 제어 및 유지 보수 링크를 제거하고 비용을 절감하면서 휴대성을 높이고 시스템의 전반적인 신뢰성을 향상시킵니다.
▲ LightWELD 1500 휴대용 레이저 용접 시스템
(사진은 인터넷에서 가져온 것입니다. 침해가 있으면 저희에게 연락하여 삭제하십시오)
(3) 압축기 냉각 및 냉각
압축기 냉동 및 방열 원리: 압축기는 냉매를 압축하고 냉매를 고온 고압의 가스로 바꾸어 외부 응축기로 흐릅니다.고온고압의 기체를 응축시켜 저온고압의 액체로 만들고 액화에 의해 발생하는 열은 팬에 의해 기계 밖으로 배출된다.저온고압의 액체냉매는 팽창밸브를 거쳐 감압되어 저온저압의 증발하기 쉬운 상태가 되어 내부 증발기로 흐른다.증발기는 열을 흡수하여 레이저의 내부 온도를 낮추어 냉각 효과를 얻은 다음 냉매가 고온 저압 가스로 증발합니다.증발기에 의해 증발된 가스 냉매는 압축기에 의해 다시 압축되고 앞뒤로 순환하여 기계 내부의 방열을 실현합니다.
▲ 압축기 냉각 및 방열 원리
GW Laser가 출시한 A1500W 스마트 공랭식 핸드헬드 용접기는 압축기 냉각 및 방열 방식을 사용합니다.GW Laser는 976nm 기술의 지속적인 탐구와 혁신에 중점을 둡니다.
976nm의 높은 광전 변환 효율과 결합하여 공냉식 냉각 용량 문제를 창의적으로 해결하고 업계 최초로 공랭식 976nm 기술을 출시하여 전력 소비 및 휴대성 문제를 해결하고 다시 한 번 업계를 주도했습니다. 파이버 레이저의 기술 발전 방향.이 모델은 용접, 절단 및 청소의 3-in-1 기능을 실현했습니다.
▲ GW 레이저 A1500W 스마트 공랭식 휴대용 용접기
여러 냉각 방식 비교
팬 냉각의 구조는 비교적 간단합니다.단순히 방열판의 열을 방열판으로 확산시킨 다음 방열판과 주변 공기 사이의 온도 차이를 이용하여 팬의 강제 대류를 통해 열을 발산합니다.여름에 주변 온도가 너무 높으면 방열판과 공기 사이의 온도차가 너무 작아서 방열 용량이 크게 감소합니다.수동적으로만 열을 발산할 수 있고 환경에 크게 영향을 받으며 온도를 정확하게 제어할 수 없습니다.장점은 전반적인 장비와 제어 시스템이 간단하다는 것입니다.
단순 팬 냉각 방식에 비해 히트파이프 라디에이터는 히트파이프가 많아 상대적으로 구조가 복잡하다.작업 재료의 증발 및 응축에 의존하여 방열판에서 방열판으로 열을 신속하게 전달한 다음 팬을 통해 공기 중으로 열을 분산시킵니다.또한 온도를 정확하게 제어할 수 없고 주변 온도에 크게 영향을 받는 수동 방열에 속합니다.
압축기 냉각 및 방열 체계는 능동 방열에 속합니다.압축기와 팽창밸브가 있어 냉매의 흐름과 압력을 조절하여 온도를 정밀하게 제어할 수 있습니다.동시에 응축기의 냉매 온도는 방열판의 온도보다 높기 때문에 빠른 열 발생에 도움이 됩니다.공기 중으로 전달됩니다.제어 시스템은 더 복잡합니다.동시에 그 구조가 위의 두 가지 방식보다 훨씬 복잡하기 때문에 장비의 부피와 무게도 그에 따라 증가합니다.
대부분의 전통적인 파이버 레이저는 수냉식을 사용하여 열을 발산합니다.먼저 압축기 냉각으로 물을 식힌 다음 물로 레이저를 식힙니다.Guanghui Laser의 공냉식 방열 방식은 압축기 냉각을 직접 사용하여 레이저를 냉각하고 물의 존재를 버리고 중간 열 전달 링크를 제거하므로 방열 효율이 높아지고 부피와 무게를 더 작게 만들 수 있습니다.
실험실에서는 항온 항습 테스트 상자를 사용하여 여름의 고온 사용 환경을 시뮬레이션하기 위해 35°C를 설정하고 조건에서 다양한 공랭 방식으로 레이저의 내부 이득 광섬유의 온도 변화를 테스트합니다. 전체 1500W 전력..실험 데이터에서 섬유 온도가 처음 몇 분 동안 기하급수적으로 증가하고 약 10분 동안 안정화되는 것을 분명히 볼 수 있습니다.압축기의 냉각 효과로 인해 레이저를 능동적으로 냉각할 수 있으므로 온도를 60°C 미만으로 제어할 수 있으며 온도 변화가 비교적 안정적입니다.다른 두 개는 수동적인 방열에만 의존할 수 있으므로 내부 온도는 압축기 냉각 방식보다 약간 높습니다., 히트 파이프의 높은 열 전달 효율로 인해 레이저 내부에서 열을 잘 내보낼 수 있으므로 순수 팬보다 내부 온도가 낮고 온도 상승이 더 완만합니다.
▲ 1.5kW 레이저를 출력하는 레이저를 공랭 방식에 따라 달리했을 때 시간에 따른 온도 변화
(실험실 데이터, 실제 현장 사용과 편차가 있을 수 있음)
발문
파이버 레이저 분야에서 GW 레이저는 항상 글로벌 레이저 거대 기업 IPG를 목표로 해왔습니다.밀리터리 품질의 제품을 만드는 것이 광휘의 고유한 브랜드 장점입니다.수년 전, GW Laser는 공기 냉각 및 방열에 대한 지속적인 탐색을 수행하기 위해 과학 연구 인력을 조직하기 시작했습니다.앞으로도 우리는 이 측면을 지속적으로 개선하고 제품의 안정성을 지속적으로 개선하며 제품과 기술의 반복적인 업그레이드를 실현하고 더 많은 산업의 요구를 충족시킬 것입니다.처리 필요
게시 시간: 2022년 3월 10일