Przedmowa
Wraz z rosnącym zastosowaniem laserów światłowodowych, niezawodność laserów światłowodowych przyciąga coraz większą uwagę, w tym niezawodność wydajności wyjściowej lasera, niezawodność komponentów elektronicznych, niezawodność urządzeń optycznych, niezawodność systemów itp. Czekaj.Większość z nich jest ściśle związana z właściwościami termicznymi samego lasera.Ponadto temperatura ma duży wpływ na wydajność lasera, zwłaszcza moc wyjściową i stabilność wyjściową lasera.
Ciepło lasera światłowodowego pochodzi głównie ze źródła pompy i wnęki wzmacniającej.Dla źródła pompowego jego sprawność konwersji wynosi około 50%, co oznacza również, że energia równoważna wyjściowej mocy optycznej jest generowana w postaci ciepła.Jeśli ciepło nie może zostać rozproszone w czasie, temperatura wewnętrznego chipa gwałtownie wzrośnie, a środkowa długość fali lasera będzie dryfować wraz ze wzrostem temperatury.W przypadku wnęki wzmacniającej, po wejściu światła pompy do aktywnego włókna wzmacniającego, tylko jego część jest przekształcana na wyjście lasera, a reszta energii jest przekształcana w energię cieplną.Energia cieplna spowoduje wzrost temperatury ośrodka wzmacniającego, co spowoduje poszerzenie widma fluorescencji i skrócenie czasu życia emisji spontanicznej, zmniejszając w ten sposób efektywność konwersji energii.Dlatego zarządzanie temperaturą ma istotne znaczenie dla laserów światłowodowych.Obecnie powszechnie stosowane technologie zarządzania ciepłem to głównie chłodzenie powietrzem i chłodzenie wodą.Wśród nich technologia rozpraszania ciepła chłodzona powietrzem jest stosowana głównie w laserach impulsowych małej mocy i laserach ciągłych małej mocy.Większość laserów światłowodowych średniej i dużej mocy wykorzystuje rozpraszanie ciepła chłodzone wodą jako główne rozpraszanie ciepła.
Dwa sposoby odprowadzania ciepła
1. Chłodzenie wodne
Jak sama nazwa wskazuje, chłodzenie wodą polega na wykorzystaniu wody do odprowadzania ciepła przez wymiennik ciepła (taki jak płyta chłodząca wodę).Jego zasada działania jest również bardzo prosta, to znaczy zimna woda w agregacie wpływa do wymiennika ciepła przez fajkę wodną, a następnie wychodzi z innego portu wymiennika ciepła, a następnie przepływa z powrotem do agregatu przez fajka wodna .Ciepło jest odprowadzane z wnętrza lasera.
Metoda rozpraszania ciepła chłodzona wodą ma prostą strukturę i jest łatwa w utrzymaniu;zdolność rozpraszania ciepła jest duża, a jednorodność temperatury jest dobra.Wydajność chłodzenia lasera można poprawić, stosując agregat chłodniczy o większej wydajności chłodzenia.Obecnie na rynku jest ponad 500 producentów integrujących i sprzedających ręczne spawarki laserowe, które zazwyczaj stosują chłodzenie wodne.Jednak oprócz samego lasera ręczna spawarka laserowa z chłodzeniem wodnym wymaga również dodatkowych agregatów chłodniczych i wody, co powoduje znaczny wzrost ogólnej objętości i wagi sprzętu oraz ograniczone środowiska użytkowania.
2. Chłodzenie powietrzem
W szerokim znaczeniu rozpraszanie ciepła przy chłodzeniu powietrzem odnosi się do wykorzystania wentylatorów w celu zwiększenia konwekcji powietrza i całkowitej wymiany ciepła wewnątrz maszyny.Wraz z rozwojem technologii główni producenci laserów zaczęli zajmować się chłodzeniem powietrzem i rozpraszaniem ciepła.W czerwcu ubiegłego roku światowy gigant lasera światłowodowego I wprowadził na rynek chłodzony powietrzem ręczny produkt do spawania laserowego LightWELD 1500W;w sierpniu GW wprowadziła na rynek chiński chłodzoną powietrzem inteligentną spawarkę laserową A1500W;w październiku firma Reci wypuściła również chłodzoną powietrzem spawarkę laserową FCA1500.laser.
▲ Spawarka laserowa chłodzona powietrzem: reci、IPG、GW
(Zdjęcie pochodzi z Internetu, jeśli doszło do naruszenia, prosimy o kontakt w celu jego usunięcia)
Te trzy lasery są skierowane głównie do segmentu rynku ręcznego spawania laserowego.Lasery chłodzone powietrzem mogą sprawić, że praca będzie bardziej elastyczna i przenośna.Wszystkie trzy lasery wykorzystują rozpraszanie ciepła chłodzone powietrzem bez dodatkowego sprzętu do chłodzenia wodą, co zmniejsza koszty.Jednocześnie rozmiar i waga sprzętu są znacznie zmniejszone.Chociaż oba są nazywane laserami chłodzonymi powietrzem, stosowane schematy rozpraszania ciepła chłodzonego powietrzem są różne, w tym chłodzenie wentylatorem, chłodzenie chłodnicy rurki cieplnej oraz chłodzenie i chłodzenie sprężarki.(1) Rozpraszanie ciepła wentylatora W laserze ciepło wytwarzane wewnątrz źródła pompy i wnęki wzmacniającej jest rozpraszane za pomocą podłoża o dobrej przewodności cieplnej (takiego jak miedź, azotek glinu itp.), a następnie ciepło jest rozpraszane przez konwekcję.Ta metoda nazywa się chłodzeniem konwekcyjnym.Konwekcyjne przenoszenie ciepła można podzielić na konwekcję naturalną i konwekcję wymuszoną rozpraszanie ciepła zgodnie z siłą napędową przepływu płynu.W przypadku braku siły zewnętrznej tylko różnica temperatur płynu może spowodować spontaniczny przepływ płynu w celu przewodzenia ciepła, co nazywamy konwekcją naturalną;gdy występuje zewnętrzna siła napędowa, to znaczy płyn jest napędzany przez wentylatory, wentylatory i inne elementy.przepływu, usuwając w ten sposób ciepło, nazywamy to konwekcją wymuszoną.Ze względu na wyjątkowo powolne rozpraszanie ciepła i słaby efekt konwekcji naturalnej nie może w pełni spełnić wymagań laserów w zakresie rozpraszania ciepła.Dlatego konieczne jest dodanie wentylatora do całego układu chłodzenia, aby przyspieszyć przepływ powietrza i zamienić konwekcję naturalną w konwekcję wymuszoną.
▲ Zasada chłodzenia wentylatora
(2) Grzejnik z rurką cieplną do rozpraszania ciepła
Rozpraszanie ciepła przez grzejnik rurki cieplnej oznacza, że rura cieplna polega na przemianie fazowej cieczy roboczej w sobie, aby osiągnąć wymianę ciepła.Ta ciecz ma niską temperaturę wrzenia i łatwo się ulatnia.Jeden koniec rurki cieplnej to koniec parowania, który jest podłączony do radiatora wewnątrz lasera;drugi koniec to koniec kondensacji, który jest podłączony do zewnętrznego radiatora i wentylatora.Ścianka rurki ma pochłaniający ciecz knot, który składa się z porowatych materiałów kapilarnych.Gdy laser jest podgrzewany, koniec parowania jest podgrzewany, ciecz robocza szybko odparowuje, para przepływa do końca skraplania pod różnicą ciśnień, a ciepło jest uwalniane, które jest odprowadzane przez wentylator;w tym samym czasie para ponownie skrapla się w ciecz, a ciecz przepływa z powrotem do sekcji parowania przez knot.(Jeśli jest to grawitacyjna rurka cieplna, nie ma knota, a ciecz przylega do ścianki rurki i przepływa z powrotem do dolnej sekcji parowania grawitacyjnie).Cykl ten nie zatrzymuje się, a ciepło jest przenoszone z wnętrza lasera na zewnątrz.
▲ Zasada rozpraszania ciepła grzejnika rurowego
Ręczny system spawania laserowego LightWELD 1500 firmy IPG wykorzystuje rozwiązanie chłodzące z rurką cieplną.Konstrukcja i produkcja LightWELD charakteryzuje się niewielkimi rozmiarami i niewielką wagą, co prowadzi do zmian nowej generacji w obecnych ręcznych spawarkach laserowych.Oprócz spawania realizuje również funkcje ręcznego spawania laserowego i czyszczenia.Ręczna spawarka laserowa LightWELD przyjmuje metodę chłodzenia powietrzem, bez zużycia energii wymaganego przez dodatkowe wyposażenie agregatu chłodniczego, eliminując orurowanie agregatu chłodniczego, komponenty, łącza sterujące i konserwacyjne, zmniejszając koszty przy jednoczesnym zwiększeniu przenośności i poprawie ogólnej niezawodności systemu.
▲ LightWELD 1500 Ręczny system spawania laserowego
(Zdjęcie pochodzi z Internetu, jeśli doszło do naruszenia, prosimy o kontakt w celu jego usunięcia)
(3) Chłodzenie i chłodzenie sprężarki
Zasada chłodzenia sprężarki i rozpraszania ciepła: Sprężarka spręża czynnik chłodniczy, zamienia czynnik chłodniczy w gaz o wysokiej temperaturze i wysokim ciśnieniu i przepływa do zewnętrznego skraplacza.Gaz o wysokiej temperaturze i wysokim ciśnieniu skrapla się do cieczy o niskiej temperaturze i wysokim ciśnieniu, a ciepło wytwarzane przez skraplanie jest odprowadzane z maszyny za pomocą wentylatora.Ciekły czynnik chłodniczy o niskiej temperaturze i wysokim ciśnieniu jest rozprężany przez zawór rozprężny i staje się niskotemperaturowy, niskociśnieniowy, łatwy do odparowania i przepływa do wewnętrznego parownika.Parownik pochłania ciepło, aby obniżyć temperaturę wewnętrzną lasera, aby uzyskać efekt chłodzenia, a następnie czynnik chłodniczy odparowuje do gazu o wysokiej temperaturze i niskim ciśnieniu.Gazowy czynnik chłodniczy odparowany przez parownik jest ponownie sprężany przez sprężarkę i krąży tam iz powrotem, co realizuje rozpraszanie ciepła wewnątrz maszyny.
▲ Zasada chłodzenia sprężarki i rozpraszania ciepła
Inteligentna, chłodzona powietrzem spawarka ręczna A1500W, wprowadzona na rynek przez firmę GW Laser, wykorzystuje system chłodzenia sprężarki i odprowadzania ciepła.GW Laser koncentruje się na ciągłej eksploracji i innowacjach technologii 976nm
W połączeniu z wysoką wydajnością konwersji fotoelektrycznej wynoszącej 976 nm, twórczo rozwiązał problem wydajności chłodzenia powietrzem i wprowadził pierwszą w branży chłodzoną powietrzem technologię 976 nm, która rozwiązała problemy zużycia energii i przenośności, a także ponownie poprowadziła kierunek rozwoju technologicznego laserów światłowodowych.Ten model zrealizował funkcję 3 w 1: spawanie, cięcie i czyszczenie.
▲ Inteligentna spawarka ręczna chłodzona powietrzem GW Laser A1500W
Porównanie kilku metod chłodzenia
Struktura chłodzenia wentylatorem jest stosunkowo prosta.Po prostu rozprowadza ciepło z radiatora do radiatora, a następnie wykorzystuje różnicę temperatur między radiatorem a otaczającym powietrzem do rozpraszania ciepła poprzez wymuszoną konwekcję wentylatora.Gdy temperatura otoczenia jest zbyt wysoka latem, różnica temperatur między radiatorem a powietrzem jest zbyt mała, a zdolność rozpraszania ciepła zostanie znacznie zmniejszona.Może tylko pasywnie rozpraszać ciepło, jest w dużym stopniu uzależniony od środowiska i nie może dokładnie kontrolować temperatury.Zaletą jest to, że całe wyposażenie i system sterowania są proste.
W porównaniu z prostą metodą chłodzenia wentylatorem, grzejnik z rurką cieplną ma więcej rur grzewczych, więc jego konstrukcja jest stosunkowo skomplikowana.Polega na parowaniu i skraplaniu materiału roboczego, aby szybko przenosić ciepło z radiatora do radiatora, a następnie rozpraszać ciepło do powietrza przez wentylator.Należy również do pasywnego rozpraszania ciepła, które nie może dokładnie kontrolować temperatury i jest bardzo zaburzone przez temperaturę otoczenia.
Schemat chłodzenia sprężarki i odprowadzania ciepła należy do aktywnego odprowadzania ciepła.Ze względu na istnienie sprężarki i zaworu rozprężnego, temperatura może być precyzyjnie kontrolowana poprzez regulację przepływu i ciśnienia czynnika chłodniczego.Jednocześnie temperatura czynnika chłodniczego w skraplaczu jest wyższa niż temperatura radiatora, co sprzyja szybkiemu wytwarzaniu ciepła.transmitowane do powietrza.Jego system kontroli jest bardziej skomplikowany;jednocześnie, ponieważ jego konstrukcja jest znacznie bardziej skomplikowana niż dwa powyższe schematy, odpowiednio zwiększa się również objętość i wagę sprzętu.
Większość tradycyjnych laserów światłowodowych wykorzystuje chłodzenie wodą do rozpraszania ciepła.Najpierw woda jest chłodzona przez chłodzenie sprężarki, a następnie laser jest chłodzony wodą.Chłodzony powietrzem schemat rozpraszania ciepła lasera Guanghui bezpośrednio wykorzystuje chłodzenie sprężarki do chłodzenia lasera, rezygnując z istnienia wody i eliminując pośrednie połączenie wymiany ciepła, dzięki czemu wydajność rozpraszania ciepła jest wyższa, a objętość i waga mogą być mniejsze.
W laboratorium używamy skrzynki testowej o stałej temperaturze i wilgotności, aby ustawić 35 ° C, aby zasymulować środowisko użytkowania w wysokiej temperaturze latem, i przetestować zmianę temperatury wewnętrznego włókna wzmacniającego lasera z różnymi schematami chłodzenia powietrzem pod warunkiem o pełnej mocy 1500W..Z danych doświadczalnych wyraźnie widać, że temperatura włókna wzrasta wykładniczo w ciągu pierwszych kilku minut i stabilizuje się około 10 minut.Ze względu na efekt chłodzenia sprężarki laser może być aktywnie chłodzony, dzięki czemu temperatura może być kontrolowana poniżej 60 ° C, a zmiana temperatury jest stosunkowo stabilna;podczas gdy pozostałe dwa mogą polegać jedynie na biernym odprowadzaniu ciepła, więc temperatura wewnętrzna jest nieco wyższa niż w przypadku schematu chłodzenia sprężarki;, Ze względu na wysoką wydajność wymiany ciepła rurki cieplnej ciepło może być dobrze odprowadzane z wnętrza lasera, więc jego temperatura wewnętrzna jest niższa niż w przypadku czystego wentylatora, a wzrost temperatury jest łagodniejszy.
▲ Zmiana temperatury w czasie, gdy laser wyprowadza laser o mocy 1,5 kW z różnymi schematami chłodzenia powietrzem
(dane laboratoryjne, mogą wystąpić odstępstwa od rzeczywistego wykorzystania w terenie)
Epilog
W dziedzinie laserów światłowodowych GW Laser zawsze celował w światowego giganta laserowego IPG.Unikalną zaletą marki Guanghui jest tworzenie produktów o wojskowej jakości.Wiele lat temu firma GW Laser zaczęła organizować naukowe siły badawcze w celu prowadzenia ciągłych badań nad chłodzeniem powietrzem i rozpraszaniem ciepła.W przyszłości będziemy nadal ulepszać ten aspekt, stale poprawiać stabilność produktów, realizować iteracyjne aktualizacje produktów i technologii oraz zaspokajać potrzeby większej liczby branż.potrzeby przetwarzania
Czas postu: 10 marca 2022 r