Предисловие
С ростом применения волоконных лазеров надежность волоконных лазеров привлекает все больше и больше внимания, включая надежность выходных характеристик лазера, надежность электронных компонентов, надежность оптических устройств, надежность систем и т. д. Подождите.Большинство из них тесно связаны с тепловыми свойствами самого лазера.Кроме того, температура оказывает большое влияние на характеристики лазера, особенно на выходную мощность и стабильность выходного сигнала лазера.
Тепло волоконного лазера в основном исходит от источника накачки и усиливающего резонатора.Для источника накачки его эффективность преобразования составляет около 50%, что также означает, что энергия, эквивалентная выходной оптической мощности, генерируется в виде тепла.Если тепло не может быть рассеяно вовремя, температура внутреннего чипа будет быстро расти, а центральная длина волны лазера будет дрейфовать по мере повышения температуры.Для усиливающего резонатора после того, как свет накачки попадает в активное усиливающее волокно, только часть его преобразуется в выходной сигнал лазера, а остальная часть энергии преобразуется в тепловую энергию.Тепловая энергия повысит температуру усиливающей среды, что приведет к расширению спектра флуоресценции и короткому времени жизни спонтанного излучения, что снизит эффективность преобразования энергии.Таким образом, управление тепловым режимом имеет немаловажное значение для волоконных лазеров.В настоящее время широко используемые технологии управления температурным режимом в основном имеют воздушное и водяное охлаждение.Среди них технология рассеивания тепла с воздушным охлаждением в основном используется в маломощных импульсных лазерах и маломощных непрерывных лазерах.Большинство волоконных лазеров средней и высокой мощности используют отвод тепла с водяным охлаждением в качестве основного отвода тепла.
Два способа рассеивания тепла
1. Водяное охлаждение
Как следует из названия, водяное охлаждение — это использование воды для отвода тепла через теплообменник (например, пластину водяного охлаждения).Принцип его работы также очень прост, то есть холодная вода в чиллере поступает в теплообменник через водопроводную трубу, а затем выходит из другого порта теплообменника, а затем снова поступает в чиллер через водопроводную трубу. .Тепло уносится изнутри лазера.
Метод отвода тепла с водяным охлаждением имеет простую конструкцию и прост в обслуживании;мощность рассеивания тепла высокая, а равномерность температуры хорошая.Эффективность охлаждения лазера можно улучшить, используя чиллер с большей охлаждающей способностью.В настоящее время более 500 производителей интегрируют и продают на рынке ручные лазерные сварочные аппараты, и они обычно используют водяное охлаждение.Однако помимо самого лазера ручной лазерный сварочный аппарат с водяным охлаждением также требует дополнительных охладителей и воды, что приводит к существенному увеличению общего объема и веса оборудования и ограничению условий использования.
2. Воздушное охлаждение
В широком смысле отвод тепла с воздушным охлаждением относится к использованию вентиляторов для улучшения конвекции воздуха и полного теплообмена внутри машины.С развитием технологий крупные производители лазеров начали осваивать области воздушного охлаждения и отвода тепла.В июне прошлого года глобальный гигант волоконных лазеров выпустил портативный лазерный сварочный аппарат LightWELD мощностью 1500 Вт с воздушным охлаждением;в августе GW запустила в Китае интеллектуальный лазерный сварочный аппарат A1500W с воздушным охлаждением;В октябре компания Reci также выпустила лазерный сварочный аппарат с воздушным охлаждением FCA1500.лазер.
▲ Лазерный сварочный аппарат с воздушным охлаждением: reci, IPG, GW
(Изображение взято из Интернета, если есть какие-либо нарушения, пожалуйста, свяжитесь с нами, чтобы удалить его)
Эти три лазера в основном предназначены для ручной лазерной сварки.Лазеры с воздушным охлаждением могут сделать работу более гибкой и портативной.Все три лазера используют отвод тепла с воздушным охлаждением без дополнительного оборудования водяного охлаждения, что снижает затраты.При этом значительно уменьшаются габариты и вес оборудования.Хотя они оба называются лазерами с воздушным охлаждением, используемые схемы рассеивания тепла с воздушным охлаждением различны, включая охлаждение вентилятором, охлаждение радиатора с тепловыми трубками, а также охлаждение и охлаждение компрессора.(1) Рассеивание тепла вентилятором. В лазере тепло, генерируемое внутри источника накачки и резонатора усиления, рассеивается с помощью подложки с хорошей теплопроводностью (такой как медь, нитрид алюминия и т. д.), а затем рассеивается за счет конвекции.Этот метод называется конвекционным охлаждением.Конвективную теплопередачу можно разделить на естественную конвекцию и вынужденную конвекцию тепловыделения в зависимости от движущей силы потока жидкости.В отсутствие внешней силы только разница температур жидкости может заставить жидкость течь самопроизвольно для проведения теплопередачи, которую мы называем естественной конвекцией;когда есть внешняя движущая сила, то есть жидкость приводится в движение вентиляторами, вентиляторами и другими компонентами.поток, отводящий тем самым тепло, мы называем принудительной конвекцией.Из-за чрезвычайно медленного отвода тепла и плохого эффекта естественной конвекции он не может полностью удовлетворить требования лазеров к отводу тепла.Поэтому необходимо добавить вентилятор во всю систему охлаждения, чтобы ускорить поток воздуха и превратить естественную конвекцию в принудительную.
▲ Принцип охлаждения вентилятором
(2) Радиатор с тепловыми трубками для отвода тепла
Теплоотдача радиатора с тепловой трубкой означает, что тепловая трубка полагается на фазовый переход рабочей жидкости внутри себя для достижения теплопередачи.Эта жидкость имеет низкую температуру кипения и легко испаряется.Один конец тепловой трубки является испарительным концом, который соединяется с радиатором внутри лазера;другой конец - это конец конденсации, который подключен к внешнему радиатору и вентилятору.Стенка трубки имеет поглощающий жидкость фитиль, состоящий из капиллярно-пористых материалов.При нагреве лазера испарительный конец нагревается, рабочая жидкость быстро испаряется, пар под действием разности давлений поступает к конденсирующему концу, при этом выделяется тепло, которое отводится через вентилятор;в то же время пар снова конденсируется в жидкость, и жидкость течет обратно в секцию испарения через фитиль.(Если это гравитационная тепловая трубка, фитиль отсутствует, и жидкость прилипает к стенке трубки и под действием силы тяжести стекает обратно в нижнюю испарительную секцию).Этот цикл не прекращается, и тепло передается изнутри лазера наружу.
▲ Принцип отвода тепла радиатора с тепловыми трубками
В портативной системе лазерной сварки IPG LightWELD 1500 используется решение для охлаждения радиатора с тепловыми трубками.Конструкция и производство LightWELD характеризуются малыми размерами и малым весом, что приводит к изменениям нового поколения в существующих ручных лазерных сварочных аппаратах.Помимо сварки, он также реализует функции ручной лазерной сварки и очистки.Ручной лазерный сварочный аппарат LightWELD использует метод воздушного охлаждения без энергопотребления, необходимого для дополнительного холодильного оборудования, устраняя трубопроводы, компоненты, каналы управления и обслуживания чиллера, снижая затраты, повышая портативность и повышая общую надежность системы.
▲ Ручная система лазерной сварки LightWELD 1500
(Изображение взято из Интернета, если есть какие-либо нарушения, пожалуйста, свяжитесь с нами, чтобы удалить его)
(3) Охлаждение и охлаждение компрессора
Компрессорное охлаждение и принцип отвода тепла: Компрессор сжимает хладагент, превращает хладагент в газ с высокой температурой и высоким давлением и течет во внешний конденсатор.Газ с высокой температурой и высоким давлением конденсируется в жидкость с низкой температурой и высоким давлением, а тепло, выделяемое при сжижении, выводится из машины с помощью вентилятора.Жидкий хладагент с низкой температурой и высоким давлением сбрасывается через расширительный клапан и становится низкотемпературным, с низким давлением, легко испаряемым и поступает во внутренний испаритель.Испаритель поглощает тепло, чтобы снизить внутреннюю температуру лазера для достижения эффекта охлаждения, а затем хладагент испаряется в газ с высокой температурой и низким давлением.Газообразный хладагент, испаряемый испарителем, снова сжимается компрессором и циркулирует туда-сюда, что обеспечивает отвод тепла внутри машины.
▲ Компрессорное охлаждение и принцип отвода тепла
Интеллектуальный ручной сварочный аппарат с воздушным охлаждением A1500W, выпущенный GW Laser, использует схему охлаждения и отвода тепла с помощью компрессора.GW Laser фокусируется на постоянном исследовании и инновациях технологии 976 нм.
В сочетании с высокой эффективностью фотоэлектрического преобразования 976 нм он творчески решил проблему охлаждающей способности с воздушным охлаждением и запустил первую в отрасли технологию воздушного охлаждения 976 нм, которая решила проблемы энергопотребления и портативности, и снова возглавила рынок. направление технологического развития волоконных лазеров.В этой модели реализована функция «три в одном»: сварка, резка и очистка.
▲ Интеллектуальный ручной сварочный аппарат GW Laser A1500W с воздушным охлаждением
Сравнение нескольких методов охлаждения
Структура вентиляторного охлаждения относительно проста.Он просто распределяет тепло от радиатора к радиатору, а затем использует разницу температур между радиатором и окружающим воздухом для рассеивания тепла за счет принудительной конвекции вентилятора.Когда летом температура окружающей среды слишком высока, разница температур между радиатором и воздухом слишком мала, и способность рассеивания тепла будет значительно снижена.Он может только пассивно рассеивать тепло, сильно зависит от окружающей среды и не может точно контролировать температуру.Преимущество в том, что общее оборудование и система управления просты.
По сравнению с простым методом охлаждения вентилятором, радиатор с тепловыми трубками имеет больше тепловых трубок, поэтому его конструкция относительно сложна.Он основан на испарении и конденсации рабочего материала для быстрой передачи тепла от радиатора к радиатору, а затем рассеивания тепла в воздухе через вентилятор.Это также относится к пассивному рассеиванию тепла, которое не может точно контролировать температуру и сильно нарушается окружающей температурой.
Схема охлаждения и отвода тепла компрессора относится к активному отводу тепла.Благодаря наличию компрессора и расширительного клапана температуру можно точно контролировать, регулируя поток и давление хладагента.В то же время температура хладагента в конденсаторе выше, чем в радиаторе, что способствует быстрому выделению тепла.передается в эфир.Его система управления более сложная;в то же время, поскольку его конструкция намного сложнее, чем две вышеприведенные схемы, соответственно увеличиваются также объем и вес оборудования.
Большинство традиционных волоконных лазеров используют водяное охлаждение для отвода тепла.Сначала вода охлаждается компрессором, а затем лазер охлаждается водой.Схема отвода тепла с воздушным охлаждением лазера Guanghui напрямую использует охлаждение компрессора для охлаждения лазера, отказываясь от существования воды и устраняя промежуточное звено теплопередачи, поэтому эффективность отвода тепла выше, а объем и вес могут быть меньше.
В лаборатории мы используем испытательный бокс с постоянной температурой и влажностью, чтобы установить 35 ° C, чтобы имитировать среду использования при высокой температуре летом, и протестировать изменение температуры внутреннего усиливающего волокна лазера с различными схемами воздушного охлаждения в условиях. полной мощностью 1500 Вт..Из экспериментальных данных ясно видно, что температура волокна экспоненциально возрастает в первые несколько минут и стабилизируется примерно через 10 минут.Благодаря охлаждающему эффекту компрессора лазер может активно охлаждаться, поэтому температуру можно контролировать ниже 60 ° C, а изменение температуры относительно стабильно;в то время как два других могут рассчитывать только на пассивный отвод тепла, поэтому внутренняя температура немного выше, чем у схемы охлаждения компрессора;, Благодаря высокой эффективности теплопередачи тепловой трубки тепло может хорошо отводиться изнутри лазера, поэтому его внутренняя температура ниже, чем у чистого вентилятора, а повышение температуры более мягкое.
▲ Изменение температуры во времени при использовании лазера мощностью 1,5 кВт с различными схемами воздушного охлаждения.
(лабораторные данные, возможны отклонения от фактического использования в полевых условиях)
Эпилог
В области волоконных лазеров GW Laser всегда ориентировалась на мирового лазерного гиганта IPG.Уникальным преимуществом бренда Guanghui является создание продукции военного качества.Много лет назад GW Laser начала организовывать научно-исследовательские группы для проведения непрерывных исследований в области воздушного охлаждения и отвода тепла.В будущем мы продолжим улучшать этот аспект, постоянно улучшать стабильность продуктов, реализовывать итеративное обновление продуктов и технологий и удовлетворять потребности большего количества отраслей.обработка потребностей
Время публикации: 10 марта 2022 г.