Lời tựa
Với ứng dụng ngày càng tăng của laser sợi quang, độ tin cậy của laser sợi quang ngày càng thu hút nhiều sự chú ý, bao gồm độ tin cậy của hiệu suất đầu ra laser, độ tin cậy của các linh kiện điện tử, độ tin cậy của thiết bị quang học, độ tin cậy của hệ thống, v.v.Hầu hết trong số này có liên quan chặt chẽ đến các tính chất nhiệt của laser.Ngoài ra, nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của laser, đặc biệt là công suất đầu ra và độ ổn định đầu ra của laser.
Nhiệt của laser sợi quang chủ yếu đến từ nguồn bơm và khoang khuếch đại.Đối với nguồn bơm, hiệu suất chuyển đổi của nó là khoảng 50%, điều này cũng có nghĩa là một năng lượng tương đương với công suất quang đầu ra được tạo ra dưới dạng nhiệt.Nếu không thể tản nhiệt kịp thời, nhiệt độ của chip bên trong sẽ tăng nhanh và bước sóng trung tâm của tia laser sẽ trôi đi khi nhiệt độ tăng.Đối với khoang khuếch đại, sau khi ánh sáng bơm đi vào sợi khuếch đại hoạt động, chỉ một phần của nó được chuyển thành đầu ra laser và phần năng lượng còn lại được chuyển thành năng lượng nhiệt.Năng lượng nhiệt sẽ làm tăng nhiệt độ của môi trường khuếch đại, dẫn đến mở rộng phổ huỳnh quang và thời gian phát xạ tự phát ngắn, do đó làm giảm hiệu suất chuyển đổi năng lượng.Do đó, quản lý nhiệt có ý nghĩa không nhỏ đối với laser sợi quang.Hiện nay, các công nghệ quản lý nhiệt thường được sử dụng chủ yếu là làm mát bằng không khí và làm mát bằng nước.Trong số đó, công nghệ tản nhiệt làm mát bằng không khí chủ yếu được sử dụng trong laser xung công suất thấp và laser liên tục công suất thấp.Hầu hết các laser sợi quang công suất trung bình và cao sử dụng tản nhiệt làm mát bằng nước làm tản nhiệt chính.
Hai cách để tản nhiệt
1. Nước làm mát
Đúng như tên gọi, làm mát bằng nước là việc sử dụng nước để lấy nhiệt thông qua bộ trao đổi nhiệt (chẳng hạn như tấm làm mát bằng nước).Nguyên lý hoạt động của nó cũng rất đơn giản, đó là nước lạnh trong máy làm lạnh chảy vào bộ trao đổi nhiệt qua ống nước, sau đó đi ra từ một cổng khác của bộ trao đổi nhiệt, sau đó chảy ngược trở lại máy làm lạnh qua ống nước. .Nhiệt được mang đi từ bên trong tia laser.
Phương pháp tản nhiệt làm mát bằng nước có cấu trúc đơn giản và dễ bảo trì;khả năng tản nhiệt mạnh và độ đồng đều nhiệt độ tốt.Hiệu suất làm mát của laser có thể được cải thiện bằng cách sử dụng máy làm lạnh có công suất làm mát lớn hơn.Hiện tại, có hơn 500 nhà sản xuất tích hợp và bán máy hàn laser cầm tay trên thị trường và họ thường sử dụng nước làm mát.Tuy nhiên, ngoài bản thân tia laser, máy hàn laser cầm tay có làm mát bằng nước cũng cần có thêm thiết bị làm lạnh và nước, dẫn đến tăng đáng kể khối lượng và trọng lượng tổng thể của thiết bị cũng như môi trường sử dụng bị hạn chế.
2. Làm mát không khí
Theo nghĩa rộng, tản nhiệt bằng không khí là chỉ việc sử dụng quạt để tăng cường đối lưu không khí và hoàn thiện quá trình trao đổi nhiệt bên trong máy.Với sự cải tiến của công nghệ, các nhà sản xuất laser lớn đã bắt đầu đặt chân vào lĩnh vực làm mát không khí và tản nhiệt.Vào tháng 6 năm ngoái, công ty khổng lồ về laser sợi quang toàn cầu I đã ra mắt sản phẩm máy hàn laser cầm tay LightWELD 1500W làm mát bằng không khí;vào tháng 8, GW đã ra mắt máy hàn laser thông minh A1500W làm mát bằng không khí tại Trung Quốc;vào tháng 10, công ty Reci cũng cho ra mắt máy hàn laser làm mát bằng không khí FCA1500.laze.
▲ Máy hàn laser làm mát bằng không khí：reci、IPG、GW
(Hình lấy từ Internet, nếu có gì vi phạm vui lòng liên hệ để chúng tôi xóa)
Ba loại laser này chủ yếu nhắm vào phân khúc thị trường hàn laser cầm tay.Laser làm mát bằng không khí có thể làm cho công việc linh hoạt và di động hơn.Cả ba loại laser đều sử dụng tản nhiệt làm mát bằng không khí mà không cần thêm thiết bị làm mát bằng nước, giúp giảm chi phí.Đồng thời, kích thước và trọng lượng của thiết bị được giảm đáng kể.Mặc dù cả hai đều được gọi là laser làm mát bằng không khí, nhưng các sơ đồ tản nhiệt làm mát bằng không khí được sử dụng là khác nhau, bao gồm làm mát bằng quạt, làm mát bộ tản nhiệt ống dẫn nhiệt và làm mát và làm mát máy nén.(1) Tản nhiệt của quạt Trong laser, nhiệt sinh ra bên trong nguồn bơm và khoang khuếch đại được phân tán bằng cách sử dụng chất nền có tính dẫn nhiệt tốt (chẳng hạn như đồng, nhôm nitrit, v.v.), sau đó nhiệt được phân tán bằng cách đối lưu.Phương pháp này được gọi là làm mát đối lưu.Truyền nhiệt đối lưu có thể được chia thành đối lưu tự nhiên và tản nhiệt đối lưu cưỡng bức theo động lực của dòng chất lỏng.Trong trường hợp không có ngoại lực, chỉ có sự chênh lệch nhiệt độ của chất lỏng mới có thể làm cho chất lỏng chảy tự phát để dẫn truyền nhiệt, mà chúng ta gọi là đối lưu tự nhiên;khi có một động lực bên ngoài, nghĩa là chất lỏng được điều khiển bởi quạt, quạt và các bộ phận khác.dòng chảy, do đó loại bỏ nhiệt, chúng tôi gọi nó là đối lưu cưỡng bức.Do quá trình tản nhiệt cực kỳ chậm và hiệu quả đối lưu tự nhiên kém, nó không thể đáp ứng đầy đủ các yêu cầu tản nhiệt của laser.Do đó, cần bổ sung thêm quạt gió cho toàn bộ hệ thống làm mát để tăng tốc độ lưu thông của không khí và biến đối lưu tự nhiên thành đối lưu cưỡng bức.
▲ Nguyên lý làm mát của quạt
(2) Bộ tản nhiệt ống dẫn nhiệt để tản nhiệt
Tản nhiệt của bộ tản nhiệt ống dẫn nhiệt có nghĩa là ống dẫn nhiệt dựa vào sự thay đổi pha của chất lỏng hoạt động bên trong chính nó để đạt được sự truyền nhiệt.Chất lỏng này có nhiệt độ sôi thấp và dễ bay hơi.Một đầu của ống dẫn nhiệt là đầu bốc hơi, được nối với bộ tản nhiệt bên trong tia laser;đầu còn lại là đầu ngưng tụ, được kết nối với tản nhiệt bên ngoài và quạt.Thành ống có bấc thấm chất lỏng được cấu tạo từ các vật liệu xốp mao dẫn.Khi tia laser được làm nóng, đầu bốc hơi được làm nóng, chất lỏng làm việc bay hơi nhanh, hơi nước chảy đến đầu ngưng tụ dưới sự chênh lệch áp suất và nhiệt được giải phóng, được thải ra ngoài qua quạt;đồng thời, hơi nước lại ngưng tụ thành chất lỏng và chất lỏng chảy ngược trở lại phần bay hơi qua bấc.(Nếu là ống dẫn nhiệt trọng lực thì không có bấc, chất lỏng bám vào thành ống và chảy ngược lại phần bốc hơi phía dưới bằng trọng lực).Chu kỳ này không dừng lại và nhiệt được truyền từ bên trong tia laser ra bên ngoài.
▲ Nguyên lý tản nhiệt của bộ tản nhiệt ống dẫn nhiệt
Hệ thống hàn laser cầm tay LightWELD 1500 của IPG sử dụng giải pháp làm mát bộ tản nhiệt ống dẫn nhiệt.Thiết kế và sản xuất LightWELD được đặc trưng bởi kích thước nhỏ và trọng lượng nhẹ, dẫn đến một thế hệ thay đổi mới trong máy hàn laser cầm tay hiện tại.Ngoài hàn, nó còn thực hiện các chức năng hàn và làm sạch bằng laser cầm tay.Máy hàn laser cầm tay LightWELD áp dụng phương pháp làm mát bằng không khí, không tiêu thụ điện năng theo yêu cầu của thiết bị làm lạnh bổ sung, loại bỏ đường ống làm lạnh, các bộ phận, liên kết điều khiển và bảo trì, giảm chi phí đồng thời tăng tính di động và cải thiện độ tin cậy tổng thể của hệ thống.
▲ Hệ thống hàn Laser cầm tay LightWELD 1500
(Hình lấy từ Internet, nếu có gì vi phạm vui lòng liên hệ để chúng tôi xóa)
(3) Làm mát và làm mát máy nén
Nguyên lý làm lạnh và tản nhiệt của máy nén: Máy nén nén chất làm lạnh, biến chất làm lạnh thành khí có nhiệt độ cao và áp suất cao, rồi chảy ra bình ngưng bên ngoài.Khí ở nhiệt độ cao và áp suất cao được ngưng tụ thành chất lỏng ở nhiệt độ thấp và áp suất cao, và nhiệt do quá trình hóa lỏng tạo ra được thải ra khỏi máy bằng quạt.Chất làm lạnh dạng lỏng ở nhiệt độ thấp và áp suất cao được giảm áp qua van giãn nở và trở thành trạng thái nhiệt độ thấp, áp suất thấp, dễ bay hơi và chảy vào thiết bị bay hơi bên trong.Thiết bị bay hơi hấp thụ nhiệt để giảm nhiệt độ bên trong của tia laser để đạt được hiệu quả làm mát, sau đó chất làm lạnh bốc hơi thành khí có nhiệt độ cao và áp suất thấp.Chất làm lạnh khí bốc hơi bởi thiết bị bay hơi được nén lại bởi máy nén và lưu thông qua lại, giúp thực hiện quá trình tản nhiệt bên trong máy.
▲ Nguyên lý làm lạnh và tản nhiệt của máy nén
Máy hàn cầm tay làm mát bằng không khí thông minh A1500W do GW Laser ra mắt sử dụng sơ đồ tản nhiệt và làm mát máy nén.GW Laser tập trung vào việc khám phá và đổi mới liên tục công nghệ 976nm
Kết hợp với hiệu suất chuyển đổi quang điện cao 976nm, nó đã giải quyết một cách sáng tạo vấn đề về khả năng làm mát bằng không khí và ra mắt công nghệ 976nm làm mát bằng không khí đầu tiên trong ngành, giải quyết các vấn đề về tiêu thụ điện năng và tính di động, và một lần nữa dẫn đầu hướng phát triển công nghệ của laser sợi quang.Mô hình này đã nhận ra chức năng ba trong một là hàn, cắt và làm sạch.
▲ Máy hàn cầm tay thông minh GW Laser A1500W làm mát bằng không khí
So sánh một số phương pháp làm mát
Cấu tạo của quạt tản nhiệt tương đối đơn giản.Nó chỉ đơn giản là truyền nhiệt trong tản nhiệt đến bộ tản nhiệt, sau đó sử dụng chênh lệch nhiệt độ giữa bộ tản nhiệt và không khí xung quanh để tản nhiệt thông qua sự đối lưu cưỡng bức của quạt.Khi nhiệt độ môi trường quá cao vào mùa hè, chênh lệch nhiệt độ giữa bộ tản nhiệt và không khí quá nhỏ, khả năng tản nhiệt sẽ giảm đi rất nhiều.Nó chỉ có thể tản nhiệt một cách thụ động, bị ảnh hưởng rất nhiều bởi môi trường và không thể kiểm soát nhiệt độ một cách chính xác.Ưu điểm là thiết bị tổng thể và hệ thống điều khiển đơn giản.
So với phương pháp làm mát bằng quạt đơn giản, bộ tản nhiệt ống dẫn nhiệt có nhiều ống dẫn nhiệt hơn nên cấu tạo tương đối phức tạp.Nó dựa vào sự bay hơi và ngưng tụ của vật liệu làm việc để nhanh chóng truyền nhiệt từ bộ tản nhiệt sang bộ tản nhiệt, sau đó tản nhiệt vào không khí thông qua quạt.Nó cũng thuộc về tản nhiệt thụ động, không thể kiểm soát chính xác nhiệt độ và bị xáo trộn rất nhiều bởi nhiệt độ xung quanh.
Sơ đồ tản nhiệt và làm mát máy nén thuộc về tản nhiệt chủ động.Do sự tồn tại của máy nén và van giãn nở, nhiệt độ có thể được kiểm soát chính xác bằng cách điều chỉnh lưu lượng và áp suất của chất làm lạnh.Đồng thời, nhiệt độ của chất làm lạnh trong bình ngưng cao hơn nhiệt độ của bộ tản nhiệt, dẫn đến sinh nhiệt nhanh.truyền vào không khí.Hệ thống điều khiển của nó phức tạp hơn;đồng thời, do kết cấu của nó phức tạp hơn nhiều so với hai sơ đồ trên nên khối lượng và trọng lượng của thiết bị cũng theo đó mà tăng lên.
Hầu hết các laser sợi quang truyền thống sử dụng nước làm mát để tản nhiệt.Đầu tiên, nước được làm mát bằng máy nén lạnh, sau đó tia laser được làm mát bằng nước.Sơ đồ tản nhiệt làm mát bằng không khí của Guanghui Laser trực tiếp sử dụng máy nén làm mát để làm mát tia laser, loại bỏ sự tồn tại của nước và loại bỏ liên kết truyền nhiệt trung gian, do đó hiệu quả tản nhiệt cao hơn, đồng thời có thể làm giảm khối lượng và trọng lượng.
Trong phòng thí nghiệm, chúng tôi sử dụng hộp kiểm tra nhiệt độ và độ ẩm không đổi để đặt 35°C nhằm mô phỏng môi trường sử dụng nhiệt độ cao vào mùa hè và kiểm tra sự thay đổi nhiệt độ của sợi khuếch đại bên trong của laser với các sơ đồ làm mát không khí khác nhau trong điều kiện đầy đủ công suất 1500W..Từ dữ liệu thực nghiệm, có thể thấy rõ rằng nhiệt độ sợi tăng theo cấp số nhân trong vài phút đầu tiên và ổn định trong khoảng 10 phút.Do hiệu ứng làm mát của máy nén, laser có thể được làm mát chủ động, do đó nhiệt độ có thể được kiểm soát dưới 60 ° C và sự thay đổi nhiệt độ tương đối ổn định;trong khi hai cái còn lại chỉ có thể dựa vào tản nhiệt thụ động, do đó nhiệt độ bên trong cao hơn một chút so với sơ đồ làm mát máy nén;, Do hiệu suất truyền nhiệt cao của ống dẫn nhiệt, nhiệt có thể được xuất ra từ bên trong tia laser, do đó nhiệt độ bên trong của nó thấp hơn so với quạt thuần túy và nhiệt độ tăng nhẹ nhàng hơn.
▲ Nhiệt độ thay đổi theo thời gian khi tia laser phát ra tia laser 1,5kW với các sơ đồ làm mát không khí khác nhau
(dữ liệu trong phòng thí nghiệm, có thể có sai lệch so với việc sử dụng thực tế tại hiện trường)
phần kết
Trong lĩnh vực laser sợi quang, GW Laser luôn nhắm đến gã khổng lồ laser toàn cầu IPG.Đó là lợi thế thương hiệu độc đáo của Guanghui để tạo ra những sản phẩm có chất lượng quân sự.Nhiều năm trước, GW Laser đã bắt đầu tổ chức các lực lượng nghiên cứu khoa học để tiến hành khám phá liên tục về làm mát không khí và tản nhiệt.Trong tương lai, chúng tôi sẽ tiếp tục cải thiện khía cạnh này, liên tục cải thiện tính ổn định của sản phẩm, thực hiện nâng cấp lặp đi lặp lại các sản phẩm và công nghệ, đồng thời đáp ứng nhu cầu của nhiều ngành hơn.nhu cầu xử lý
Thời gian đăng bài: Mar-10-2022