CN107453192A - 一种高功率光纤激光器液冷散热*** - Google Patents

一种高功率光纤激光器液冷散热*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高功率光纤激光器液冷散热***，包括：基底，基底上铣有环形水道，环形水道底部沿着环形方向设置有螺旋渐开线光纤凹槽，光纤从环形水道外部进入环形水道，沉入渐开线光纤凹槽，沿逆时针方向盘绕多圈后，从光纤凹槽终止点结束，盘绕至环形水道外周侧；环形水道上盖板盖于基底上，并与基底之间密封；环形水道上盖板上设置冷却液进水口和出水口，高功率光纤激光器的待散热光纤浸泡在冷却液中，通过冷却液的快速流动实现良好的散热效果。本发明待散热光纤直接浸泡在冷却液中，通过冷却液的快速流动实现良好的散热效果，冷却效果远远超过传导冷却散热的效果；光纤在水道内的凹槽内固定，既方便了光纤光路的排布，又保护了光纤不被损伤。

Description

一种高功率光纤激光器液冷散热***
技术领域
本发明属于光纤激光器技术领域，涉及一种高功率光纤激光器液冷散热***。
背景技术
随着大功率光纤激光器输出功率水平的不断提高，热问题已经成为制约光纤激光器输出功率进一步提高的制约因素，如何能够高效、快速、方便的将光纤上的废热快速的带走，成为光纤激光器领域重要的研究课题。
当前，高功率光纤激光器采用的散热方法为普通的风冷、冷板热沉传导散热、冷板凹槽传导散热、凹槽导热脂(胶)散热等方法，具有较大的功率局限性。
例如专利CN204103233U，基于微通道匀温冷却板的方法，再对光纤进行传导冷却，但是冷却板的制作工艺复杂；又如CN101640364A，基于内外环制冷器的散热方法，增益光纤缠绕在内制冷器上并与外制冷器相接触，通过传导冷却实现散热；又如CN100576661C，基于表面设有呈螺纹状分布光纤槽的金属管，实现液冷式传导冷却散热；又如CN203225449U，采用环形水道和散热齿结构的散热通道，通过传导冷却方式，实现光纤冷却；又如CN105098573A，采用微型压缩机直接冷却冷板，间接传导冷却光纤的方法。
上述方法均采用的是增益光纤间接冷却的方法，不论微通道，管式液冷，还是压缩机冷却，均先冷却冷板，在通过冷却板或冷却槽传导冷却增益光纤，存在冷板与光纤之间接触面积不充分、散热不充分的问题，随着光纤激光输出功率的进一步提高，该类方法很难将单位长度光纤上的热快速带走，单位长度上的热功率密度过高，散热效果不佳。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：鉴于光纤激光器输出功率越来越高，而当前冷板、凹槽等多种传导冷却方法对高功率光纤激光器增益光纤散热不足的问题，本发明绕开传导冷却的散热方法，将增益光纤浸泡在冷却液中，采用封闭式的环形水道，形成流水，实现对高热功率密度光纤的高效散热，实现显著散热效果，为实现光纤激光器更高功率输出提供强有力支撑。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种高功率光纤激光器液冷散热***，其包括：基底1，作为散热冷板；基底1上铣有一条环形水道3，用以通过冷却液；环形水道3底部沿着环形方向设置有螺旋渐开线光纤凹槽4，光纤从环形水道3外部经过环形水道光纤进口狭缝8进入环形水道3，从光纤凹槽起始点13开始沉入渐开线光纤凹槽4，沿逆时针方向盘绕多圈后，从光纤凹槽终止点14结束，并经过环形水道光纤出口狭缝9导出，盘绕至环形水道外周侧；环形水道上盖板10盖于基底1上，并与基底1之间完成水路密封；环形水道上盖板10上设置进水口11和出水口12，冷却液从进水口11进入，从出水口12流出，高功率光纤激光器的待散热光纤浸泡在冷却液中，通过冷却液的快速流动实现良好的散热效果。
其中，所述基底1选用金属材质，导热性能好，承载高功率激光器光纤和水路。
其中，所述渐开线光纤凹槽4的横截面形状为矩形、弧形或倒三角形。
其中，还包括：多个光纤固定压块6，间隔布置在多圈光纤上，将光纤固定在环形水道3内部。
其中，所述环形水道3的环形外侧和内侧分别刻有外密封槽2和内密封槽5，通过橡胶绳或橡胶圈密封后，将环形水道上盖板10盖于基底1上，完成水路的密封。
其中，所述环形水道3内设置水路隔断器7，进水口11和出水口12分别位于水路隔断器7两侧，通过水路隔断器7将环形水道3隔断。
其中，所述光纤的进出通过环形水道光纤进口狭缝8与环形水道光纤出口狭缝9进出，两个狭缝内涂胶以实现水路的密封。
其中，所述环形水道光纤进口狭缝8与环形水道光纤出口狭缝9的进出水口方向，按照对角导出导入光纤、或者采用环形水道外侧两个输入输出狭缝导入导出光纤、或者采用环形水道内侧两个输入输出狭缝导入导出光纤。
其中，所述环形水道3为两个半圆形与两段直行的水道连接形成、或者为圆形水道、椭圆形水道、“8”字形水道。
其中，所述散热***的实现过程为：在基底1上将环形水道3、环形水道外密封槽2、环形水道内密封槽5，渐开线光纤凹槽4，环形水道光纤进口狭缝8和环形水道光纤出口狭缝9加工完成；然后把光纤激光器的光纤，从环形水道光纤进口狭缝8进入环形水道，从光纤凹槽起始点13开始沉入光纤凹槽，沿渐开线凹槽盘绕多圈后，从光纤凹槽终止点14结束，并经过环形水道光纤出口狭缝9导出，盘绕至环形水道外部，把光纤固定压块6分布在环形水道对盘绕其中的光纤进行固定，同时，把水路隔断器7置于环形水道的进出水口中间，固定好；然后在环形水道光纤进口狭缝8和环形水道光纤出口狭缝9涂胶；然后把橡胶绳或橡胶密封圈盘入环形水道外密封槽2和环形水道内密封槽5；在然后把加工好的环形水道上盖板10，安装水路进出水接头，再把环形水道上盖板10与基底1密封、紧固；最后，把进出水口接入冷水机，让冷却液在环形水道3中快速流动，完成高功率光纤激光器增益光纤的高效散热。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的高功率光纤激光器液冷散热***，待散热光纤直接浸泡在冷却液中，通过冷却液的快速流动实现良好的散热效果，冷却效果远远超过传导冷却散热的效果；光纤在水道内的凹槽内固定，既方便了光纤光路的排布，又保护了光纤不被损伤。
附图说明
图1为本发明光纤激光器环形水路散热***结构分解图。
图2为本发明光纤激光器环形水道截面的局部放大图。
图3为本发明光纤激光器环形水道的光纤出入口局部放大图。
图4为本发明替换方案之一的光纤激光器圆形水道散热***结构分解图。
图中，1为基底；2为环形水道外密封槽；3为环形水道；4为渐开线光纤凹槽；5为环形水道内密封槽；6为光纤固定压块；7为水路隔断器；8为环形水道光纤进口狭缝；9为环形水道光纤出口狭缝；10为环形水道上盖板；11为进水口；12为出水口；13为光纤凹槽起始点；14为光纤凹槽终止点。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
参照图1所示，本实施例散热***包括：基底1，作为散热冷板；基底1上铣有一条环形水道3，用以通过冷却液；环形水道3底部沿着环形方向设置有螺旋渐开线光纤凹槽4，光纤从环形水道3外部经过环形水道光纤进口狭缝8进入环形水道3，从光纤凹槽起始点13开始沉入渐开线光纤凹槽4，沿逆时针方向盘绕多圈后，从光纤凹槽终止点14结束，并经过环形水道光纤出口狭缝9导出，盘绕至环形水道外周侧；环形水道上盖板10盖于基底1上，并与基底1之间完成水路密封；环形水道上盖板10上设置进水口11和出水口12，冷却液从进水口11进入，从出水口12流出，高功率光纤激光器的待散热光纤浸泡在冷却液中，通过冷却液的快速流动实现良好的散热效果。
其中，基底1选用金属材质，导热性能好，承载光纤和水路，比如铝板。冷却液可以选用水或其它液体。渐开线光纤凹槽4的横截面形状为矩形、弧形、倒三角形或其它几何形状，只要能够承载光纤并约束光纤位置即可。渐开线光纤凹槽4在环形水道3底部平面内的排布呈渐开线分布，如图3所示。根据实际应用，渐开线光纤凹槽也可以替换为凸槽。
散热***还包括：多个光纤固定压块6，间隔布置在多圈光纤上，将光纤固定在环形水道3内部。
环形水道3的环形外侧和内侧分别刻有外密封槽2和内密封槽5，通过橡胶绳或橡胶圈密封后，将环形水道上盖板10盖于基底1上，完成水路的密封。
环形水道3内设置水路隔断器7，进水口11和出水口12分别位于水路隔断器7两侧，通过水路隔断器7将环形水道3隔断，确保环形水道3内的冷却液流动均匀，流量稳定，没有死水区域，实现良好的对流散热效果。
光纤的进出通过环形水道光纤进口狭缝8与环形水道光纤出口狭缝9进出，两个狭缝内涂胶以实现水路的密封。
进水口11和出水口12的位置仅供参考，还可以替换为其他位置，修改和设计水道内水流的方向和流量调节。
其中，环形水道光纤进口狭缝8与环形水道光纤出口狭缝9的进出水口方向，可以按照图3所示的对角导出导入光纤，也可以采用另外一组对角导入导出光纤，还可以采用环形水道外侧两个输入输出狭缝导入导出光纤，同样也可以采用环形水道内侧两个输入输出狭缝导入导出光纤。
同时，本方案中的环形水道为两个半圆形与两段直行的水道构成，也可以将环形水道变为圆形水道如图4所示，还可以椭圆形、“8”字形等其他形状的水道，主要特征是形成一个密封的水道，冷却液在水道内对增益光纤进行浸泡式直接冲刷，实现良好散热。
基于上述结构，散热***的实现过程为：按照图1所示的结构图，在基底1上将环形水道3、环形水道外密封槽2、环形水道内密封槽5，渐开线光纤凹槽4，环形水道光纤进口狭缝8和环形水道光纤出口狭缝9加工完成；然后把光纤激光器的光纤，从环形水道光纤进口狭缝8进入环形水道，从光纤凹槽起始点13开始沉入光纤凹槽，沿渐开线凹槽盘绕多圈后，从光纤凹槽终止点14结束，并经过环形水道光纤出口狭缝9导出，盘绕至环形水道外部，把光纤固定压块6分布在环形水道对盘绕其中的光纤进行固定，同时，把水路隔断器7置于环形水道的进出水口中间，固定好；然后在环形水道光纤进口狭缝8和环形水道光纤出口狭缝9涂胶；然后把橡胶绳或橡胶密封圈盘入环形水道外密封槽2和环形水道内密封槽5；在然后把加工好的环形水道上盖板10，安装水路进出水接头，再把环形水道上盖板10与基底1密封、紧固；最后，把进出水口接入冷水机，让冷却液在环形水道3中快速流动，完成高功率光纤激光器增益光纤的高效散热。
本实施例散热***不仅仅用于光纤激光器中，还可以用于光纤激光器放大器中。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高功率光纤激光器液冷散热***，其特征在于，包括：基底(1)，作为散热冷板；基底(1)上铣有一条环形水道(3)，用以通过冷却液；环形水道(3)底部沿着环形方向设置有螺旋渐开线光纤凹槽(4)，光纤从环形水道(3)外部经过环形水道光纤进口狭缝(8)进入环形水道(3)，从光纤凹槽起始点(13)开始沉入渐开线光纤凹槽(4)，沿逆时针方向盘绕多圈后，从光纤凹槽终止点(14)结束，并经过环形水道光纤出口狭缝(9)导出，盘绕至环形水道外周侧；环形水道上盖板(10)盖于基底(1)上，并与基底(1)之间完成水路密封；环形水道上盖板(10)上设置进水口(11)和出水口(12)，冷却液从进水口(11)进入，从出水口(12)流出，高功率光纤激光器的待散热光纤浸泡在冷却液中，通过冷却液的快速流动实现良好的散热效果。
2.如权利要求1所述的高功率光纤激光器液冷散热***，其特征在于，所述基底(1)选用金属材质，导热性能好，承载高功率激光器光纤和水路。
3.如权利要求1所述的高功率光纤激光器液冷散热***，其特征在于，所述渐开线光纤凹槽(4)的横截面形状为矩形、弧形或倒三角形。
4.如权利要求1所述的高功率光纤激光器液冷散热***，其特征在于，还包括：多个光纤固定压块(6)，间隔布置在多圈光纤上，将光纤固定在环形水道(3)内部。
5.如权利要求1所述的高功率光纤激光器液冷散热***，其特征在于，所述环形水道(3)的环形外侧和内侧分别刻有外密封槽(2)和内密封槽(5)，通过橡胶绳或橡胶圈密封后，将环形水道上盖板(10)盖于基底(1)上，完成水路的密封。
6.如权利要求1所述的高功率光纤激光器液冷散热***，其特征在于，所述环形水道(3)内设置水路隔断器(7)，进水口(11)和出水口(12)分别位于水路隔断器(7)两侧，通过水路隔断器(7)将环形水道(3)隔断。
7.如权利要求1所述的高功率光纤激光器液冷散热***，其特征在于，所述光纤的进出通过环形水道光纤进口狭缝(8)与环形水道光纤出口狭缝(9)进出，两个狭缝内涂胶以实现水路的密封。
8.如权利要求1所述的高功率光纤激光器液冷散热***，其特征在于，所述环形水道光纤进口狭缝(8)与环形水道光纤出口狭缝(9)的进出水口方向，按照对角导出导入光纤、或者采用环形水道外侧两个输入输出狭缝导入导出光纤、或者采用环形水道内侧两个输入输出狭缝导入导出光纤。
9.如权利要求1所述的高功率光纤激光器液冷散热***，其特征在于，所述环形水道(3)为两个半圆形与两段直行的水道连接形成、或者为圆形水道、椭圆形水道、“8”字形水道。
10.如权利要求1所述的高功率光纤激光器液冷散热***，其特征在于，所述散热***的实现过程为：在基底(1)上将环形水道(3)、环形水道外密封槽(2)、环形水道内密封槽(5)，渐开线光纤凹槽(4)，环形水道光纤进口狭缝(8)和环形水道光纤出口狭缝(9)加工完成；然后把光纤激光器的光纤，从环形水道光纤进口狭缝(8)进入环形水道，从光纤凹槽起始点(13)开始沉入光纤凹槽，沿渐开线凹槽盘绕多圈后，从光纤凹槽终止点(14)结束，并经过环形水道光纤出口狭缝(9)导出，盘绕至环形水道外部，把光纤固定压块(6)分布在环形水道对盘绕其中的光纤进行固定，同时，把水路隔断器(7)置于环形水道的进出水口中间，固定好；然后在环形水道光纤进口狭缝(8)和环形水道光纤出口狭缝(9)涂胶；然后把橡胶绳或橡胶密封圈盘入环形水道外密封槽(2)和环形水道内密封槽(5)；在然后把加工好的环形水道上盖板(10)，安装水路进出水接头，再把环形水道上盖板(10)与基底(1)密封、紧固；最后，把进出水口接入冷水机，让冷却液在环形水道(3)中快速流动，完成高功率光纤激光器增益光纤的高效散热。
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