CN110148874B - 小型化光纤激光器的制冷***及其控制方法 - Google Patents

小型化光纤激光器的制冷***及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种小型化光纤激光器的制冷***，变频压缩机、风冷冷凝器、过滤器、节流装置、光纤盘、半导体激光器散热器依次连接成环路；半导体激光器散热器内部设有温度传感器和两只并联的加热器，温度传感器、加热器、变频压缩机分别与半导体激光器驱动及温度控制***驱动连接。半导体激光器驱动及温度控制***驱动通过温度传感器实时的反馈***温度，计算出实际温度与设定温度的温度差，根据这个温度差计算出控制量，使变频压缩机快速地将温度降至设定值附近，然后再利用加热器对***进行精确的控温，这样就可以实现控温速度快，控温精度高，该***缩小光纤激光器的体积。

Description

小型化光纤激光器的制冷***及其控制方法
技术领域
本发明涉及光纤激光器技术领域，尤其是涉及一种小型化光纤激光器的制冷***及其控制方法。
背景技术
目前国内均采用外接冷水机对光纤激光器进行控温，光纤激光器的结构大体分为三个部分：半导体激光器、光纤盘、电控部分，目前国内对于半导体激光器和光纤盘的控温采用冷水机控温，半导体激光安装在水冷板上，为了保证光纤盘有良好的散热性能，在光纤盘的下部通常会设计有大面积的细小水道，通过用冷水机的出水口与光纤盘和半导体激光器串联后回到冷水机的回水口进行控温。
一般的冷水机都体积大，不利于小型化，且光纤激光器的输出稳定性直接受冷水机的性能影响，这样导致光纤激光器工作受到外部辅助设备限制。决定光纤激光器所承受的功率的主要原因之一就是掺杂光纤所产生的热量怎样来有效控制和散去。
这种结构有如下缺点：
(1)、半导体激光器和光纤盘控温需要额外增加一台冷水机，使整个***体积变得庞大，不利于小型化的场合使用。
(2)、使用水作为制冷介质对半导体激光器和光纤盘进行控温，长期工作水会对光纤盘内的细小水道造成腐蚀。
(3)、使用水作为制冷介质对半导体激光器和光纤盘进行控温，控温速度慢，***惯性大，导致温度稳定时间变长。
(4)温度控制的精度则直接影响光纤激光器的偏振态，而偏振态的变化的则影响光纤激光器输出功率的稳定。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种小型光纤激光器制冷***可以减小体积、提高***可靠性、增加***集成度的光纤激光器制冷结构。为了实现上述本发明的目的，本发明专利所采取的技术方案是：
小型化光纤激光器的制冷***，包括：包括半导体激光器散热器，半导体激光器驱动及温度控制***驱动，光纤盘，变频压缩机，风冷冷凝器，过滤器，节流装置，温度传感器，加热器；
变频压缩机、风冷冷凝器、过滤器、节流装置、光纤盘、半导体激光器散热器依次连接成环路；
所述的半导体激光器散热器内部设有温度传感器和两只并联的加热器，所述的温度传感器与所述的半导体激光器驱动及温度控制***驱动的温度传感器接口连接，所述的加热器与所述的半导体激光器驱动及温度控制***驱动的加热器接口连接；
所述的变频压缩机与所述的半导体激光器驱动及温度控制***驱动的变频压缩机接口连接。
本发明还提供该小型化光纤激光器的制冷***的控制方法，包括以下步骤：半导体激光器驱动及温度控制***驱动通过温度传感器实时采集半导体激光器散热器温度，再利用设定温度-探测温度，计算出温差ΔT，半导体激光器驱动及温度控制***驱动根据温差ΔT计算出压缩机最佳工作转数，使半导体激光器和光纤盘的温度快速地达到设定值附近；
然后半导体激光器驱动及温度控制***驱动根据温差ΔT，利用PID控制算法控制加热器精确地控制半导体激光器和光纤盘工作温度工作在设定值；
如果温差ΔT>0说明控温***工作在加热模式，***首先用PID控制算法控制加热器加热，如果在加热器达到最大控制量之前温度可以稳定在设定温度，那么***维持压变频压缩机转数不变，只使用加热器进行精确控温，如果加热器达到最大控制量之后温度仍不能稳定在设定温度，那么***会降低变频压缩机的转数来降低***基础制冷量后，再通过PID控制算法控制加热器精确控温；
如果温差ΔT<0说明控温***工作制冷模式，***首先用PID控制算法控制加热器加热量来控制温度，如果在达到加热器最小控制量之前温度可以稳定在设定的温度，那么***保持变频压缩机转数不变，只采用控制加热器方式控温；
如果在达到加热器最小控制量之后温度不能稳定在设定的温度，那么***增加变频压缩机转数来增大基础制冷量后，再利用控制加热器方式控温。
本发明具有以下特点：
(1)将制冷***与光纤激光器集成在一起，缩小光纤激光器的体积。
(2)使用冷媒直接对光纤盘和半导体激光器进行控温，减小冷却水对光纤盘内细小水道的腐蚀，设计光纤盘散热时，不再有细小的水道，而是按照光纤走向盘绕数圈制冷铜管，形成压缩机制冷***中的蒸发器。
(3)利用冷媒直接对光纤盘和半导体激光器进行控温，还可以减小***惯性，缩短稳定时间。
(4)半导体激光器泵浦与***温度控制***驱动。
本发明与现有技术相比具有以下的特点及有益技术效果：
(1)将制冷***与光纤激光器集成在一起，缩小光纤激光器的体积。
(2)使用冷媒直接对光纤盘和半导体激光器进行控温，减小冷却水对光纤盘内细小水道的腐蚀，设计光纤盘散热时，不再有细小的水道，而是按照光纤走向盘绕数圈制冷铜管，形成压缩机制冷***中的蒸发器。
(3)利用冷媒直接对光纤盘和半导体激光器进行控温，还可以减小***惯性，缩短稳定时间。
(4)半导体激光器泵浦与***温度控制***驱动，控温精度高：±0.05℃。
(5)使光纤激光器变得独立不需要外接冷却设备。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体技术方案。
如图1，小型化光纤激光器的制冷***，包括：包括半导体激光器散热器1，半导体激光器驱动及温度控制***驱动2，光纤盘3，变频压缩机4，风冷冷凝器5，过滤器6，节流装置7，温度传感器8，加热器9；
变频压缩机4、风冷冷凝器5、过滤器6、节流装置7、光纤盘3、半导体激光器散热器1依次连接成环路；
所述的变频压缩机4的输出端与所述风冷冷凝器5输入端用铜管连接，所述的风冷冷凝器5的输出端与所述的过滤器6的输入端用铜管连接，所述的过滤器6的输出端与所述的节流装置7输入端用铜管连接，所述的节流装置7输出端与所述的光纤盘3输入端用铜管连接，所述的光纤盘3的输出端与所述的半导体激光器散热器1的输入端用铜管连接，所述的半导体激光器散热器1的输出端与所述的变频压缩机4的输入端用铜管连接；
所述的半导体激光器散热器1内部设有温度传感器8和两只并联的加热器9，所述的温度传感器8与所述的半导体激光器驱动及温度控制***驱动2的温度传感器接口连接，所述的加热器9与所述的半导体激光器驱动及温度控制***驱动2的加热器接口连接；
所述的变频压缩机4与所述的半导体激光器驱动及温度控制***驱动2的变频压缩机接口连接。
小型化光纤激光器的制冷***中制冷的核心原件为压缩机4，压缩机采用世界上最小的变频压缩机，且制冷功率大，最大制冷量可达500W，工作时噪音小等优点。实现小型光纤激光器更为有利。
小型化光纤激光器的制冷***中光纤盘3和半导体激光器1为被控温原件，要求控温速度快且控温精度高，光纤盘3在设计时去除了传统光纤盘水道设计，采用制冷铜管单圈或多圈环绕焊接方式，这样避免了用水作为制冷介质，用水作为制冷介质时长时间会对光纤盘细小水路造成腐蚀和可能造成的堵塞，直接使用冷媒作为制冷介质，冷媒采用R134A制冷剂，水的比热在25℃时为4.2KJ/Kg·℃，而R134A制冷剂在25℃时为1.51KJ/Kg·℃，这就说明使用制冷剂直接制冷被控温设备会使制冷转换效率更高，制冷更快。
小型化光纤激光器的制冷***中半导体激光器驱动及温度控制***驱动2为本***的控制单元，可以实现控制半导体激光器工作，及实现光纤盘3和半导体激光器1的温度控制，半导体激光器驱动及温度控制***驱动2温度控制部分通过半导体激光器1内部集成的温度传感器8实时的反馈***温度，计算出实际温度与设定温度的温度差，半导体激光器驱动及温度控制***驱动2根据这个温度差计算出控制量，使变频压缩机快速地将温度降至设定值附近，然后半导体激光器驱动及温度控制***驱动2再利用加热器9对***进行精确的控温，这样就可以实现控温速度快，控温精度高。
小型化光纤激光器的制冷***在工作时通过半导体激光器驱动及温度控制***驱动2通过温度传感器8实时采集半导体激光器散热器1温度，再利用设定温度-探测温度，计算出温差ΔT，半导体激光器驱动及温度控制***驱动2根据温差ΔT计算出压缩机最佳工作转数，使半导体激光器1和光纤盘3的温度快速地达到设定值附近，然后半导体激光器驱动及温度控制***驱动2根据温差ΔT，利用PID控制算法控制加热器9精确地控制半导体激光器1和光纤盘3工作温度工作在设定值；
如果温差ΔT>0说明控温***工作在加热模式，***首先用PID控制算法控制加热器9加热，如果在加热器9达到最大控制量之前温度可以稳定在设定温度，那么***维持压变频压缩机4转数不变，只使用加热器9进行精确控温，如果加热器9达到最大控制量之后温度仍不能稳定在设定温度，那么***会降低变频压缩机4的转数来降低***基础制冷量后，再通过PID控制算法控制加热器9精确控温；
如果温差ΔT<0说明控温***工作制冷模式，***首先用PID控制算法控制加热器9加热量来控制温度，如果在达到加热器9最小控制量之前温度可以稳定在设定的温度，那么***保持变频压缩机4转数不变，只采用控制加热器9方式控温；
如果在达到加热器9最小控制量之后温度不能稳定在设定的温度，那么***增加变频压缩机4转数来增大基础制冷量后，再利用控制加热器9方式控温。

Claims (2)

1.小型化光纤激光器的制冷***，其特征在于，包括半导体激光器散热器（1），半导体激光器驱动及温度控制***驱动（2），光纤盘（3），变频压缩机（4），风冷冷凝器（5），过滤器（6），节流装置（7），温度传感器（8），加热器（9）；
变频压缩机（4）、风冷冷凝器（5）、过滤器（6）、节流装置（7）、光纤盘（3）、半导体激光器散热器（1）依次连接成环路；
所述的变频压缩机（4）的输出端与所述风冷冷凝器（5）输入端用铜管连接，所述的风冷冷凝器（5）的输出端与所述的过滤器（6）的输入端用铜管连接，所述的过滤器（6）的输出端与所述的节流装置（7）输入端用铜管连接，所述的节流装置（7）输出端与所述的光纤盘（3）输入端用铜管连接，所述的光纤盘（3）的输出端与所述的半导体激光器散热器（1）的输入端用铜管连接，所述的半导体激光器散热器（1）的输出端与所述的变频压缩机（4）的输入端用铜管连接；按照光纤走向盘绕数圈制冷铜管，形成压缩机制冷***中的蒸发器；
所述的半导体激光器散热器（1）内部设有温度传感器（8）和两只并联的加热器（9），所述的温度传感器（8）与所述的半导体激光器驱动及温度控制***驱动（2）的温度传感器接口连接，所述的加热器（9）与所述的半导体激光器驱动及温度控制***驱动（2）的加热器接口连接；
所述的变频压缩机（4）与所述的半导体激光器驱动及温度控制***驱动（2）的变频压缩机接口连接。
2.根据权利要求1所述的小型化光纤激光器的制冷***的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：半导体激光器驱动及温度控制***驱动（2）通过温度传感器（8）实时采集半导体激光器散热器（1）温度，再利用设定温度-探测温度，计算出温差ΔT，半导体激光器驱动及温度控制***驱动（2）根据温差ΔT计算出压缩机最佳工作转数，使半导体激光器（1）和光纤盘（3）的温度快速地达到设定值附近；
半导体激光器驱动及温度控制***驱动（2）根据温差ΔT，利用PID控制算法控制加热器（9）精确地控制半导体激光器（1）和光纤盘（3）工作温度工作在设定值；
如果温差ΔT>0说明控温***工作在加热模式，***首先用PID控制算法控制加热器（9）加热，如果在加热器（9）达到最大控制量之前温度可以稳定在设定温度，那么***维持变频压缩机（4）转数不变，只使用加热器（9）进行精确控温，如果加热器（9）达到最大控制量之后温度仍不能稳定在设定温度，那么***会降低变频压缩机（4）的转数来降低***基础制冷量后，再通过PID控制算法控制加热器（9）精确控温；
如果温差ΔT<0说明控温***工作制冷模式，***首先用PID控制算法控制加热器（9）加热量来控制温度，如果在达到加热器（9）最小控制量之前温度可以稳定在设定的温度，那么***保持变频压缩机（4）转数不变，只采用控制加热器（9）方式控温；
如果在达到加热器（9）最小控制量之后温度不能稳定在设定的温度，那么***增加变频压缩机（4）转数来增大基础制冷量后，再利用控制加热器（9）方式控温。
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