CN112928584A - 一种新型射流式碟片激光器晶体冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型射流式碟片激光器晶体冷却结构装置，装置包括：封盖、热沉、晶体、支撑环、梯形流道水循环结构、筒壁等结构。所述封盖、筒壁采用铜钨合金材料，与水循环直接接触的微小梯形流道材质选为304钢，将进、回水流道设计成相间形式的上矩形、下梯形截面，同时将热沉与进、回水流道之间留有一定距离的垂直冲击射流区域，这样不仅能破坏流体在流道中流动时形成的边界层，而且在射流区域流体直接高速冲击热沉后表面能够获得很薄的流动边界层从而加强了对流换热效应，提高激光器的晶体的冷却效率。本发明优势是采用内部带有梯形流道水循环结构消除了传统射流冷却***中的湍流驻点，解决了大面积碟片晶体的均匀散热问题。

Description

一种新型射流式碟片激光器晶体冷却装置

技术领域

本发明涉及碟片激光器晶体冷却装置领域，具体涉及到一种新型射流式碟片激光器晶体冷却结构装置领域。

背景技术

Yb:YAG晶体具有吸收带宽、荧光寿命长、量子效率高等良好的激光性能已开始引起人们的重视，加之碟片激光器几何结构上的革命性设计理念，能够大大提高了光束转换效率，这使得Yb:YAG碟片激光器已成为最热门的高功率固体激光器之一。但Yb:YAG晶体工作时会将约11％的泵浦能量转化为废热沉积在介质内部，而目前的冷却结构只能对另一侧表面进行冷却，这使得晶体内部产生了相当可观的温度梯度与热应力。一方面，热应力过大会引起介质炸裂，从而制约泵浦功率密度的提高；另一方面，温度梯度过大会引起热透镜效应导致谐振腔失稳，影响光束质量。因此，如何解决激光器的热管理问题是发展高功率碟片激光器的核心技术问题。

从国内外现有的冷却结构上看，水冷结构仍然是解决千瓦级以上高热流密度碟片激光器散热问题的主要方式，其中，以阵列射流结构的应用最为广泛，它最大的优点是结构简单，可控性好，因此是目前研究高热器件散热结构的主要方向。但阵列射流的最大缺点是换热系数分布不均，受湍流影响易形成驻点。微通道换热技术目前广泛用于高热通量电子产品的冷却中，因其能够横向扫掠被冷却面来获得很好的换热效果，在碟片激光器的冷却中也常有出现。但由于微通道尺寸精细，加工工艺复杂，加工成本问题是该结构最大的缺点。目前还有一种以微通道原理发展起来的冷却结构——微通道内布置多孔介质，在多孔介质中存在互相连通的微孔道，流动得到随机掺混，引起热量和动量的弥散效应，使径向温度分布均匀，加强对流换热效果。但对于多孔介质来说，由于孔隙率及厚度参数对对流换热系数很敏感，这样就给制备满足要求的多孔材料带来困难，而且由于粘性阻力与惯性阻力的存在，需要较大的入水口压力。

发明内容

基于对上述各类高效换热结构原理及特点的研究，针对碟片激光器晶体的散热问题，本发明提供了一种新型射流式碟片激光器晶体冷却装置，该结构装置将射流与微通道结构的思想相结合。首先将进、回水流道设计成相间形式的梯形流道，目的是为了避免阵列射流入水口集中分布易形成湍流驻点的问题，同时也是为了使流体经过热源后更迅速的返回出口，避免流道过长引起的流体粘度阻力的增加从而提高换热效率。另外，将热沉与进出水口之间留有一定距离的垂直冲击射流区域，这样在该区域流体直接高速冲击热沉表面能够获得很薄的流动边界层从而加强了对流换热效应。相当于将微通道与射流两种冷却结构进行优势互补。

本发明采取的技术方案为：

本发明涉及一种新型射流式碟片激光器晶体冷却结构装置，包括封盖、晶体、热沉、梯形流道水循环***、筒壁等结构组成。

所述的梯形进、回水流道焊接于筒壁成为一体结构，依据激光器的需求，筒壁厚、进、回水流道宽度通过参数优化分别定为0.5mm、0.5mm与1.8mm；流道下方通过梯形流道分别将进、回水汇聚到各自的进、出水口处以保证进、回水的相间形式，进出水口径向尺寸以及通道高度均通过流体仿真的优化确定。

于进、回水流道上方通过支撑环使得热沉与其之间留有2.5mm的垂直冲击射流区域以使热沉后表面能够获得很薄的流动边界层从而加强对流换热效应。支撑环于筒壁焊接为一体结构，通过封盖以及热沉后表面与焊接环之间的密封圈使水循环密封。这样就形成了热沉或流道可拆卸更换式的模块化结构。

本发明具有以下优势：

本发明属于碟片激光器晶体冷却领域，叙述了一种新型射流式碟片激光器晶体冷却装置。其结构优势是将进、回水流道设计成相间形式，目的是为了避免冲击射流入水口集中分布易形成湍流驻点导致换热系数分布不均的问题；同时将热沉与进、回水流道之间留有一定距离的垂直冲击射流区域，这样不仅能破坏流体在流道中流动时形成的边界层，而且在射流区域流体直接高速冲击热沉表面能够获得很薄的流动边界层从而加强了对流换热效应，使激光器的晶体冷却效率得到提高。从经济层面考虑，这种新型射流冷却装置的最大优势是结构非常简单易实现，与目前应用广泛的微通道或多孔介质结构相比成本更低廉，更易实现工程产业化，具有很大的工程实际应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例一种新型射流式碟片激光器晶体冷却装置图；

图2为本发明实施例一种新型射流式碟片激光器晶体冷却装置梯形流道与进出水口的截面图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1所示为本发明实施例一种新型射流式碟片激光器晶体冷却装置结构剖面图，具体包括：碟片晶体(1)，垫圈(2)，封盖(3)，热沉(4)，密封圈(5)，支撑环(6)，筒壁(7)，梯形流道(8)，回水通道(9)，进水通道(10)，冲击射流区域(11)。

于筒壁(7)内设有下部带梯形流道(8)的圆柱体，于圆柱体内从左至右依次间隔地开设有2个以上回水通道(9)和2个以上进水通道(10)，回水通道(9)和进水通道(10)均为从圆柱体下端面至上端面的条状通孔；沿垂直于从左至右方向的回水通道(9)和进水通道(10)的截面上部为矩形、下部为梯形，构成上部大方形水口和下部小方形水口，矩形下边与梯形上底边重合，2个以上回水通道(9)下部小方形水口和2个以上进水通道(10)下部小方形水口分别位于圆柱体下端面的相对二侧，分别与筒壁(7)底部的进出水口相连；

于圆柱体上端面与热沉(4)下表面之间留有空隙，作为冲击射流区域(11)。进、回水流道(8)上端口的宽度、射流区域(11)的高度按照参数优化分别确定为0.5mm、1.8mm与2.5mm，进、出水口与流道间通道为半圆形与圆形的阶梯通道以确保水循环的分流与汇聚，圆柱体下端面向下沿轴向分别沿伸为2mm、3mm，与筒壁(7)的底面焊接为一体结构。这样使得流道下方通过梯形流道分别将进、回水汇聚到各自的进、出水口处以保证进、回水的相间形式。热沉厚度为3mm，碟片晶体厚度为1mm，晶体与热沉采用金铟真空低温共晶焊接。

图2为本发明实施例一种新型射流式碟片激光器晶体冷却装置梯形流道与进出水口的沿轴向剖截面图，具体包括：外部水循环***出水口(12)，外部水循环***进水口(13)。通过进、出水口连接装置内部的水循环***。本发明具体实施为：

外部水循环***，进、出水口与流道间通道为半圆形与圆形的阶梯通道以确保水循环的分流与汇聚，圆柱体下端面向下沿轴向分别沿伸为2mm、3mm，与筒壁(7)的底面焊接为一体结构。将冷却水通过进水口(13)通过梯形流道分流的作用进入(8)中，同时使得回水通道(9)与进水通道(10)相间分隔，这样避免阵列射流入水口集中分布易形成湍流驻点的问题，同时也是为了使流体经过热源后更迅速的返回回水通道(9)，避免流道过长引起的流体粘度阻力的增加从而提高换热效率。另外，将热沉与进出水口之间留有一定距离的垂直冲击射流区域(11)，通过支撑环(6)来实现，与筒壁焊接为一体，前期通过优化仿真确定射流区域高度来确定支撑环尺寸。这样在区域(11)流体直接高速冲击热沉(4)的后表面能够获得很薄的流动边界层从而达到使碟片晶体(1)强化冷却的作用。

Claims (8)

1.一种新型射流式碟片激光器晶体冷却装置，包括：碟片晶体(1)，垫圈(2)，封盖(3)，热沉(4)，密封圈(5)，支撑环(6)，筒壁(7)，梯形流道(8)，回水通道(9)，进水通道(10)，冲击射流区域(11)；

其特征在于：

筒壁(7)为一上端开口的圆筒状结构，热沉(4)为一圆形平板状结构，热沉(4)置于筒壁(7)的上开口端，于热沉(4)下表面和筒壁(7)的上开口端面间设有环状支撑环(6)，于筒壁(7)的上开口端设有中部带通孔的封盖(3)，封盖(3)与上开口端间可拆卸连接；碟片晶体(1)固接于热沉(4)上表面中部，圆形碟片晶体(1)位于封盖(3)中部的通孔内；于筒壁(7)内设有下部带梯形流道(8)的圆柱体，于圆柱体内从左至右依次间隔地开设有2个以上回水通道(9)和2个以上进水通道(10)，回水通道(9)和进水通道(10)均为从圆柱体下端面至上端面的条状通孔；沿垂直于从左至右方向的回水通道(9)和进水通道(10)的截面上部为矩形、下部为梯形，构成上部大方形水口和下部小方形水口，矩形下边与梯形上底边重合，2个以上回水通道(9)下部小方形水口和2个以上进水通道(10)下部小方形水口分别位于圆柱体下端面的相对二侧，分别与筒壁(7)底部的进出水口相连；

于圆柱体上端面与热沉(4)下表面之间留有空隙，作为冲击射流区域(11)。

2.根据权利要求1所述的冷却结构，其特征在于：

封盖(3)与上开口端间可拆卸连接是指带内螺纹的封盖(3)与上开口端外侧壁面的外螺纹相螺合。

3.根据权利要求1所述的冷却结构，其特征在于：

封盖(3)与上开口端通过环状垫圈(2)密闭连接；

热沉(4)下表面和支撑环(6)间通过环状密封圈(5)密闭连接；

封盖(3)与热沉(4)上表面通过环状垫圈(2)密闭连接。

4.根据权利要求1所述的冷却结构，其特征在于：

包括铜钨合金筒壁、微小梯形进回水流道水循环***、热沉、晶体、封盖；筒壁(7)与微小梯形进回水流道水循环***通过真空共晶低温焊焊接为一体结构，循环***为下端开进、出水口连接外部水循环，通过两半圆形区域将相间的进回水流道分别汇聚两边；上端通过焊接支撑环(6)与热沉后表面保证留有冲击射流区域；通过封盖(3)与筒壁(7)的螺纹连接压紧热沉与支撑环间的密封圈，保证水循环***的密封环境。

5.根据权利要求1所述的冷却结构，其特征在于：

支撑环(6)与筒壁(7)焊接为一体，碟片晶体为圆形薄片，材质为Yb：YAG，与热沉(4)、带有梯形进回水流道的圆柱体、支撑环(6)同轴设置。

6.根据权利要求1所述的冷却结构，其特征在于：

进、回水流道(8)上端口的宽度、射流区域(11)的高度按照参数优化分别确定为0.5mm、1.8mm与2.5mm，进、出水口与流道间通道为半圆形与圆形的阶梯通道以确保水循环的分流与汇聚，圆柱体下端面向下沿轴向分别沿伸为2mm、3mm，与筒壁(7)的底面焊接为一体结构。

7.根据权利要求1所述的冷却结构，其特征在于：

热沉厚度为3mm，材质为金刚石；碟片晶体厚度为1mm，与热沉采用金铟真空低温共晶焊接。

8.根据权利要求1或3所述的冷却结构，其特征在于：

封盖(3)与热沉(8)通过垫片(2)间隔压紧避免直接接触。

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