專利名稱：千瓦級光纖激光器微通道冷卻裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于千瓦級光纖激光器的冷卻的裝置。
背景技術(shù)：
自1988年E. Snitzer等人提出雙包層光纖概念之后，基于這種包層泵浦技術(shù)的光纖激 光器獲得了迅猛的發(fā)展。2007年單纖輸出功率已經(jīng)達(dá)到3kW，利用多纖耦合技術(shù)已經(jīng)在實驗 室完成數(shù)萬瓦的光纖激光器。
與傳統(tǒng)的固體激光器相比，高功率雙包層光纖激光器有很大的表面積與體積比，工作在 低功率吋能有效散失抽運光所沉積的熱量。但是，隨著輸出功率不斷提高，尤其當(dāng)激光輸出 達(dá)到kW量級時，基質(zhì)材料熱擴(kuò)散將引起應(yīng)力和折射率的變化，由于熱量沉積，會導(dǎo)致?lián)诫s纖 芯中溫度升高、量子效率降低、輸出波長變化，甚至?xí)?dǎo)致基質(zhì)熔化、光纖端面損壞、光纖 側(cè)面切口處燒毀、光纖側(cè)面燒斷，使光纖激光器不能正常工作。因此，如何高效散熱是高功 率光纖激光器研究中迫切需要解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種千瓦級光纖激光器微通道冷卻裝置，該冷卻裝置具有冷卻效 果明顯的特點。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)解決方案是千瓦級光纖激光器微通道冷卻裝
置，其特征在于它包括內(nèi)制冷器7、外制冷器9，外制冷器9套在內(nèi)制冷器7上；使用時，光 纖激光器3位于內(nèi)制冷器7與外制冷器9之間，且光纖激光器3纏繞在內(nèi)制冷器7上并與外 制冷器9相接觸；外制冷器9與內(nèi)制冷器7由螺釘10連接；內(nèi)制冷器7、外制冷器9的材料 均為金屬。
內(nèi)制冷器7由金屬內(nèi)圓筒1和內(nèi)層圓筒形微通道散熱器2組成，金屬內(nèi)圓筒1上設(shè)有冷 卻介質(zhì)輸入接頭穿過孔、冷卻介質(zhì)輸出接頭穿過孔；內(nèi)層圓筒形微通道散熱器2由4 12片 內(nèi)層圓弧形微通道散熱片6組成，每一內(nèi)層圓弧形微通道散熱片6的內(nèi)面上設(shè)有冷卻介質(zhì)輸 入接頭12、冷卻介質(zhì)輸出接頭13，內(nèi)層圓弧形微通道散熱片6內(nèi)設(shè)有1條冷卻介質(zhì)輸入通道 15、 1條冷卻介質(zhì)輸出通道16、 20 200條微通道11，每條微通道11的一端均與冷卻介質(zhì)輸 入通道15相通，每條微通道11的另一端均與冷卻介質(zhì)輸出通道16相通，冷卻介質(zhì)輸入接頭 12與冷卻介質(zhì)輸入通道15相連通，冷卻介質(zhì)輸出接頭13與冷卻介質(zhì)輸出通道16相連通； 內(nèi)層圓弧形微通道散熱片6套在金屬內(nèi)圓筒1的外表面上，內(nèi)層圓弧形微通道散熱片6上的 冷卻介質(zhì)輸入接頭12穿過金屬內(nèi)圓筒1上的冷卻介質(zhì)輸入接頭穿過孔與冷卻介質(zhì)輸入管相連 接，內(nèi)層圓弧形微通道散熱片6上的冷卻介質(zhì)輸出接頭13穿過金屬內(nèi)圓筒1上的冷卻介質(zhì)輸 出接頭穿過孔與冷卻介質(zhì)輸出管相連接。
外制冷器9由外層圓筒形微通道散熱器4、金屬外圓筒5組成，金屬外圓筒5上設(shè)有冷 卻介質(zhì)輸入接頭穿過孔、冷卻介質(zhì)輸出接頭穿過孔；外層圓筒形微通道散熱器4由4 12片 外層圓弧形微通道散熱片8組成，每一外層圓弧形微通道散熱片8的外面上設(shè)有冷卻介質(zhì)輸入接頭、冷卻介質(zhì)輸出接頭，外層圓弧形微通道散熱片8內(nèi)設(shè)有1條冷卻介質(zhì)輸入通道、1 條冷卻介質(zhì)輸出通道、20 200條微通道，每條微通道的一端均與冷卻介質(zhì)輸入通道相通， 每條微通道的另一端均與冷卻介質(zhì)輸出通道相通，冷卻介質(zhì)輸入接頭與冷卻介質(zhì)輸入通道相 連通，冷卻介質(zhì)輸出接頭與冷卻介質(zhì)輸出通道相連通；外層圓弧形微通道散熱片8位于金屬 外圓筒5的內(nèi)表面上，外層圓弧形微通道散熱片8上的冷卻介質(zhì)輸入接頭穿過金屬外圓筒5 上的冷卻介質(zhì)輸入接頭穿過孔與冷卻介質(zhì)輸入管相連接，外層圓弧形微通道散熱片8上的冷 卻介質(zhì)輸出接頭穿過金屬外圓筒5上的冷卻介質(zhì)輸出接頭穿過孔與冷卻介質(zhì)輸出管相連接。
本發(fā)明裝置的有益效果是千瓦級光纖激光器運行時，由于量子效率的限制，泵浦光不 能完全轉(zhuǎn)換為激光，摻雜離子的吸收轉(zhuǎn)換為熱能，大量積聚在光纖內(nèi)部，通過熱傳導(dǎo)，熱量 將從光纖與圓弧形微通道散熱片(內(nèi)層、外層)接觸面流向微通道，與流過微通道的冷卻介質(zhì) 進(jìn)行熱交換，最后熱量由冷卻介質(zhì)及時帶走，從而實現(xiàn)了光纖整體冷卻；維持光纖激光器的 持續(xù)、穩(wěn)定和正常運行，延長其使用壽命。該裝置具有散熱均勻、制冷效果明顯和實用性強(qiáng) 等特點。本發(fā)明特別適用于八百瓦 二千瓦的光纖激光器(即千瓦級光纖激光器)。


圖1為本發(fā)明的裝配示意圖2為本發(fā)明的內(nèi)層圓弧形單層微通道散熱片的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是圖2的A-A剖視圖； 圖4是圖2的B-B剖視圖中1-金屬內(nèi)圓筒，2-內(nèi)層圓筒形微通道散熱器，3-光纖激光器，4-外層圓筒形微通 道散熱器，5-金屬外圓筒，6-內(nèi)層圓弧形微通道散熱片，7-內(nèi)制冷器，8-外層圓弧形微通道 散熱片，9-外制冷器，10-螺釘，11-微通道，12-冷卻介質(zhì)輸入接頭，13-冷卻介質(zhì)輸出接頭， 14-螺釘固定孔，15-冷卻介質(zhì)輸入通道，16-冷卻介質(zhì)輸出通道。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。 如圖l、圖2、圖3、圖4所示，千瓦級光纖激光器微通道冷卻裝置，它包括內(nèi)制冷器7、 外制冷器9，外制冷器9套在內(nèi)制冷器7上；使用時，光纖激光器3 (千瓦級光纖激光器)位 于內(nèi)制冷器7與外制冷器9之間，且光纖激光器3纏繞在內(nèi)制冷器7上并與外制冷器9相接 觸；光纖激光器3的輸入端穿過外制冷器9上的光纖輸入孔位于外制冷器9外，光纖激光器 3的輸出端穿過外制冷器9上的光纖輸出孔位于外制冷器9夕卜；外制冷器9與內(nèi)制冷器7由 螺釘10連接(圖1中采用4個)；內(nèi)制冷器7、外制冷器9的材料均為金屬(散熱性好的材 料，如銅，也可以是其它熱傳導(dǎo)系數(shù)較大的金屬)。
內(nèi)制冷器7由金屬內(nèi)圓筒1和內(nèi)層圓筒形微通道散熱器2組成，金屬內(nèi)圓筒1上設(shè)有冷 卻介質(zhì)輸入接頭穿過孔、冷卻介質(zhì)輸出接頭穿過孔、螺釘固定孔；內(nèi)層圓筒形微通道散熱器 2由4 12片內(nèi)層圓弧形微通道散熱片6組成(圖1中采用8片，可根據(jù)需要確定)，每一內(nèi) 層圓弧形微通道散熱片6的內(nèi)面上設(shè)有冷卻介質(zhì)輸入接頭12、冷卻介質(zhì)輸出接頭13，內(nèi)層圓 弧形微通道散熱片6內(nèi)設(shè)有1條冷卻介質(zhì)輸入通道15、 1條冷卻介質(zhì)輸出通道16、 20 200條微通道ll (根據(jù)設(shè)計要求，確定微通道數(shù)目)，每條微通道ll的一端均與冷卻介質(zhì)輸入通 道15相通，每條微通道11的另一端均與冷卻介質(zhì)輸出通道16相通，冷卻介質(zhì)輸入接頭12 與冷卻介質(zhì)輸入通道15相連通，冷卻介質(zhì)輸出接頭13與冷卻介質(zhì)輸出通道16相連通；內(nèi)層 圓弧形微通道散熱片6上設(shè)有螺釘固定孔14，內(nèi)層圓弧形微通道散熱片6套在金屬內(nèi)圓筒1 的外表面上，內(nèi)層圓弧形微通道散熱片6上的冷卻介質(zhì)輸入接頭12穿過金屬內(nèi)圓筒1上的冷 卻介質(zhì)輸入接頭穿過孔與冷卻介質(zhì)輸入管相連接，內(nèi)層圓弧形微通道散熱片6上的冷卻介質(zhì) 輸出接頭]3穿過金屬內(nèi)圓筒1上的冷卻介質(zhì)輸出接頭穿過孔與冷卻介質(zhì)輸出管相連接，內(nèi)層 圓弧形微通道散熱片6由螺釘固定在金屬內(nèi)圓筒1上。
外制冷器9由外層圓筒形微通道散熱器4、金屬外圓筒5組成(外層圓筒形微通道散熱 器4與內(nèi)層圓筒形微通道散熱器2的結(jié)構(gòu)基本相同，不同之處在于冷卻介質(zhì)輸入接頭、冷 卻介質(zhì)輸出接頭設(shè)置在外層圓弧形微通道散熱片8的外面上)，金屬外圓筒5上設(shè)有冷卻介質(zhì) 輸入接頭穿過孔、冷卻介質(zhì)輸出接頭穿過孔、螺釘固定孔；外層圓筒形微通道散熱器4由4 12片外層圓弧形微通道散熱片8組成(圖1中釆用8片，根據(jù)需要確定)，每一外層圓弧形 微通道散熱片8的外面上設(shè)有冷卻介質(zhì)輸入接頭、冷卻介質(zhì)輸出接頭，外層圓弧形微通道散 熱片8內(nèi)設(shè)有1條冷卻介質(zhì)輸入通道、1條冷卻介質(zhì)輸出通道、20 200條微通道(根據(jù)設(shè)計 要求，確定微通道數(shù)目)，每條微通道的一端均與冷卻介質(zhì)輸入通道相通，每條微通道的另一 端均與冷卻介質(zhì)輸出通道相通，冷卻介質(zhì)輸入接頭與冷卻介質(zhì)輸入通道相連通，冷卻介質(zhì)輸 出接頭與冷卻介質(zhì)輸出通道相連通；外層圓弧形微通道散熱片8上設(shè)有螺釘固定孔，外層圓 弧形微通道散熱片8位于金屬外圓筒5的內(nèi)表面上(金屬外圓筒5套在外層圓筒形微通道散 熱器4上)，外層圓弧形微通道散熱片8上的冷卻介質(zhì)輸入接頭穿過金屬外圓筒5上的冷卻介 質(zhì)輸入接頭穿過孔與冷卻介質(zhì)輸入管相連接，外層圓弧形微通道散熱片8上的冷卻介質(zhì)輸出 接頭穿過金屬外圓筒5上的冷卻介質(zhì)輸出接頭穿過孔與冷卻介質(zhì)輸出管相連接，外層圓弧形 微通道散熱片8由螺釘固定在金屬外圓筒5上。
所述的冷卻介質(zhì)為水(去離子水)，也可以是其它類型的流動性液體或氣體。 下面是一個具體實施的例子
根據(jù)光纖激光器的長度，計算出光纖纏繞直徑和長度。根據(jù)需要的散熱量，優(yōu)化圓弧形 微通道散熱片的結(jié)構(gòu)。雙包層光纖長度為10m，芯徑為30Mm, D型內(nèi)包層直徑400/350Mm ， 外包層直徑為600Wn，為了較好地散熱，剝除其保護(hù)層。
選取導(dǎo)熱性能好的金屬銅作為金屬內(nèi)圓筒1和金屬外圓筒5的材料，金屬內(nèi)圓筒l的內(nèi)、 外半徑分別為45mm和50mm，長50mm;金屬外圓筒5的內(nèi)、外半徑分別為54. 5 和59. 5mm， 長50mm;
內(nèi)層圓筒形微通道散熱器2由8個大小相同的內(nèi)層圓弧形微通道散熱片(圓弧形金屬銅 單層微通道散熱片)6拼裝而成，內(nèi)層圓弧形微通道散熱片6的內(nèi)、外半徑分別為50ram和 51. 5腿，長30腿5
外層圓筒形微通道散熱器4由8個大小相同的外層圓弧形微通道散熱片(圓弧形金屬銅 單層微通道散熱片)8拼裝而成，外層圓弧形微通道散熱片8的內(nèi)、外半徑分別為53mm和54. 5鵬，長30腿j
圓弧形微通道散熱片內(nèi)的單個微通道為長方形，通道寬、深和長分別為300Wn、 350Mffi和 20ram，通道間隔寬度為300Mm。
實驗表明本發(fā)明可使千瓦級光纖激光器產(chǎn)生的大量熱量由冷卻介質(zhì)及時帶走，從而實 現(xiàn)了光纖整體冷卻?？筛鶕?jù)千瓦級光纖激光器的熱分布，合理設(shè)計每個圓弧形微通道散熱片 的結(jié)構(gòu)，分別對每個圓弧形微通道散熱片的冷卻介質(zhì)的入口速度、流動方向、壓力和溫度等 進(jìn)行控制，使光纖激光器的溫度較好地達(dá)到均衡。該裝置具有散熱均勻、制冷效果明顯和實 用性強(qiáng)的特點。
權(quán)利要求
1.千瓦級光纖激光器微通道冷卻裝置，其特征在于它包括內(nèi)制冷器(7)、外制冷器(9)，外制冷器(9)套在內(nèi)制冷器(7)上；使用時，光纖激光器(3)位于內(nèi)制冷器(7)與外制冷器(9)之間，且光纖激光器(3)纏繞在內(nèi)制冷器(7)上并與外制冷器(9)相接觸；外制冷器(9)與內(nèi)制冷器(7)由螺釘(10)連接；內(nèi)制冷器(7)、外制冷器(9)的材料均為金屬。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的千瓦級光纖激光器微通道冷卻裝置，其特征在于內(nèi)制冷器(7)由金屬內(nèi)圓簡(1)和內(nèi)層圓筒形微通道散熱器(2)組成，金屬內(nèi)圓筒(1)上設(shè)有冷卻介質(zhì)輸入接頭穿過孔、冷卻介質(zhì)輸出接頭穿過孔；內(nèi)層圓筒形微通道散熱器(2)由4 12片內(nèi)層圓弧形微通道散熱片(6)組成，每一內(nèi)層圓弧形微通道散熱片(6)的內(nèi)面上設(shè)有冷卻介質(zhì)輸入接頭(12)、冷卻介質(zhì)輸出接頭(13)，內(nèi)層圓弧形微通道散熱片(6)內(nèi)設(shè)有l(wèi)條冷卻介質(zhì)輸入通道(15)、 l條冷卻介質(zhì)輸出通道(16)、 20 200條微通道(11)，每條微通道(11)的一端均與冷卻介質(zhì)輸入通道(15)相通，每條微通道(11)的另一端均與冷卻介質(zhì)輸出通道(16)相通，冷卻介質(zhì)輸入接頭(12)與冷卻介質(zhì)輸入通道(15)相連通，冷卻介質(zhì)輸出接頭(13)與冷卻介質(zhì)輸出通道(16)相連通；內(nèi)層圓弧形微通道散熱片(6)套在金屬內(nèi)圓筒(1)的外表面上，內(nèi)層圓弧形微通道散熱片(6)上的冷卻介質(zhì)輸入接頭(12)穿過金屬內(nèi)圓筒(1)上的冷卻介質(zhì)輸入接頭穿過孔與冷卻介質(zhì)輸入管相連接，內(nèi)層圓弧形微通道散熱片(6)上的冷卻介質(zhì)輸出接頭(13)穿過金屬內(nèi)圓筒(1)上的冷卻介質(zhì)輸出接頭穿過孔與冷卻介質(zhì)輸出管相連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的千瓦級光纖激光器微通道冷卻裝置，其特征在于外制冷器(9)由外層圓筒形微通道散熱器(4)、金屬外圓筒(5)組成，金屬外圓筒(5)上設(shè)有冷卻介質(zhì)輸入接頭穿過孔、冷卻介質(zhì)輸出接頭穿過孔；外層圓筒形微通道散熱器(4)由4 12片外層圓弧形微通道散熱片(8)組成，每一外層圓弧形微通道散熱片(8)的外面上設(shè)有冷卻介質(zhì)輸入接頭、冷卻介質(zhì)輸出接頭，外層圓弧形微通道散熱片(8)內(nèi)設(shè)有1條冷卻介質(zhì)輸入通道、1條冷卻介質(zhì)輸出通道、20 200條微通道，每條微通道的一端均與冷卻介質(zhì)輸入通道相通，每條微通道的另一端均與冷卻介質(zhì)輸出通道相通，冷卻介質(zhì)輸入接頭與冷卻介質(zhì)輸入通道相連通，冷卻介質(zhì)輸出接頭與冷卻介質(zhì)輸出通道相連通；外層圓弧形微通道散熱片(8)位于金屬外圓筒(5)的內(nèi)表面上，外層圓弧形微通道散熱片(8)上的冷卻介質(zhì)輸入接頭穿過金屬外圓筒(5)上的冷卻介質(zhì)輸入接頭穿過孔與冷卻介質(zhì)輸入管相連接，外層圓弧形微通道散熱片(8)上的冷卻介質(zhì)輸出接頭穿過金屬外圓筒(5)上的冷卻介質(zhì)輸出接頭穿過孔與冷卻介質(zhì)輸出管相連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于千瓦級光纖激光器的冷卻的裝置。千瓦級光纖激光器微通道冷卻裝置，其特征在于它包括內(nèi)制冷器、外制冷器，外制冷器套在內(nèi)制冷器上；使用時，光纖激光器位于內(nèi)制冷器與外制冷器之間，且光纖激光器纏繞在內(nèi)制冷器上并與外制冷器相接觸；外制冷器與內(nèi)制冷器由螺釘連接；內(nèi)制冷器、外制冷器的材料均為金屬。該裝置具有散熱均勻、制冷效果明顯和實用性強(qiáng)等特點。
文檔編號H01S3/042GK101640364SQ20091006371
公開日2010年2月3日 申請日期2009年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月25日
發(fā)明者劉國華 申請人:武漢工程大學(xué)