激光器電極非均勻水冷網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域，針對(duì)新一代高功率射頻板條0)2激光器，設(shè)計(jì)一種專用水冷結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電極最佳冷卻，確保激光器穩(wěn)定運(yùn)行。
【背景技術(shù)】
[0002]高功率射頻板條C02激光器是指功率在2000-5000瓦的激光器，該類激光器結(jié)構(gòu)緊湊小巧，光束質(zhì)量高，是目前所有千瓦級(jí)以上其它C02激光器均無(wú)法達(dá)到的，在中厚板切割和焊接領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，代表了 C02激光器發(fā)展方向。射頻板條0)2激光器的波導(dǎo)電極，在冷卻不充分或不均勻時(shí)都會(huì)導(dǎo)致電極表面出現(xiàn)熱變形，嚴(yán)重影響激光光束質(zhì)量、光電轉(zhuǎn)換效率、輸出功率。熱問題一直是制約激光器朝高功率、高光束質(zhì)量與高穩(wěn)定性方向發(fā)展的重要因素，放電氣體的溫度上升對(duì)輸出功率的影響有兩個(gè)方面:(1)氣體溫度升高使co2分子的躍迀譜線加寬，從而導(dǎo)致激光受激截面減小；(2)氣體溫升導(dǎo)致激光上能級(jí)粒子的消激發(fā)速率上升，下能級(jí)粒子的熱激發(fā)速率增加，兩者的結(jié)果導(dǎo)致反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度下降，使小信號(hào)增益系數(shù)減小，從而使輸出功率下降。
[0003]水冷是大功率激光器常用的冷卻方法，高溫的放電氣體通過(guò)熱傳導(dǎo)的形式將熱量傳給電極壁，電極通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式將熱量再傳給電極的水道表面，再通過(guò)水道中循環(huán)流動(dòng)的冷卻水與極板間的傳導(dǎo)對(duì)流將熱量帶走。高功率射頻板條0)2激光器工作時(shí)單位時(shí)間發(fā)熱較多，且激光器輸出對(duì)電極表面的形變很敏感。因而，在工程實(shí)踐中，采用在電極板內(nèi)加工水冷槽的方案來(lái)達(dá)到散熱冷卻的目的。平板電極的冷卻水流道散熱是確保激光器長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，其水冷結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有著重要意義。
[0004]現(xiàn)有水冷技術(shù)中，電極板內(nèi)的水通道結(jié)構(gòu)如圖1所示，出口用金屬焊接真空封接形成U型冷卻水通道。冷卻水由入水口進(jìn)入，通過(guò)電極的水槽通道，由出水口流出，將放電區(qū)氣體熱量傳導(dǎo)給電極板，由冷卻水帶走，實(shí)現(xiàn)放電區(qū)氣體和電極板的冷卻。由U型水道結(jié)構(gòu)變化而來(lái)，如圖2所示是一種S型結(jié)構(gòu)，由10個(gè)水道構(gòu)成，其中進(jìn)水道和出水道沒有完全打通，其它8個(gè)水道由金屬焊接真空封接。
[0005]U型水冷道水道過(guò)少，且在電極板發(fā)熱最多的中心地帶沒有水流道，冷卻效果比較差。S型水流道是一種沿中心對(duì)稱分布的結(jié)構(gòu)，如果熱量在極板平面分布不均勻，采用此結(jié)構(gòu)則冷卻效果會(huì)明顯降低?，F(xiàn)有水流道為均勻流道、均勻分布，并且流道較長(zhǎng)，冷卻效果不佳，會(huì)影響激光光束質(zhì)量、光電轉(zhuǎn)換效率、輸出功率等參數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)上述問題，本發(fā)明提出一種射頻板條C02激光器電極非均勻網(wǎng)格水冷結(jié)構(gòu)，通過(guò)采用非均勻?qū)捳鞯?，確保板條電極冷卻均勻。主要
【發(fā)明內(nèi)容】
如下:
[0007]—種高功率板條C02激光器電極非均勻水冷網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，包括進(jìn)水口 5、出水口 6和直線水流道3，多個(gè)直線水流道3平行開鑿于電極板的內(nèi)部，各直線水流道3兩端分別匯聚到進(jìn)水口 5和出水口 6，其特征在于:
[0008]所述各個(gè)直線水流道3的橫截面尺寸是不相同的，在垂直于水流道3方向上，越靠近電極板中間部位的直線水流道3越細(xì)，越靠近電極板邊緣的水流道越粗；進(jìn)水口 5和出水口 6的截面積，均大于或等于各個(gè)直線水流道3的截面積之和。
[0009]進(jìn)一步的，所述的非均勻水冷網(wǎng)格結(jié)構(gòu)電極板2中部垂直于水流道方向設(shè)有一個(gè)均壓水槽1，其為連通各個(gè)直線水流道3的直線水槽，水槽截面積與中間水流道4的截面積相當(dāng)，用于連通各個(gè)直線水流道，使各條水流道保持水壓一致，使水流能夠順利通過(guò)各個(gè)直線水流道。。
[0010]進(jìn)一步的，所述的非均勻水冷網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)水口 6與出水口 5分別設(shè)在直線水流道的兩端，散熱更加均勻。
[0011]進(jìn)一步的，所述的非均勻水冷網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的均壓水槽1、水流道3、進(jìn)水口 5和出水口6在金屬電極內(nèi)部銑出，尺寸因極板尺寸而定，散熱效果更好。
[0012]采用這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，水流能夠覆蓋整個(gè)電極板，且不同水流道的直徑不同，能夠均勻地使電極板散熱，電極板冷卻更均勻，提高冷卻效率，激光器工作更穩(wěn)定，提高激光輸出的穩(wěn)定性。通過(guò)將多個(gè)流道設(shè)計(jì)成并聯(lián)的方式，增大冷卻水與金屬電極的接觸面積，使電極中心、邊緣和對(duì)角得到均勻的冷卻效果。基于本發(fā)明的思想，可以避免現(xiàn)有U形、S形、W形冷卻水流道冷卻不均勻問題，提升冷卻效果，保證冷卻的均勻性。此外，本發(fā)明的思想可以指導(dǎo)其他領(lǐng)域的高發(fā)熱、高冷卻要求的金屬器件的散熱水流道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是U型冷卻水流通道結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2是S型冷卻水流道結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖3是本專利設(shè)計(jì)的多通道的水流道結(jié)構(gòu)示意圖:1_均壓水道，2-放電電極，3-直線水流道，4-中間水流道，5-出水口，6-進(jìn)水口，7-均壓水道切口面，8-水槽蓋板；
[0016]圖4是均壓水槽部分放大圖，中間有虛線的是直線水流道，陰影部分為電極板剖面，中間連通直線水流道的是均壓水槽。
【具體實(shí)施方式】
[0017]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0018]在平板大面積放電結(jié)構(gòu)的激光器中，主要是通過(guò)放電氣體的擴(kuò)散來(lái)使氣體得到冷卻的。由放電氣體擴(kuò)散所散發(fā)出來(lái)的熱量，傳輸?shù)絻蓚€(gè)相距很近的金屬電極上，然后被電極內(nèi)流動(dòng)的冷卻液帶走，包括工作氣體和金屬板的傳熱以及液體的流動(dòng)傳熱。
[0019]為了實(shí)現(xiàn)有效的冷卻，提高射頻板條C02激光器的轉(zhuǎn)換效率，一般采用平行相對(duì)布放的兩電極板同時(shí)水冷方式的并聯(lián)型水冷裝置。本實(shí)施例涉及一種多通道的水流道結(jié)構(gòu)，如圖3所示。
[0020]該水流道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下:一個(gè)進(jìn)水口 6與出水口 5，7條直線水流道3平行排布在電極板中，兩端匯聚到進(jìn)、出水口，在電極板中央垂直于水流道有一段均壓水槽1。進(jìn)水口6與出水口 5設(shè)在直線水流道的兩端，相比于通常采用的靠邊位置，這種設(shè)計(jì)使水流道長(zhǎng)度更加均勻，減小水阻，使水流更加穩(wěn)定；
[0021]考慮工程實(shí)踐中存在的電極對(duì)角溫度過(guò)高、最大溫差過(guò)大、平均溫度過(guò)高等問題，本實(shí)施例采用7個(gè)流道并聯(lián)的方式，增大冷卻水與金屬電極的接觸面積，使電極中心、邊緣和對(duì)角得到均勻的冷卻效果。
[0022]直線水流道3直徑的分布遵循以下規(guī)律:中間水流道4直徑最小，越靠近電極板邊緣，直線水流道直徑越大。這種設(shè)計(jì)促使進(jìn)水口進(jìn)水時(shí)，由于水壓原因，不會(huì)僅僅從中間水流道流過(guò)，而是會(huì)從所有直線水流道流過(guò)，這樣能夠使電極板各個(gè)部位都能夠散熱；
[0023]電極板2中央垂直于水流道設(shè)計(jì)了一個(gè)均壓水槽1，均壓水槽1如圖4，它連接著所有直線水流道，在各個(gè)直線水流道3中的冷卻水在電極板中央時(shí)，水流通過(guò)均壓水槽1連通，其作用是使各條水流道保持水壓一致，避免水流“短路”。
[0024]為了保證各通道內(nèi)冷卻水的有效流通，要求冷卻水入口截面積與冷卻水出口的截面積大于或等于各通道的截面積之和。
[0025]本實(shí)施例中，直線水流道3總橫截面寬度占電極寬度的36.4%，冷卻水流道覆蓋面較大。平板電極最大溫差約為8°C，滿足散熱要求。采用這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，能夠均勻地使電極板散熱，電極板冷卻更均勻，提高冷卻效率，激光器工作更穩(wěn)定，提高激光輸出的穩(wěn)定性。
[0026]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高功率板條CO 2激光器電極非均勻水冷網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，包括進(jìn)水口(5)、出水口(6)和直線水流道(3)，多個(gè)直線水流道(3)平行開鑿于電極板的內(nèi)部，各直線水流道(3)兩端分別匯聚到進(jìn)水口(5)和出水口(6)，其特征在于: 所述各個(gè)直線水流道(3)的橫截面尺寸是不相同的，在垂直于水流道(3)方向上，越靠近電極板中間部位的直線水流道(3)越細(xì)，越靠近電極板邊緣的水流道越粗；進(jìn)水口(5)和出水口(6)的截面積，均大于或等于各個(gè)直線水流道(3)的截面積之和。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非均勻水冷網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其特征在于，電極板(2)中部垂直于水流道方向設(shè)有一個(gè)均壓水槽(1)，其為連通各個(gè)直線水流道(3)的直線水槽，水槽截面積與中間水流道(4)的截面積相當(dāng)，用于連通各個(gè)直線水流道，使各條水流道保持水壓一致。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的非均勻水冷網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其特征在于，進(jìn)水口(6)與出水口(5)分別設(shè)在直線水流道的兩端。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的非均勻水冷網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其特征在于，均壓水槽(1)、水流道(3)、進(jìn)水口(5)和出水口(6)在金屬電極內(nèi)部銑出，尺寸因極板尺寸而定。
【專利摘要】本發(fā)明公開了高功率板條CO2激光器平板電極的一種冷卻水流道結(jié)構(gòu)。采用在電極內(nèi)部加工水冷槽作為冷卻水的流道的技術(shù)方案，將水流道設(shè)計(jì)為非均勻網(wǎng)格，改進(jìn)了現(xiàn)有U形、S形和蛇形流道結(jié)構(gòu)，具有網(wǎng)格結(jié)構(gòu)非均勻、散熱效率高、散熱均勻性好特點(diǎn)。本發(fā)明是在大量工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，提出的冷卻水流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最優(yōu)方案，可推廣用于大部分高發(fā)熱金屬器件的散熱。
【IPC分類】H01S3/041
【公開號(hào)】CN105322418
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510822714
【發(fā)明人】唐霞輝, 萬(wàn)辰皓, 秦應(yīng)雄, 王度, 夏燃, 龍思琛
【申請(qǐng)人】華中科技大學(xué)
【公開日】2016年2月10日
【申請(qǐng)日】2015年11月23日