專(zhuān)利名稱(chēng)：激光器循環(huán)水的半導(dǎo)體制冷裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于激光器等設(shè)備的循環(huán)水冷卻裝置，具體說(shuō)來(lái)是一種采 用半導(dǎo)體制冷方式的帶有溫度控制和溫度、水壓報(bào)警的激光器水冷卻裝置。
背景技術(shù)：
激光器近年來(lái)在各個(gè)方面有了長(zhǎng)足的發(fā)展，各行各業(yè)均應(yīng)用到了激光器，例如 激光打標(biāo)機(jī)、激光美容機(jī)、音樂(lè)激光表演設(shè)備等等。其中，以氙燈作為泵浦源的激 光器占了較大的份額。燈泵浦激光器的效率較低，發(fā)熱較大，但其成熟的制造工藝、 低廉的價(jià)格以及較大的輸出功率決定了其會(huì)在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)仍然在中、大功 率激光器市場(chǎng)上占最大份額。
這種燈泵浦激光器，由于其消耗電能的90% 99%均直接或間接地被轉(zhuǎn)換成了 無(wú)用的熱能，因此需要一種制冷方式將熱能散發(fā)，以維持設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。通用的 做法是激光器本身有內(nèi)循環(huán)水作為熱量傳輸?shù)拿浇椋儆赏獠康睦鋮s設(shè)備將帶有熱 能的內(nèi)循環(huán)冷卻水冷卻。
目前使用的激光器多由三部分組成，激光器、激光器電源和激光器循環(huán)水冷卻 器。激光器包括有許多光學(xué)元件和電子元件，用于產(chǎn)生激光。激光器電源負(fù)責(zé)激光 器的供電和控制，同時(shí)接收激光器水冷卻器的狀態(tài)信息，如果水冷卻器有故障則系 統(tǒng)停機(jī)。
現(xiàn)在對(duì)激光器內(nèi)循環(huán)水主要有以下幾種冷卻方法 一是采取外循環(huán)水冷卻的方 法。使用一只"水——水"熱交換器和一只溫控節(jié)流闊，控制外循環(huán)水流過(guò)熱交換 器的流量，以控制內(nèi)循環(huán)水的水溫。這種方式的最大缺點(diǎn)是需要浪費(fèi)大量的外循環(huán) 水，非常不利于環(huán)保，也不能用于車(chē)載、機(jī)載等移動(dòng)使用的場(chǎng)合。第二是目前較多 采用的壓縮機(jī)制冷方式，這種方式采用壓縮機(jī)制冷，激光器內(nèi)循環(huán)水經(jīng)過(guò)制冷機(jī)熱 交換器被冷卻，其優(yōu)點(diǎn)是效率較高，但缺點(diǎn)是由于采用壓縮機(jī)制冷，不能短時(shí)間內(nèi) 多次起停，因此不能精確控溫，不適用于需要精密溫控的功率穩(wěn)定激光器；且體積 較大，壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噪音和震動(dòng)較大，不利于醫(yī)學(xué)等需要安靜的環(huán)境的應(yīng)用。
以上各種制冷方法均有局限性，且很難應(yīng)用于對(duì)內(nèi)循環(huán)水溫度高要求的場(chǎng)合， 難以適應(yīng)對(duì)于激光器循環(huán)水制冷裝置日益提高的需求。
近幾年發(fā)展起來(lái)的半導(dǎo)體制冷元件，其由NP型半導(dǎo)體通過(guò)金屬導(dǎo)流片鏈接，當(dāng) 電流由N通過(guò)P時(shí)，電場(chǎng)使N中的電子和P中的空穴反向流動(dòng)，他們產(chǎn)生的能量來(lái) 自晶格的熱能，于是在導(dǎo)流片上吸熱，而在另一端放熱，產(chǎn)生溫差。其優(yōu)點(diǎn)是可精 確溫控使用閉環(huán)溫控電路，精度可達(dá)0.1攝氏度；高可靠性致冷組件為固體器件， 無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，因此失效率低，壽命大于二十萬(wàn)小時(shí)；工作時(shí)無(wú)聲與機(jī)械制冷系統(tǒng) 不一樣，工作時(shí)不產(chǎn)生噪音。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種以半導(dǎo)體制冷元件為核心的水冷卻器，以彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足。
一種激光器循環(huán)水的半導(dǎo)體制冷裝置，它包括設(shè)有循環(huán)水溫度傳感器的水箱及與 水箱相連的水泵，散熱器和溫度控制裝置，其特征是它還包括一只循環(huán)水在其中流 動(dòng)的熱交換器，另外還包括緊密貼合在熱交換器及散熱器兩者之間的至少一個(gè)半導(dǎo) 體制冷片，熱交換器貼合于半導(dǎo)體制冷片的冷端的一面，散熱器貼合于半導(dǎo)體制冷 片的熱端的一面。
上述的熱交換器是用銅或鋁導(dǎo)熱率高的材料制成的一個(gè)密閉的殼體，殼體是長(zhǎng)方 形，內(nèi)部有熱交換鰭片，熱交換鰭片與殼體成為一體，殼體有用于循環(huán)水的流動(dòng)的 進(jìn)水口和出水口 。
上述的散熱器上安裝有兩只溫度閾值參數(shù)不同的連接至溫度控制器而控制半導(dǎo) 體制冷片電源的開(kāi)或關(guān)，溫度控制器連接有溫度指示燈。
本實(shí)用新型耗電量較低，制冷部分沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，基本上不需要人工維護(hù)，特別 適用于機(jī)載、車(chē)載等環(huán)境惡劣且要求耗電量低的場(chǎng)合。本實(shí)用新型運(yùn)用半導(dǎo)體制冷 元件，控溫準(zhǔn)確，效率較高，噪聲較低，壽命長(zhǎng)，體積小巧，可廣泛運(yùn)用于各種循 環(huán)水溫度傳感器，溫度閾值低的循環(huán)水溫度傳感器連接有軸流風(fēng)機(jī)，溫度閾值較高 的溫度敏感開(kāi)關(guān)，連接有溫度報(bào)警指示燈。
上述的水泵連接有一只壓力傳感器，壓力傳感器的高低壓報(bào)警觸點(diǎn)，接有壓力報(bào) 警指示燈。
上述的水箱底部安裝有-一只循環(huán)水溫度傳感器，循環(huán)水溫度傳感器需要移動(dòng)、安 靜、高低溫等特殊場(chǎng)合，且造價(jià)低廉，非常適于推廣。本產(chǎn)品也可應(yīng)用于其它需要 對(duì)液體進(jìn)行制冷的場(chǎng)合。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說(shuō)明。 圖l，本實(shí)用新型的總體結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2，本實(shí)用新型的總體結(jié)構(gòu)分解示意圖。 圖3，本實(shí)用新型的熱交換器結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4，本實(shí)用新型的控制電路部件連接框圖。 圖5，本實(shí)用新型的儀器面板示意圖。
其中，1電源，2散熱器，3軸流風(fēng)機(jī)，4 (散熱片)溫敏開(kāi)關(guān)，5半導(dǎo)體制冷片， 6水箱，7循環(huán)水溫度傳感器，8熱交換器，9水泵，10 (水泵壓力)監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)， 11溫度控制器，12固態(tài)繼電器，15熱交換鰭片，16出水管，17進(jìn)水管，18殼體 面板，19散熱口， 20主機(jī)供電接口， 21故障報(bào)警輸出電路，22壓力報(bào)警指示燈， 23溫度指示燈，24溫度報(bào)警指示燈，25電源指示燈，26激光器。
具體實(shí)施方式
圖2為一種具體實(shí)施例的制冷機(jī)主要部件分解圖。為清晰起見(jiàn)，圖中所示的元 器件被分解開(kāi)來(lái)，以便觀(guān)察。實(shí)際設(shè)備中的散熱器2與半導(dǎo)體制冷片5，半導(dǎo)體制冷 片5與熱交換器8應(yīng)緊密接觸。另外連接各部件的水管用帶箭頭的實(shí)線(xiàn)表示連接關(guān) 系和循環(huán)水的流向。
本實(shí)用新型的核心制冷裝置是半導(dǎo)體制冷片5。半導(dǎo)體制冷片5的冷端和熱端分 別連接有熱交換器8和散熱器2。半導(dǎo)休制冷片S通電后，熱交換器8的冷端的熱量 被傳送到連接有散熱器2的熱端并被軸流風(fēng)機(jī)3通過(guò)空氣流動(dòng)散發(fā)掉，這樣熱交換 器8中流動(dòng)的循環(huán)水被冷卻，達(dá)到本激光器水冷卻裝置的設(shè)計(jì)目的。
半導(dǎo)體制冷片5的工作狀態(tài)是由循環(huán)水溫度傳感器7、溫度控制器11以及固態(tài) 繼電器12協(xié)同控制的，組成溫度負(fù)反饋控制電路，由電源1供電。循環(huán)水溫度傳感 器7和溫度控制器11可以采用巿售的成品，根據(jù)溫度控制精度不同，從最低精度的 雙金屬片溫控開(kāi)關(guān)到高精度的溫度探頭協(xié)同帶有I，ID (比例積分微分)控制電路的溫 度控制器都可以采用。帶有PID控制電路的溫度控制器可以達(dá)到較高的控制精度， 處于穩(wěn)態(tài)時(shí)甚至可以達(dá)到0.1攝氏度的控制精度。溫度控制器11輸出的方波信號(hào)控 制固態(tài)繼電器，對(duì)半導(dǎo)體制冷片5供電或斷電，以控制制冷量。也可采用帶有電壓 輸出(通常是0 5V)或電流輸出(通常是4 20mA)的溫度控制器，直接控制帶 有控制功能的電源l，對(duì)于半導(dǎo)體制冷片5的工作電壓或電流進(jìn)行控制。如果選取帶 有加熱/制冷雙溫控功能的溫度控制器11，還可以對(duì)循環(huán)水進(jìn)行加熱或制冷，這多用 于氣候寒冷的特殊地區(qū)。

圖1中的循環(huán)水溫度傳感器7是安裝在水箱6內(nèi)的，圖中 為了清晰，分解展示。
流過(guò)熱交換器8的內(nèi)循環(huán)水進(jìn)入到水箱6中，水箱6中的水被水泵9泵浦到本 裝置以外的激光器26，激光器26產(chǎn)生的熱量被循環(huán)水?dāng)y帶，回到熱交換器8進(jìn)入下 一個(gè)循環(huán)。水泵9的輸出壓力由(水泵壓力)監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)10感知，如果壓力過(guò)大或 過(guò)小，均會(huì)故障報(bào)警，通知激光器和操作人員有故障發(fā)生。
圖3是一種熱交換器8內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。木文所述的熱交換器8并不限于圖3的形 式，可根據(jù)熱容量的大小改變樣式。熱交換器S的殼體可用銅等導(dǎo)熱率高的金屬進(jìn) 行加工。內(nèi)循環(huán)水由進(jìn)水管18進(jìn)入熱交換器8，在循環(huán)水通道19內(nèi)與殼體熱交換鰭 片15大面積接觸后，從出水管16流出，完成熱交換過(guò)程。熱交換器8的半導(dǎo)體制 冷元件安裝面17與半導(dǎo)體制冷片8的冷端密切接觸，設(shè)計(jì)時(shí)此面需要光滑、平整且 安裝半導(dǎo)體制冷片5時(shí)需要使用導(dǎo)熱硅脂或?qū)崮z墊進(jìn)行熱傳導(dǎo)輔助。
圖4是控制電路結(jié)構(gòu)方框圖。本實(shí)用新型的裝置外部設(shè)有主機(jī)供電接口 20和故 障報(bào)警輸出電路21。外部的激光器主機(jī)對(duì)本實(shí)用新型供電后，水泵9運(yùn)轉(zhuǎn)，(水泵壓 力)監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)10對(duì)水壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如果壓力過(guò)大(水路有堵塞顯現(xiàn))或壓力過(guò)小(水 路有泄露)，(水泵壓力)監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)l()均會(huì)產(chǎn)生故障報(bào)警信號(hào)。由循環(huán)水溫度傳感 器7測(cè)得的水溫信號(hào)被傳送至溫度控制器11，溫度控制器11的輸出信號(hào)控制固態(tài)繼 電器12的開(kāi)畢，從而控制半導(dǎo)體制冷片5工作起停。如果溫度低于預(yù)先設(shè)定的最小 值或高于預(yù)先設(shè)定的最大值，均會(huì)產(chǎn)生報(bào)警。安裝于散熱器2上的溫敏開(kāi)關(guān)4有兩 組。 一組是低溫控制觸點(diǎn)(例如溫控溫度50攝氏度)，及溫度高于開(kāi)關(guān)設(shè)定值即會(huì) 連通，時(shí)軸流風(fēng)機(jī)打開(kāi)，使用空氣流動(dòng)對(duì)散熱器2進(jìn)行散熱。另一組溫敏開(kāi)關(guān)用于 報(bào)警(例如溫控溫度80攝氏度)， 一般是空氣流動(dòng)不暢或軸流風(fēng)機(jī)故障導(dǎo)致。循環(huán) 水壓力、循環(huán)水溫度、散熱器溫度的三路報(bào)警開(kāi)關(guān)在本實(shí)用新型的裝置外殼上均有 聲光指示報(bào)警，并通過(guò)"或"邏輯對(duì)激光器電源運(yùn)用故障報(bào)警輸出電路21進(jìn)行報(bào)警， 以便使激光器電源停止激光輸出。(散熱片)溫敏開(kāi)關(guān)4可選擇帶有施密特效應(yīng)的型 號(hào)，以避免軸流風(fēng)機(jī)頻繁開(kāi)閉。
本實(shí)用新型運(yùn)用半導(dǎo)體制冷元件，控溫準(zhǔn)確，效率較高，噪聲較低，壽命長(zhǎng)，不 需維護(hù)，體積小巧，可廣泛運(yùn)用于各種需要移動(dòng)、安靜、高低溫等特殊場(chǎng)合，且造 價(jià)低廉，非常適于推廣。本產(chǎn)品也可應(yīng)用于其它需要對(duì)液體進(jìn)行制冷的場(chǎng)合。
水路的具休流程如下水箱中的水經(jīng)過(guò)水泵泵浦，從管路輸出到激光器，內(nèi)循環(huán)
冷卻水輸出壓力由壓力傳感器監(jiān)控，帶有激光器熱量的水流回到本文所述的設(shè)備， 進(jìn)入熱交換器，安裝有半導(dǎo)體制冷片冷端的熱交換器將循環(huán)水冷卻，最后進(jìn)入水箱 繼續(xù)循環(huán)。
電路的具體流程如下系統(tǒng)加電后由溫度傳感器將溫度信號(hào)傳輸至溫度控制器， 溫度控制器根據(jù)其內(nèi)所存儲(chǔ)的溫度控制算法輸出制冷控制信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過(guò)固態(tài)繼 電器驅(qū)動(dòng)，將電源變換器輸出的電壓加至半導(dǎo)體制冷片，對(duì)循環(huán)水進(jìn)行制冷。如果 選取帶有加熱/制冷雙溫控功能的溫度控制器，還可以對(duì)循環(huán)水進(jìn)行加熱，這多用于 氣候寒冷的特殊地區(qū)。電路同時(shí)還監(jiān)控整個(gè)冷卻裝置的故障信息，水路的壓力過(guò)大 或過(guò)小、散熱片溫度過(guò)熱、內(nèi)循環(huán)冷卻水溫度過(guò)熱或過(guò)冷，都由故障監(jiān)控電路將報(bào) 警信號(hào)傳輸至木裝置以外并同時(shí)以聲光報(bào)警，通知用戶(hù)進(jìn)行處理。
風(fēng)路的主要作用是將半導(dǎo)體制冷片熱端所產(chǎn)生的熱量帶走，其結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單， 由溫控開(kāi)關(guān)感知散熱器的溫度，若超過(guò)某一特定值(例如50攝氏度)，就將軸流風(fēng) 機(jī)打開(kāi)，對(duì)散熱器進(jìn)行風(fēng)冷。
權(quán)利要求1.一種激光器循環(huán)水的半導(dǎo)體制冷裝置，它包括設(shè)有循環(huán)水溫度傳感器(7)的水箱(6)及與水箱(6)相連的水泵(9)、散熱器(2)和溫度控制器(11)，其特征是它還包括一只循環(huán)水在其中流動(dòng)的熱交換器(8)，另外還包括緊密貼合在熱交換器(8)及散熱器(2)兩者之間的至少一個(gè)半導(dǎo)體制冷片(5)，熱交換器(8)貼合于半導(dǎo)體制冷片(5)的冷端的一面，散熱器(2)貼合于半導(dǎo)體制冷片(5)的熱端的一面。
2. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于上述熱交換器(8)是用銅或鋁導(dǎo)熱率高的材料制成的一個(gè)密閉的殼體，殼體是長(zhǎng)方形，內(nèi)部有熱交換鰭片(15)，熱交換鰭片(15)與殼體成為一體，殼體有用于循環(huán)水的流動(dòng)的進(jìn)水口(17)和出水口 (16)。
3. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于上述散熱器(2)上安裝有兩只溫度閾值參數(shù)不同的溫敏開(kāi)關(guān)(4)，溫度閾值低的溫敏開(kāi)關(guān)(4)連接有軸流風(fēng)機(jī)(3)，溫度閾值較高的溫敏開(kāi)關(guān)(4)，連接有溫度報(bào)警指示燈(24)。
4. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于上述水泵(9)連接有一只水泵壓力監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)(10)，該水泵壓力監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)(10)的高低壓報(bào)警觸點(diǎn)接有壓力報(bào)警指示燈(22)。
5. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于上述水箱底部安裝有一只循環(huán)水溫度傳感器(7)，循環(huán)水溫度傳感器(7)連接至溫度控制器(11)而控制半導(dǎo)體制冷片(5)電源的開(kāi)或關(guān)，溫度控制器(11)連接有溫度指示燈(23)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及一種激光器循環(huán)水的半導(dǎo)體制冷裝置，它包括設(shè)有溫度傳感器的水箱及與水箱相連的水泵，散熱器和溫度控制裝置，其特征是它還包括一只循環(huán)水在其中流動(dòng)的熱交換器，緊密貼合在熱交換器及散熱器兩者之間的半導(dǎo)體制冷器件，熱交換器貼合于半導(dǎo)體制冷器件的冷端的一面。上述的熱交換器是用銅或鋁導(dǎo)熱率高的材料制成的一個(gè)密閉的、內(nèi)部有熱交換鰭片的殼體，熱交換鰭片與殼體成為一體，殼體上有用于循環(huán)水的流動(dòng)的進(jìn)水口和出水口。本實(shí)用新型運(yùn)用半導(dǎo)體制冷元件，控溫準(zhǔn)確，效率較高，噪聲較低，壽命長(zhǎng)，耗電量低，體積小巧，且造價(jià)低廉，也可廣泛運(yùn)用于其它需要對(duì)液體進(jìn)行制冷的場(chǎng)合。
文檔編號(hào)H01S5/00GK201181806SQ20072015987
公開(kāi)日2009年1月14日 申請(qǐng)日期2007年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月31日
發(fā)明者劉金濤, 吳松華, 宋小全, 張凱臨, 郭金家 申請(qǐng)人:中國(guó)海洋大學(xué)