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冷卻液對(duì)CO2激光器功率的影響[水溫篇]

激光制造網(wǎng) 來源:SPT斯派特激光2022-06-10 我要評(píng)論(0 )   

據(jù)研究表明,CO2射頻激光器的光電轉(zhuǎn)換效率約為10%~20%,其余的能量將轉(zhuǎn)換為廢熱。如果CO2射頻激光器的放電區(qū)無法進(jìn)行有效的散熱,那么放電區(qū)內(nèi)的氣體溫度將會(huì)持續(xù)升高。...

據(jù)研究表明,CO2射頻激光器的光電轉(zhuǎn)換效率約為10%~20%,其余的能量將轉(zhuǎn)換為廢熱。

如果CO2射頻激光器的放電區(qū)無法進(jìn)行有效的散熱,那么放電區(qū)內(nèi)的氣體溫度將會(huì)持續(xù)升高。

這將導(dǎo)致放電區(qū)內(nèi)的分子熱運(yùn)動(dòng)隨著溫度的升高而加劇,引起上能級(jí)分子消耗,從而引發(fā)CO2分子譜線躍遷加寬,最終影響激光器輸出功率的穩(wěn)定性或者使其輸出功率下降。

因此,通過外部輔助手段對(duì)激光器進(jìn)行散熱顯得尤為重要。

目前,已有相關(guān)的數(shù)據(jù)顯示,CO2激光器的激光氣體溫度在400~500K之間時(shí),光電轉(zhuǎn)換效率較高。



在使用射頻激光器時(shí),通常會(huì)采用的散熱方式分為兩種,風(fēng)冷散熱和水冷散熱。


風(fēng)冷散熱常用于低功率激光器上,其功率一般不超過100W。水冷散熱則覆蓋了CO2激光器所能達(dá)到的整個(gè)功率范圍。

/ 風(fēng) 冷 散 熱  - 水 冷 散 熱 /

以上兩種散熱方式有一個(gè)共同點(diǎn),即均不直接對(duì)產(chǎn)生熱量的放電區(qū)進(jìn)行冷卻,而是通過傳導(dǎo)方式,將放電區(qū)產(chǎn)生的廢熱傳導(dǎo)到冷卻液或者散熱板上。



對(duì)于水冷散熱,我們通常采用純凈水、蒸餾水或者去離子水作為冷卻液(冬天也可用防凍液)來對(duì)激光器進(jìn)行散熱。


根據(jù)牛頓冷卻定律:

其中,Φ為散熱的熱量;A為散熱器的面積,η為傳熱系數(shù),Δt為溫差。


可以得出,在CO2激光器的結(jié)構(gòu)和材料確定后,影響散熱的主要因素就是溫差(這里的溫差是指冷卻液溫度激光器放電區(qū)溫度的溫差)


以純凈水為例子,假設(shè)冷卻液的溫度上升,那么它和放電區(qū)的溫差將會(huì)減小,散熱效果下降,最終影響激光功率。據(jù)部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,冷卻液(純凈水)溫度每升高約1℃,激光功率將降低約0.5%~1%。



因此,降低冷卻液的溫度,可以改善散熱,從而提升激光功率。


那么,冷卻液溫度可以無限降低嗎?答案顯然是否定的。對(duì)于部分CO2激光器而言,過低的冷卻溫度,則需要更長的熱機(jī)時(shí)間,降低了工作效率。


而最普遍的影響是,冷卻液的溫度過低,會(huì)導(dǎo)致激光器表面結(jié)露,影響激光器的使用,甚至縮短其使用壽命。



顯然,我們?yōu)榱耸笴O2激光器獲得穩(wěn)定的激光功率,就需要相對(duì)穩(wěn)定的CO2激光氣體溫度。歸根結(jié)底,也就是穩(wěn)定的散熱效果。


/ ZAMIA F8i 射頻激光器 功率曲線圖 /


從牛頓冷卻定律(Ф=Α*η*Δt)中可以看出,獲得穩(wěn)定散熱效果的關(guān)鍵因素,就是恒定的溫差(Δt)。所以,在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)的過程中,我們通常會(huì)采用恒溫冷水機(jī),它將有助于激光器獲得穩(wěn)定的輸出功率。


綜合激光器功率以及穩(wěn)定性這兩大因素來考慮,小特建議將CO2射頻激光器冷卻液的溫度設(shè)定為25±2℃。在炎熱的夏季,為了避免結(jié)露,也可以設(shè)置在28±2℃。


/ 冷 水 機(jī) 溫 度 設(shè) 定 /


而在冬季,在條件允許的情況下,我們盡量保持冷水機(jī)的持續(xù)運(yùn)作。同時(shí)為了節(jié)能,建議將低溫和常溫水溫度調(diào)整至5 ~ 10℃,保證冷卻液處于循環(huán)狀態(tài)且溫度不低于冰點(diǎn)。


必要時(shí)也可以使用專業(yè)品牌的防凍液(不能用乙醇代替,否則也可能會(huì)造成損壞)


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