انواع روش های خنک سازی و سورس هوا خنک

 

با افزایش کاربرد لیزرهای فایبر ، پایداری این نوع لیزرها بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته است. از جمله آن ها می توان به پایداری در خروجی لیزر ، قطعات الکترونیکی ، دستگاه ها و سیستم های اپتیکی پایدار و … اشاره کرد که بسیاری از این موارد ارتباط نزدیکی با خواص حرارتی لیزر دارند. علاوه براین ، دما تاثیر زیادی در عملکرد لیزر ، خصوصا توان و پایداری خروجی لیزر دارد.

گرمای لیزر فایبر عمدتاً از منبع تغذیه و بهره حاصل می شود. راندمان تبدیل (الکتریکی-اپتیکی) منبع تغذیه حدود 50 درصد است که در واقع انرژی توان نوری خروجی به صورت گرما خارج می شود. اگر گرما را نتوانیم در لحظه دفع کنیم، دمای تراشه داخلی به سرعت افزایش می‌ یابد و با افزایش دما، طول موج مرکزی لیزر تغییر می‌ کند.

برای محفظه تقویت ، پس از ورود نور منبع تغذیه به فیبر تقویت کننده فعال، تنها بخشی از آن به خروجی لیزر تبدیل می شود و بقیه انرژی آن به گرما تبدیل می شود. انرژی حرارتی ، دمای محیط تقویت را افزایش می‌دهد و در نتیجه طیف فلورسانس را گسترش می‌دهد و طول عمر گسیل خود به خودی کوتاه می شود و در نتیجه راندمان تبدیل انرژی کاهش پیدا می کند.

بنابراین مدیریت حرارت برای لیزرهای فایبر اهمیتی غیر قابل اغماض دارد. در حال حاضر، مدیریت و کنترل حرارت ایجاد شده و خنک سازی با فناوری هوا خنک و آب خنک انجام می شود. از این دو روش کنترل حرارت ، روش هوا خنک عمدتاً در لیزرهای پالسی کم توان و لیزرهای پیوسته کم توان استفاده می شود. اکثر لیزرهای فایبر با توانی  متوسط ​​و پرتوان از خنک سازی با آب استفاده می کنند.

 

2 روش خنک سازی اصلی

1.خنک سازی با آب

همانطور که از نام آن پیداست، در این روش از آب برای از بین بردن گرما از طریق یک مبدل حرارتی (مانند صفحه خنک کننده آب) استفاده می کنند. قاعده کلی کار آن نیز بسیار ساده است، یعنی آب سرد موجود در چیلر از طریق لوله آب وارد مبدل حرارتی می شود و سپس از درگاه دیگر مبدل حرارتی خارج می شود و سپس از طریق لوله آب به سمت چیلر جریان پیدا می کند و گرما از داخل لیزر خارج می شود.

روش آب خنک ساختار ساده ای دارد و نگهداری آن آسان است. ظرفیت آن برای خنک سازی قوی است و یکنواختی دما در آن خوب است. عملکرد خنک سازی لیزر را می توان با استفاده از یک چیلر با ظرفیت خنک سازی بیشتر بهبود بخشید. در حال حاضربیش از 500 سازنده و فروشنده دستگاه های جوش لیزری دستی در بازار، عموماً از خنک سازی با آب استفاده می کنند. با این حال، علاوه بر خود لیزر، دستگاه جوش لیزری دستی آب خنک نیز به چیلرها و آب اضافی نیاز دارد که منجر به افزایش قابل توجه حجم و وزن نهایی تجهیزات می شود و محیط های استفاده از این امکانات به دلیل این محدودیت ها محدود می شود.

 

2.خنک سازی با هوا

در یک مفهوم گسترده، روش خنک سازی با هوا به استفاده از تعدادی فن برای افزایش همرفت هوا و تبادل کامل حرارت و گرما در داخل دستگاه اشاره دارد. با پیشرفت تکنولوژی، تولیدکنندگان بزرگ لیزر شروع به پا گذاشتن در زمینه هوا خنک کرده اند. در ژوئن سال گذشته، یک شرکت قدرتمند و جهانی لیزر فایبر ، محصول جوش لیزری دستی LightWELD 1500W هوا خنک را راه اندازی کرد. در ماه اوت، GW دستگاه جوش لیزری هوشمند A1500W هوا خنک را در چین راه اندازی کرد.همچنین  در ماه اکتبر، شرکت Reci دستگاه جوش لیزری هوا خنک FCA1500 را منتشر کرد.

 

 

این سه لیزر عمدتاً در بخش جوش لیزری دستی تقسیم بندی می شوند. لیزرهای هوا خنک می توانند کار را انعطاف پذیرتر و قابل حمل تر کنند. هر سه لیزر از فناوری خنک سازی هوا خنک بدون تجهیزات اضافی خنک سازی با آب استفاده می کنند که هزینه ها را کاهش می دهد. در عین حال، اندازه و وزن تجهیزات بسیار کاهش می یابد. اگرچه هر سه لیزر هوا خنک نامیده می شوند، اما روش هوا خنک مورد استفاده متفاوت است، از جمله خنک سازی با فن، خنک سازی با رادیاتور لوله حرارتی و خنک سازی با کمپرسور.

 

خنک سازی با فن

گرمای تولید شده در داخل منبع تغدیه و محیط تقویت (فیبرها) با استفاده از یک بستر با رسانایی حرارتی خوب (مانند مس، نیترید آلومینیوم و …) پراکنده می‌شود و سپس گرما با روش همرفت دفع می‌شود. این روش خنک سازی همرفتی نامیده می شود.

با توجه به نیروی محرکه جریان سیال، انتقال حرارت همرفتی را می توان به دو بخش خنک سازی همرفتی طبیعی و خنک سازی همرفتی اجباری تقسیم کرد.

در غیاب نیروی خارجی، تنها اختلاف دمای سیال می تواند سیال را به طور خود به خودی برای انتقال حرارت به جریان بیندازد که ما آن را همرفت طبیعی می نامیم.

هنگامی که یک نیروی محرکه خارجی وجود دارد، یعنی سیال توسط فن ها و سایر اجزا به حرکت در می آید ، جریان گرما را از بین می برد که آن را همرفت اجباری می نامیم. به دلیل فرایند خنک سازی بسیار آهسته و اثر ضعیف همرفتی طبیعی، این روش نمی تواند به طور کامل نیازهای خنک سازی لیزرها را برآورده کند. بنابراین لازم است یک فن به کل سیستم خنک کننده اضافه شود تا جریان هوا تسریع شود و همرفت طبیعی به همرفت اجباری تبدیل شود.

 

خنک سازی با رادیاتور لوله حرارتی

خنک سازی رادیاتور لوله حرارتی به این شکل است که لوله حرارتی برای انتقال حرارت ، به تغییر فاز مایع داخل خود متکی است. این مایع نقطه جوش پایینی دارد و به راحتی تبخیر می شود. یک سر لوله حرارتی برای تبخیر است که به هیت سینک داخل لیزر متصل است. سر دیگر برای میعان است که به هیت سینک خارجی و فن متصل است. دیواره لوله دارای یک فیتیله جاذب مایع است که از مواد متخلخل مویرگی تشکیل شده است.

هنگامی که لیزر گرم می شود، سر تبخیر گرم می شود، مایع به سرعت تبخیر می شود، بخار تحت اختلاف فشار به سر میعان جریان می یابد و گرما آزاد می شود که از طریق فن تخلیه می شود. در همان زمان، بخار دوباره به مایع تبدیل می شود و مایع از طریق فیتیله به قسمت تبخیر باز می گردد. (اگر لوله حرارتی گرانشی باشد، فیتیله ای وجود ندارد و مایع به دیواره لوله می چسبد و با نیروی گرانش به قسمت تبخیر پایین برمی گردد). این چرخه متوقف نمی شود و گرما از داخل لیزر به بیرون منتقل می شود.

 

 

سیستم جوش لیزری دستی LightWELD 1500 IPG از محلول خنک کننده رادیاتور لوله حرارتی استفاده می کند. طراحی و ساخت LightWELD با اندازه کوچک منجر به نسل جدیدی از تغییرات در دستگاه جوش لیزری دستی فعلی شده است. علاوه بر جوشکاری، جوشکاری لیزری و تمیز کنندگی دستی را هم پشتیبانی می کند. دستگاه جوش لیزری دستی LightWELD از روش خنک کنندگی با هوا استفاده می کند که نیازی به تجهیزات چیلر اضافی و مصرف برق ندارد و حذف لوله کشی چیلر، اجزاء، لینک های کنترل و تعمیر و نگهداری، کاهش هزینه ها و در عین حال افزایش قابلیت حمل و بهبود اطمینان کلی سیستم از مزیت های آن می باشد.

 

 سیستم جوش لیزری LightWELD 1500 دستی

خنک سازی با کمپرسور

کمپرسور خنک کننده را فشرده می کند، آن را به گاز با دمای بالا و فشار بالا تبدیل می کند و به سمت کندانسور خارجی جریان پیدا می کند. گاز با دمای بالا و فشار بالا به یک مایع با دمای پایین و فشار بالا متراکم می شود و گرمای تولید شده در این مرحله با فن از دستگاه خارج می شود. خنک کننده مایع با دمای پایین و فشار بالا از طریق شیر انبساط کم فشار می شود و به حالت دمای پایین، فشار پایین و تبخیر آسان تبدیل می شود و به سمت اپراتور داخلی جریان می یابد.

اپراتور گرما را جذب می کند تا دمای داخلی لیزر را کاهش دهد تا به اثر خنک کنندگی برسد و سپس خنک کننده به گاز با دمای بالا و فشار پایین تبخیر می شود. گاز خنک کننده تبخیر شده توسط اپراتور مجدداً توسط کمپرسور فشرده می شود و به عقب و جلو گردش می کند که باعث خنک سازی داخل دستگاه می شود.

 

 

 

دستگاه جوش دستی هوشمند هوا خنک A1500W که توسط GW Laser راه اندازی شده است از روش خنک سازی کمپرسور برای دفع گرما استفاده می کند. لیزر GW بر اکتشاف و نوآوری مداوم فناوری 976 نانومتری تمرکز دارد.

همراه با راندمان تبدیل فوتوالکتریک بالای 976 نانومتر، به طور خلاقانه ای مشکل ظرفیت خنک سازی هوا خنک را حل کرد و اولین فناوری 976 نانومتری هوا خنک را در صنعت راه اندازی کرد که مشکلات مصرف برق و حمل و نقل را حل کرد و بار دیگر مسیر توسعه فناوری لیزر فایبر را رهبری کرد. این مدل سه عملکرد جوش، برش و تمیز کردن را در یک دستگاه محقق کرده است.

 

جوشکاری دستی هوشمند GW Laser A1500W با هوا خنک

 

 

مقایسه چند روش خنک سازی

ساختار خنک سازی فن نسبتاً ساده است. به سادگی گرمای هیت سینک را داخل آن پخش می کند و سپس از اختلاف دمای بین هیت سینک و هوای محیط برای دفع گرما از طریق همرفت اجباری با استفاده از فن استفاده می کند. هنگامی که دمای محیط در تابستان بسیار بالا باشد، اختلاف دمای بین هیت سینک و هوا بسیار کم است و ظرفیت دفع گرما بسیار کاهش می یابد. فقط می تواند به طور منفعلانه گرما را دفع کند و به شدت تحت تأثیر محیط قرار می گیرد و نمی تواند دما را به طور دقیق کنترل کند. مزیت این روش این است که تجهیزات کلی و سیستم کنترل ساده است.

در مقایسه با روش ساده خنک سازی با فن، رادیاتور لوله حرارتی ساختار نسبتاً پیچیده ای دارد. برای انتقال سریع گرما داخل هیت سینک  و سپس پخش گرما از طریق فن در هوا متکی به تبخیر و متراکم شدن مواد است. همچنین دفع حرارت منفعلانه دارد که نمی تواند دما را به طور دقیق کنترل کند و به شدت توسط دمای اطراف مختل می شود.

روش خنک سازی کمپرسور روش خنک سازی فعال است. با توجه به وجود کمپرسور و شیر انبساط می توان با تنظیم دبی و فشار خنک کننده ، دما را به طور دقیق کنترل کرد. در عین حال، دمای خنک کننده ای که در کندانسور است، بالاتر از دمای سینک حرارتی است که منجر به انتقال گرما به هوا می شود. این سیستم کنترل پیچیده تر است و از آنجایی که ساختار آن بسیار پیچیده تر از دو طرح فوق است، حجم و وزن تجهیزات نیز بر همین اساس افزایش می یابد.

بیشتر لیزرهای فایبر قدیمی از خنک سازی با آب برای خنک سازی استفاده می کنند. ابتدا آب با کمپرسور سرد می شود و سپس لیزر توسط آب خنک می شود. روش خنک سازی هوا خنک لیزر Guanghui به طور مستقیم از خنک کننده کمپرسور برای خنک کردن لیزر استفاده می کند، استفاده از آب را کنار می گذارد و سیستم انتقال حرارت مرکزی را حذف می کند بنابراین راندمان خنک سازی بالاتر است و می توان حجم و وزن خنک کننده را هم کوچک تر کرد.

در آزمایشگاه، برای شبیه سازی محیط های کاربری با دمای بالا در تابستان از یک جعبه تست دما و رطوبت ثابت برای تنظیم 35 درجه سانتی گراد استفاده می شود و تغییر دمای فیبر بهره داخلی لیزر را با روش های مختلف هوا خنک تحت شرایط  توان کامل 1500 وات آزمایش می کنند. از داده های تجربی، به وضوح می توان دریافت که دمای فایبر در چند دقیقه اول به طور تصاعدی افزایش می یابد و در حدود 10 دقیقه تثبیت می شود. با توجه به اثر خنک سازی کمپرسور، لیزر را می توان به طور فعال خنک کرد، بنابراین دما را می توان زیر 60 درجه سانتی گراد کنترل کرد و تغییر دما نسبتاً پایدار است.

در حالی که دو مورد دیگر فقط می توانند به خنک سازی غیرفعال تکیه کنند، بنابراین دمای داخلی آن ها کمی بالاتر از روش خنک کننده کمپرسور است. به دلیل راندمان بالای انتقال حرارت لوله حرارتی، گرما را می توان به خوبی از داخل لیزر خارج کرد، بنابراین دمای داخلی آن کمتر از یک فن است و افزایش دما ملایم تر است.

 

تغییر دما با زمان خروجی لیزر 1.5 کیلووات با روش های هوا خنک مختلف

 

 

در حوزه لیزرهای فایبر ، لیزرهای GW ، همیشه لیزر قدرتمند جهانی IPG را مورد هدف قرار داده اند. این مزیت منحصر به فرد برند  Guanghui است که محصولاتی با کیفیت نظامی ایجاد می کند. سال ها پیش، لیزر Gw شروع به سازماندهی نیروهای تحقیقاتی علمی برای انجام اکتشاف مداوم در خنک سازی با هوا کرد. در آینده، به بهبود این حوزه ، بهبود مستمر پایداری محصولات، تحقق ارتقای مکرر محصولات و فناوری‌ها و رفع نیازهای صنایع بیشتر پرداخته خواهد شد.

 

این مقاله در بخش تحقیق و پژوهش شرکت اپتیک پرداز گردآوری شده است و استفاده از آن با ذکرمنبع بلامانع است.

جهت مطالعه مقالات بیشتر و خرید محصولات مرتبط به سایت اپتیک پرداز مراجعه کنید.