一種激光器散熱與防護裝置研究*

陳明亮 趙志剛 宋東升 崔 鵬 尚 乾 宋 陽

（中國人民解放軍63895部隊 孟州 454750）

1 引言

激光器自問世以來，在科研、民用和軍用等眾多領域獲得了飛速的發展，極大地促進了行業的變革，被稱近代科技領域最偉大的發明之一［1～5］。其中，固態近紅外激光器技術最為成熟，應用也最為廣泛。

受生成機制的影響，固體激光器的效率通常不是很高，絕大部分的泵浦能量轉換為廢熱被浪費，并且這些廢熱還會對激光器的整體性能產生較大影響，必須進行必要的干預［6～8］。當前基于Nd：YAG晶體體制的激光器通常采用水冷、風冷、熱導管技術、半導體制冷或多種技術復合制冷的方式對泵浦產生的廢熱進行管理，最終使廢熱通過制冷液或空氣等完成對流交換，確保激光器在安全的溫度范圍內工作［9～12］。

激光器在夏季戶外工作時，易出現過溫保護停機現象，其主要原因是工作時激光器溫度過高。目前激光器主機內部都設置有散熱裝置［13］，但是在炎熱夏季等特殊環境下工作時，周圍環境溫度較高，太陽光直射會使得整個激光器殼體吸收大量熱能，進而激光器主機表面溫度高于內部溫度，且激光器長時間工作后自身也會產生大量熱能，通過激光器主機內部自帶的散熱裝置無法有效進行熱量的散發，此時，激光器閾值電流增加，輸出功率變大，溫度繼續升高。當激光器內部溫度達到60℃以上時，激光器出現熱飽和，啟動自我保護模式，激光器會停止工作，影響正常使用。因此，如何避免太陽光直射增溫，提高激光器內部散熱效率來降低激光器主機溫度，提升設備使用效能是目前急需解決的問題。

設計的激光器散熱防護裝置，通過加裝殼體、隔熱層和加強風冷散熱功率實現了激光器防護及散熱的功能，同時通過安裝溫度傳感器，能夠實時監控激光器本身的溫度，控制散熱工作的開始和結束。通過仿真模擬分析，該防護裝置可以有效降低高溫環境對激光器主體的影響，提高了激光器主體的散熱效率，確保了激光器在高溫環境下正常工作。此外，還具有雨雪、沙塵等防護功能。

2 散熱防護裝置結構設計

激光器散熱防護裝置包括殼體、排風扇、溫度傳感器等，裝置的殼體罩設在激光器主機的外面，激光器主機與殼體之間具有間隙，排風扇設置在殼體內，且排風扇的設置位置與間隙的位置相對應，殼體前后開口，溫度傳感器設置在殼體及激光器主機上，溫度傳感器和排風扇連接有控制終端。

2.1 殼體設計

殼體設計主要包含殼體罩、殼體前沿和殼體間隙。殼體罩設在光器主機的外部，激光器主機與殼體之間具有間隙，殼體為激光器主機提供防護，保護激光器免受外界帶來的物理碰撞和損壞；殼體前側的上邊沿有兩種設計方式，一種是平行向外伸出約30mm的外沿，一種是有向下傾斜的門簾。兩種設置一方面防止太陽光直射到激光器主機或激光器的發射與接收窗口上，起到阻擋太陽光的目的，避免太陽光熱量傳遞給激光器；另一方面防止形成氣體湍流影響激光光束質量，起到氣體導流的作用。激光器主機兩側與殼體內壁之間具有相同距離的第一個間隙，有利于排風扇快速排出激光器主機兩側的熱量，激光器主機頂部與殼體的內壁上表面之間有第二個間隙，且第二個間隙大于第一個間隙，有利于排風扇排出激光器主機頂部的熱量，同時，還能夠防止激光器主機與殼體產生熱傳導，降低殼體的溫度對激光器主機的影響，降低空氣對流和排風阻力。殼體設計見圖1。

圖1 殼體前視圖

2.2 溫控設計

溫控主要由排風扇、溫度傳感器和隔熱層等組成。排風扇設置在殼體內，共6個，每個電壓24V，設置位置與間隙的位置相對應，排風速度和排風量可達到最高，且不存在殼體內部氣體回旋和氣體對流；溫度傳感器設置在殼體及激光器主機頂部，3個溫度傳感器和排風扇連接在控制終端，第一個傳感器設置在激光器主機的上表面，檢測激光器主機的溫度，第二個傳感器設置在激光器主機的頂部與殼體內壁上表面之間，可檢測激光器主機與殼體內壁之間的溫度，第三個傳感器設置在殼體的頂部表面，檢測殼體的溫度。溫度傳感器可實時監測激光器溫度，在溫度到達預定閾值時控制終端控制排風扇的開啟，實現熱量的排出，完成降溫目的，同時，可實時檢測激光器外部溫度變化；殼體內壁設置有隔熱層（隔熱棉），隔熱層在殼體內部的上表面和兩側位置，可以減弱殼體被太陽光直射后，高溫傳遞到激光器主機上，起到隔熱作用。見圖2、圖3。

圖2 殼體分解圖

圖3 殼體后視圖

2.3 控制終端設計

控制終端可實時顯示激光器外部不同位置溫度值，當第一個傳感器或第二個傳感器的溫度達到50℃時，控制終端就會控制排風扇開啟，實現殼體內熱量的排出，當溫度降溫為30℃以下時，控制終端就會關閉排風扇，實現智能化管理排風扇，可節省能源，延長排風扇工作壽命。見圖4。

圖4 控制終端平面圖

3 模擬仿真

針對上一章節設計的結構，首先構建幾何模型，然后進行風場及溫度場仿真，并分析對比結果。

3.1 模型構建

根據殼體前沿有無斜體擋板，構建了2套模型進行仿真。仿真采用多面體網格進行劃分，考慮到模擬的精確性，對局部區域網格進行加密。采用在解決流體流動模擬領域具有一定優勢的相對成熟商業軟件包，即Fluent模擬程序。利用Gambit建立幾何模型及生成網格，離散格式采用有限體積法（FVM），后處理選取采用EnSight及Tecpolt等計算軟件。

殼體上表面設置為熱流密度邊界，將太陽輻射簡化為熱流密度，暫將熱流密度設為10W/m2，保溫層（隔熱棉）厚度設為10mm，箱體其他間隙邊界為等溫壁邊界，溫度設置為室外溫度35℃，入口處自然通風，采用壓力入口邊界條件，出口采用壓力出口邊界條件。選用的排風扇功率為38W，微型管道排風扇對應壓差動力暫設30Pa。設備功率150W，設備體積0.5×0.4×0.185m3，按體熱源設置，暫設熱源的功率密度10W/m3，按照目前設置的體熱源散熱功率，設備溫度大概可達到47℃，太陽照射表面溫度作為初始溫度暫設為35℃，模擬圖見圖5所示。

圖5 模擬范圍及邊界圖

3.2 仿真對比

3.2.1 殼體前沿為斜體擋板

根據模擬計算結果提出風場、風量場，討論殼體設計的合理性，排風層風場、設備層風場、殼體風量分布、殼體風扇層溫度場分布、殼體儀器層溫度場分布，分別見下圖所示。

1）風場及風量場

圖6、圖7分別顯示排風層和設備層風場分布，受前沿斜體擋板影響，在設備前端頂部出現風速較低區域，易形成溫度集中，類似于柱體繞流后產生風渦。從設備兩側看，初始風速均勻，但受空間狹窄造成局部風速增大，風速梯度的改變誘發風渦的產生，動能消耗，阻礙溫度擴散。圖8展示了風量分布，即風量大小和流動方向的可視化，排風扇可有效加速溫度擴散，但作用范圍有限。

圖6 排風層風場

圖7 設備層風場

圖8 殼體風量分布（Q=0.1）

2）溫度場

殼體風扇層溫度場分布見圖9，受前沿斜體擋板影響，后方產生低風速三角形回流區域，加之距離過長，設備功率有限，設備后端處排熱效果顯著，但前端效果較弱。另外，受風扇工作時對氣流干擾以及排風扇之間的干擾作用，箱體幾何邊界處，即箱體角落部位易出現溫度過高情況。

圖9 殼體風扇層溫度場分布

設備層溫度場分布見圖10，因設備與殼體之間出現風渦現象，特別是設備前端局部及箱體中下游，導致溫度一段高，一段低，沿流向分布極不均勻。

圖10 殼體儀器層溫度場分布

3.2.2 殼體前沿無擋板

與前一仿真結果對比，無擋板排風層及設備層風場模擬結果分別見圖11、圖12所示。可以看到，有擋板時的三角形回流得以消除，相對而言，風場分布更均勻。相應地，溫度場分布較為均勻，說明熱量擴散效果明顯，無擋板溫度場模擬結果見圖13和圖14所示。箱體風量分布見圖15。

圖11 排風層

圖12 設備層

圖13 排風層

圖14 設備層

圖15 箱體風量分布（Q=0.1）

3.3 仿真結果

本設計的仿真結果顯示激光器設備溫度在47℃左右，低于激光器工作溫度上限60℃，能夠保證激光器正常工作。殼體前沿設計為斜體擋板時，受擋板影響，在擋板后方形成大尺度三角形回流區，設備內風場分布不均勻，造成此區域溫度聚集，影響溫度擴散；殼體前沿無擋板時，三角形回流得以消除，相對而言，風場分布更均勻，溫度擴散效果明顯。基于上述分析，采用無遮擋殼體模式。

4 結語

本文針對激光器在高溫環境下使用時經常出現的過溫保護停機問題，分析了激光器外形結構和工作環境對激光器溫度的影響，找到了停機的原因。在此基礎上，設計了一種激光器散熱防護裝置，通過增加殼體降低陽光直射對激光器主機的加熱效應，加裝大功率風扇增大激光器的散熱效率。通過幾何建模和仿真模擬裝置內部的風場和溫度場，結果表明達到了主機防護和散熱要求。本裝置創新了激光器散熱方式，優化并提升了設備性能，具有較強的實用價值和推廣價值。