水冷散熱顧名思義就是利用水,通過熱交換器（如：水冷板）帶走熱量。其工作原理也很簡單，就是將冷水機(jī)里的冷水通過水管流進(jìn)熱交換器，然后再從熱交換器的另外一個口出來，再經(jīng)過水管流回冷水機(jī)，通過這樣的不斷循環(huán)，從而把熱量從激光器內(nèi)部帶走。

水冷散熱的方式結(jié)構(gòu)簡單且易于維護(hù)；散熱能力強(qiáng)且溫度均勻性好，可以通過使用更大制冷量的冷水機(jī)來提升激光器的冷卻性能。目前市面上集成并銷售手持激光焊接機(jī)的廠商大約有五百多家，普遍都采用水冷的方式。但是，水冷散熱的手持激光焊接機(jī)除了激光器本身外，還需要額外的冷水機(jī)和水，這就造成了設(shè)備整體的體積和重量大幅增加,使用環(huán)境受限。

2.風(fēng)冷散熱

廣義上,風(fēng)冷散熱是指利用風(fēng)扇加強(qiáng)空氣對流,完成機(jī)器內(nèi)部的熱交換。隨著技術(shù)的提升，各大激光器的廠商紛紛開始涉足風(fēng)冷散熱的領(lǐng)域。去年6月，全球光纖激光器巨頭I公司推出風(fēng)冷式的LightWELD 1500W手持激光焊接產(chǎn)品；8月，GW國內(nèi)首推風(fēng)冷式的A1500W智能激光焊機(jī)；10月，r公司也發(fā)布了FCA1500風(fēng)冷激光器。

▲ 風(fēng)扇散熱原理

(2) 熱管散熱器散熱

熱管散熱器散熱是指熱管依靠自身內(nèi)部的工作液體相變來實現(xiàn)傳熱，這種液體沸點(diǎn)低，容易揮發(fā)。熱管一端為蒸發(fā)端，連接激光器內(nèi)部的熱沉；另外一端為冷凝端，連接外部的散熱片與風(fēng)扇。管壁有吸液芯，由毛細(xì)多孔材料構(gòu)成。當(dāng)激光器發(fā)熱時，蒸發(fā)端受熱，工作液體迅速蒸發(fā)，蒸汽在壓力差下流向冷凝端，并且釋放出熱量，通過風(fēng)扇排出；同時，蒸汽重新凝結(jié)成液體，液體通過吸液芯再流回蒸發(fā)段（若是重力熱管，則沒有吸液芯，液體附著在管壁上依靠重力流回底部蒸發(fā)段）。如此循環(huán)不止，便實現(xiàn)了熱量從激光器內(nèi)部轉(zhuǎn)移到外部。

▲ 熱管散熱器散熱原理

I公司的LightWELD 1500手持激光焊接系統(tǒng)采用的便是熱管散熱器散熱方案。LightWELD的設(shè)計制造以體積小、重量輕為特色，引領(lǐng)了當(dāng)前手持式激光焊接機(jī)的新一代變革，除了可以焊接外，還實現(xiàn)了手持激光焊接、清洗二合一的功能。LightWELD手持激光焊機(jī)采用風(fēng)冷的方式，無額外冷水設(shè)備所需的耗電，除去了冷水機(jī)組管道、組件、控制和維護(hù)環(huán)節(jié)，降低成本的同時更增加了便攜性，提升系統(tǒng)整體可靠性。

▲ LightWELD 1500 手持激光焊接系統(tǒng)(圖片源自網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系我方刪除)

(3) 壓縮機(jī)制冷散熱

壓縮機(jī)制冷散熱原理：壓縮機(jī)壓縮冷媒，使冷媒變成高溫高壓的氣體，并流向外部冷凝器。高溫高壓氣體冷凝成低溫高壓的液體，液化產(chǎn)生的熱量隨風(fēng)扇排出機(jī)器外。低溫高壓的液體冷媒通過膨脹閥降壓后變成低溫低壓易蒸發(fā)的狀態(tài)，并流向內(nèi)部蒸發(fā)器。蒸發(fā)器吸收熱量，使激光器內(nèi)部溫度降低，達(dá)到降溫的效果，然后冷媒汽化成高溫低壓的氣體。經(jīng)蒸發(fā)器蒸發(fā)后的氣體冷媒再次被壓縮機(jī)壓縮，往復(fù)循環(huán)，便實現(xiàn)了機(jī)器內(nèi)部的散熱。

▲ 壓縮機(jī)制冷散熱原理

光惠激光推出的A1500W智能風(fēng)冷式手持焊機(jī)使用的便是壓縮機(jī)制冷散熱的方案。光惠激光專注于976nm技術(shù)的不斷探索與創(chuàng)新，結(jié)合976nm的高光電轉(zhuǎn)化效率創(chuàng)造性的解決了風(fēng)冷制冷量的問題，在行業(yè)內(nèi)首次推出基于風(fēng)冷的976nm技術(shù)，解決了功耗與便攜性問題，再一次引領(lǐng)光纖激光器的技術(shù)發(fā)展方向。此款機(jī)型目前已實現(xiàn)焊接、切割、清洗功能三合一。

▲ 光惠激光 A1500W 智能風(fēng)冷手持焊機(jī)

風(fēng)扇散熱的結(jié)構(gòu)相對比較簡單，只是單純地將熱沉中的熱量擴(kuò)散到散熱片上、再利用散熱片與環(huán)境空氣的溫差通過風(fēng)扇的強(qiáng)制對流進(jìn)行散熱。當(dāng)夏天環(huán)境溫度過高時，散熱片與空氣的溫差過小，散熱能力將大大降低。它只能被動散熱，受環(huán)境影響大，不能準(zhǔn)確地控制溫度。其優(yōu)點(diǎn)是整體的設(shè)備與控制系統(tǒng)簡單。

熱管散熱器散熱方式相比單純的風(fēng)扇散熱方式多了熱管的存在，因此其結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜。它是靠工作物質(zhì)的蒸發(fā)與冷凝來實現(xiàn)將熱量從熱沉快速的傳遞到散熱片再通過風(fēng)扇將熱量散失在空氣中。也屬于被動式散熱，不能準(zhǔn)確地控制溫度，受周圍溫度干擾較大。

壓縮機(jī)制冷散熱方案屬于主動散熱，由于存在壓縮機(jī)和膨脹閥，因此可以通過調(diào)整冷媒的流量和壓力大小來實現(xiàn)溫度的精確控制，同時冷凝器中冷媒的溫度高于熱沉，有利于熱量快速的傳遞給空氣。它的控制系統(tǒng)要更加復(fù)雜；同時，由于其結(jié)構(gòu)要比上述兩種方案復(fù)雜很多，設(shè)備的體積和重量也相應(yīng)有所增大。

傳統(tǒng)的光纖激光器大多采用水冷散熱的方式，先通過壓縮機(jī)制冷將水冷卻，再通過水來冷卻激光器。光惠激光的風(fēng)冷散熱方案直接用壓縮機(jī)制冷來冷卻激光器，摒棄了水的存在，少了中間的傳熱環(huán)節(jié)，因此散熱效率更高、體積和重量可以做得更小。

在實驗室中，我們采用恒溫恒濕的試驗箱設(shè)定35℃來模擬夏季的高溫使用環(huán)境，在開滿1500W功率的情況下，測試采用不同風(fēng)冷方案的激光器內(nèi)部增益光纖溫度隨時間的變化。從實驗數(shù)據(jù)，可以明顯看出：光纖溫度在開始的幾分鐘內(nèi)呈現(xiàn)指數(shù)增長，在10分鐘左右趨于穩(wěn)定。由于壓縮機(jī)的制冷作用，可以對激光器進(jìn)行主動降溫，故溫度可以控制在60℃以下，溫度變化相對平穩(wěn)；而另外兩種只能依靠被動散熱，故內(nèi)部溫度要略高于壓縮機(jī)制冷方案；其中，由于熱管的傳熱效率高，能很好地將熱量從激光器內(nèi)部導(dǎo)出，因此它內(nèi)部的溫度要比純風(fēng)扇的低一點(diǎn)，溫度上升也更趨于平緩。

▲ 不同風(fēng)冷方案激光器輸出1.5kW激光時溫度隨時間的變化（實驗室數(shù)據(jù)，與實際現(xiàn)場使用可能存在偏差）

在光纖激光器的領(lǐng)域，光惠激光一直以全球激光巨頭IPG為目標(biāo)，用軍工品質(zhì)來打造產(chǎn)品是光惠獨(dú)有的品牌優(yōu)勢。多年前光惠激光就開始就組織科研力量在風(fēng)冷散熱方面進(jìn)行不斷探索，未來我們還將在這方面持續(xù)提升，不斷提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性，實現(xiàn)產(chǎn)品和技術(shù)的迭代升級，滿足更多行業(yè)的加工需求。

作者：光惠激光應(yīng)用工程師 顧佳星