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Com o uso crescente de lasers de fibra em vários campos, sua confiabilidade tornou-se uma preocupação importante. Isso inclui a confiabilidade do desempenho da saída do laser, componentes eletrônicos, dispositivos ópticos e sistemas, todos intimamente relacionados às características térmicas do próprio laser.
A temperatura tem um impacto significativo no desempenho do laser, especialmente na potência e estabilidade de saída. O calor gerado por um laser de fibra vem principalmente da fonte da bomba e da cavidade de ganho.
A eficiência de conversão da fonte da bomba é de cerca de 50%, o que significa que o calor é gerado na forma de energia equivalente à potência óptica de saída. Se esse calor não for dissipado com rapidez suficiente, a temperatura do chip interno aumentará rapidamente, fazendo com que o comprimento de onda central do laser se desvie.
Na cavidade de ganho, apenas parte da luz da bomba é convertida em saída de laser e o restante é convertido em energia térmica. Esta energia térmica aumenta a temperatura do meio de ganho, fazendo com que o espectro de fluorescência se amplie e o tempo de vida da emissão espontânea diminua, reduzindo em última análise a eficiência de conversão de energia.
Portanto, o gerenciamento eficaz do calor é crucial para lasers de fibra. Atualmente, o resfriamento a ar e o resfriamento a água são as duas tecnologias de gerenciamento de calor mais comumente utilizadas.
O resfriamento a ar é adequado para lasers de pulso de baixa potência e de onda contínua, enquanto o resfriamento a água é o principal método de dissipação de calor usado em lasers de fibra de média e alta potência.
Duas formas principais de dissipação de calor
1. Resfriamento de água e dissipação de calor
Como o nome sugere, o resfriamento a água é um método que utiliza água para dissipar o calor por meio de um trocador de calor, como uma placa de resfriamento a água.
O princípio por trás do resfriamento a água é simples: a água fria de um resfriador flui através de uma tubulação de água e entra no trocador de calor, depois sai pela outra porta do trocador de calor e retorna ao resfriador através da tubulação de água. Esta circulação contínua ajuda a dissipar o calor do interior do laser.
O resfriamento de água e a dissipação de calor são de estrutura simples e fáceis de manter. Ao utilizar um chiller com maior capacidade de resfriamento, o desempenho de resfriamento do laser pode ser melhorado devido à forte capacidade de dissipação de calor e boa uniformidade de temperatura.
Atualmente, no mercado, mais de 500 fabricantes integram e vendem máquinas de solda a laser portáteis que geralmente utilizam refrigeração a água.
No entanto, além do próprio laser, uma máquina de solda a laser portátil com resfriamento a água e dissipação de calor requer um refrigerador de água e água separados, o que aumenta significativamente o volume e peso geral do equipamento e limita seu ambiente de uso.
2. Resfriamento de ar e dissipação de calor
Num sentido amplo, o resfriamento do ar refere-se ao uso de ventiladores para melhorar a convecção do ar e facilitar a troca de calor dentro da máquina.
Graças aos avanços tecnológicos, os principais fabricantes de laser aventuraram-se agora no domínio do resfriamento de ar e dissipação de calor.
Em junho passado, a gigante global do laser de fibra, Empresa I, lançou o produto de soldagem a laser portátil LightWELD 1500W refrigerado a ar.
Em agosto, o primeiro soldador a laser inteligente A1500W refrigerado a ar foi lançado na China.
Laser de fibra refrigerado a ar: reci, IPG, GW
Esses três lasers são projetados principalmente para o segmento de mercado de soldagem a laser portátil.
Os lasers refrigerados a ar proporcionam maior flexibilidade e portabilidade em ambientes de trabalho.
Todos os três lasers usam dissipação de calor refrigerada a ar, eliminando a necessidade de equipamento adicional de refrigeração a água. Isto reduz os custos do equipamento e diminui significativamente o volume e o peso do equipamento.
Apesar de compartilhar a classificação “resfriado a ar”, cada laser utiliza um esquema de dissipação de calor diferente. Isso inclui dissipação de calor do ventilador, dissipação de calor do radiador do tubo de calor e dissipação de calor da refrigeração do compressor.
(1) Resfriamento por ventilador
Nos lasers, substratos com boa condutividade térmica, como cobre, nitreto de alumínio, etc., são utilizados para exportar o calor gerado na fonte da bomba e na cavidade de ganho, e depois dissipá-lo por convecção. Este método é conhecido como dissipação de calor convectiva.
A transferência de calor por convecção é classificada em dois tipos com base nas diferentes forças motrizes do fluxo de fluido – convecção natural e dissipação de calor por convecção forçada.
Quando o fluido flui espontaneamente e conduz a transferência de calor apenas pela diferença de temperatura do fluido, isso é chamado de convecção natural e ocorre sem qualquer força externa.
Por outro lado, a convecção forçada ocorre quando existe uma força motriz externa que faz o fluido fluir rapidamente por ventiladores, bombas ou outros componentes, para remover o calor.
Como a convecção natural tem uma taxa de dissipação de calor lenta e um efeito fraco, ela não pode atender totalmente aos requisitos de dissipação de calor do laser.
Portanto, é essencial adicionar ventiladores a todo o sistema de refrigeração para acelerar o fluxo de ar e converter a convecção natural em convecção forçada.
Princípio de resfriamento do ventilador
(2) Radiador de tubo de calor
A dissipação de calor em um radiador de tubo de calor é obtida através da transferência de calor por meio da mudança de fase de seu líquido de trabalho interno. O líquido tem baixo ponto de ebulição e é altamente volátil.
Uma extremidade do tubo de calor é a extremidade de evaporação, que está conectada ao dissipador de calor dentro do laser, enquanto a outra extremidade é a extremidade de condensação, conectada a um dissipador de calor externo e a um ventilador. A parede do tubo está equipada com um núcleo de absorção de líquidos feito de materiais porosos capilares.
Quando o laser gera calor, a extremidade da evaporação é aquecida, fazendo com que o líquido de trabalho evapore rapidamente. O vapor resultante flui para a extremidade de condensação sob uma diferença de pressão e libera calor, que é então descarregado através do ventilador.
Ao mesmo tempo, o vapor recondensa-se em líquido, que flui de volta para a seção de evaporação através do núcleo de sucção. (Em um tubo de calor por gravidade, não há núcleo de sucção e o líquido adere à parede do tubo e flui de volta para a seção de evaporação inferior devido à gravidade).
Este ciclo continua, permitindo a transferência de calor de dentro para fora do laser.
Princípio de dissipação de calor do radiador de tubo de calor
O sistema de soldagem a laser portátil lightWELD 1500 da empresa IPG incorpora um radiador de tubo de calor para dissipação de calor.
O design e a fabricação do lightWELD são caracterizados por seu tamanho compacto e leveza, levando a uma nova geração de máquinas de solda a laser portáteis.
Além da soldagem, também oferece uma função dupla de soldagem e limpeza a laser portátil.
A máquina de solda a laser portátil lightWELD emprega um mecanismo refrigerado a ar, eliminando a necessidade de equipamento adicional de água de resfriamento e o consumo de energia associado.
Elimina a necessidade de tubos, componentes, controles e ligações de manutenção do chiller, reduzindo custos, melhorando a portabilidade e melhorando a confiabilidade geral do sistema.
Sistema portátil de soldagem a laser LightWELD 1500
(3) Refrigeração e dissipação de calor do compressor
Princípio de refrigeração e dissipação de calor do compressor: o compressor comprime o refrigerante para transformá-lo em gás de alta temperatura e alta pressão e fluir para o condensador externo.
O gás de alta temperatura e alta pressão condensa em líquido de baixa temperatura e alta pressão. O calor gerado pela liquefação é descarregado da máquina com o auxílio de um ventilador.
O refrigerante líquido de baixa temperatura e alta pressão muda para um estado de baixa temperatura e baixa pressão após a despressurização através da válvula de expansão e então flui para o evaporador interno.
O evaporador absorve calor para reduzir a temperatura interna do laser, conseguindo o efeito de resfriamento. Posteriormente, o refrigerante vaporiza em um gás com alta temperatura e baixa pressão.
O gás refrigerante evaporado pelo evaporador é comprimido novamente pelo compressor e circula para frente e para trás para dissipar o calor dentro da máquina.
Princípio de refrigeração e dissipação de calor do compressor
A máquina de solda portátil refrigerada a ar inteligente A1500w usa o esquema de refrigeração do compressor e dissipação de calor.
Soldador portátil inteligente refrigerado a ar de 1500 W
Comparação de métodos de dissipação de calor
A estrutura do resfriamento do ventilador é relativamente simples, pois difunde o calor do dissipador de calor para o ar ambiente usando a diferença de temperatura entre o dissipador de calor e o ar circundante por meio de convecção forçada pelo ventilador.
No entanto, no verão, quando a temperatura ambiente é elevada, a diferença de temperatura entre o dissipador de calor e o ar diminui, resultando numa redução da capacidade de dissipação de calor. Isto limita a sua capacidade de dissipar calor e torna-o sensível a factores ambientais, dificultando o controlo da temperatura.
Apesar de suas limitações, o resfriamento por ventilador tem a vantagem de ser simples no equipamento geral e no sistema de controle.
Por outro lado, um radiador de tubo de calor tem uma estrutura mais complexa com vários tubos de calor. Baseia-se na evaporação e condensação do material de trabalho para transferir rapidamente o calor do dissipador de calor para o ar ambiente através do ventilador, tornando-o mais eficiente do que o simples resfriamento do ventilador.
A dissipação de calor passiva é incapaz de controlar com precisão a temperatura e é muito afetada pela temperatura ambiente, e também faz parte dela.
Por outro lado, o esquema de refrigeração e dissipação de calor do compressor se enquadra na dissipação de calor ativa. A existência do compressor e da válvula de expansão permite um controle preciso da temperatura, regulando o fluxo e a pressão do refrigerante.
Além disso, a temperatura do refrigerante no condensador é superior à do dissipador de calor, permitindo uma rápida transferência de calor para o ar. Como resultado, seu sistema de controle deve ser mais complexo.
No entanto, devido ao seu design significativamente mais complicado do que os dois esquemas anteriores, o tamanho e o peso do equipamento também aumentam correspondentemente.
Os lasers de fibra tradicionais normalmente usam resfriamento a água para dissipar o calor. A água é primeiro resfriada por um mecanismo de compressão e depois usada para resfriar o laser.
Em contraste, a dissipação de calor refrigerada a ar utiliza diretamente o mecanismo de compressão para resfriar o laser, eliminando a necessidade de água e reduzindo o link intermediário de transferência de calor. Isso resulta em maior eficiência de dissipação de calor e menor volume e peso.
Em nosso laboratório, usamos uma câmara de teste de temperatura e umidade constante para simular um ambiente de serviço de alta temperatura no verão, ajustando a temperatura para 35 ℃.
Testamos a mudança de temperatura de ganho interno da fibra em um laser operando em potência máxima (1500W) usando diferentes esquemas de resfriamento de ar ao longo do tempo. Os dados experimentais mostraram que a temperatura da fibra óptica aumentou exponencialmente nos primeiros minutos e estabilizou após cerca de 10 minutos.
Devido à função de refrigeração do compressor, o laser pode ser resfriado ativamente e a temperatura pode ser controlada abaixo de 60 ℃ com mudanças de temperatura relativamente estáveis.
Por outro lado, os outros dois esquemas baseiam-se na dissipação passiva de calor, resultando em temperaturas internas ligeiramente mais elevadas do que o esquema de refrigeração do compressor. O tubo de calor tem maior eficiência de transferência de calor e pode exportar calor de dentro do laser com eficiência, resultando em uma temperatura interna mais baixa do que o ventilador puro e em um aumento de temperatura mais suave.
Variação de temperatura com o tempo quando o laser com diferentes esquemas de resfriamento de ar produz laser de 1,5KW
(os dados de laboratório podem divergir do uso real em campo)
