热电冷却器帮助保持加工精度、功率和性能

高功率工业激光器在加工厚金属时可产生超过10kW的输出，不仅在目标表面而且在激光器内部的敏感光学器件中产生大量的热量。在加工过程中，需要保持光学器件的温度以实现激光器的最佳性能。如果光学材料的温度发生显着变化，则会导致加工效率低下，从而导致溅射或焊接不良。

虽然基于压缩机的制冷系统长期以来一直用于冷却激光加工系统，但基于热电的冷却器可以通过提供节能和免维护操作降低用户的总成本，从而为低功率激光器及其光学组件提供卓越的点冷却。

应用概述

激光系统越来越多地取代制造中使用的CNC设备，用于切割、焊接、钻孔和蚀刻等工艺。它们为工业制造商降低成本的同时也提高了加工质量。尽管激光加工系统比CNC设备昂贵，但激光系统能够提升切割或焊接效率，缩短加工时间，制造复杂零件。激光增材制造系统还可以制造数控机床无法制造的复杂零件。

用户对工业激光器的选择，往往基于光束直径和想要在加工材料中实现的切割深度。每个市场应用都需要特定的激光功率范围，具体如下表所示。输出大于10W的工业激光器通常需要某种主动冷却以保持系统性能的稳定性。超过500W的较大系统就需要基于外部压缩机的冷却器，而排放小于500W的较小系统通常依赖基于热电的冷却器或热电冷却器。

内部光学组件也需要温度控制以确保最佳的激光性能。根据光学元件的材料，它们需要保持在20-35℃的温度范围内，温度稳定性为±0.5℃。这适用于气体和固体激光器的内部光学器件。光纤激光器中的激光二极管内部因为安装了热电冷却器，即使环境温度发生波动也能保持温度稳定。

未来的应用将为激光设计和制造带来新的挑战，例如包括量子技术中的新兴应用、人体器官的3D打印、定制的单件加工和超大规模加工操作。以上应用通常需要定制的光控制技术，这些技术能够定制激光输出以优化任务所需的能量沉积。对于大批量生产，将需要多光束处理。在所有这些新兴应用中，还需要具有优化冷却能力的新型循环冷却器，以充分控制热量并优化激光器的性能。

当激光束的能量通过光学透镜时，余热会增加透镜的温度并扭曲光束的波长。热电冷却器用于管理这种热量，防止影响激光器的性能。冷却器的冷却能力需要超过透镜吸收的能量和由热短路引起的寄生热损失。然后，冷却器将热量传递到热交换器并在那里消散。这种传递可以通过直接传导路径发生，对于更高的热负荷则可以通过冷板换热器进行。

安装挑战

热电冷却器可以安装在镜头的侧面或固定镜头的安装夹具上。为了最大限度地远离镜头的热传导，在组装过程中应在模块的任一侧应用热界面材料。标准的热界面材料（例如油脂）会释气并污染镜头，这使得具有低释气性的热环氧树脂和相变材料更受欢迎。

另一种安装方法指定了热电冷却器，其金属化表面附有低温焊料如铟锡，其在低于热电冷却器焊料结构的温度下熔化。焊接此类组件时面临的挑战是尽量减少助焊剂残留，因为这也会释放气体并污染镜头。

对于尺寸体积小于100mm×100mm的激光器，热电冷却器通常直接安装在外部以提供温度稳定性。用于激光冷却的热电冷却器通常每平方面积具有很高的热泵密度，以匹配激光器产生的热量。这种设备可以提供高达13W/cm2的热通量密度。在这些级别运行的热电冷却器通常会超过散热器和风扇将热量散发到周围环境中的能力。在这种情况下，环境液体冷却系统和冷板通常是更好的选择，因为紧凑的配置可以最大限度减少空间限制，同时将热量散发到周围环境。

阵列中的一个或多个热电冷却器可用于抽出相对较高的热负荷。当使用多个阵列时，重要的是要搭接冷却器模块的表面，为的是它们的厚度需要在严格的公差范围内。这确保了冷却器和交换器之间的最小气隙。

保护激光电子设备免受冷却过程引起的冷凝也很重要。热电冷却器的冷端可以达到10℃或更低，以保持20℃的设定点温度。在大多数工业环境中，这种冷端温度几乎肯定低于露点温度，这会导致空气中的水分凝结。用环氧树脂或硅树脂密封热电冷却器的周边不足以防止这种情况发生。因此，建议添加第二个绝缘屏障来保护热电冷却器腔。所有低于露点的表面都需要某种绝缘材料以防止水分凝结。

热电冷却器还可以作为某些激光系统中的除湿器组件。对于高功率应用，大型再循环冷却器用于吸收激光器及为激光器供电的电源产生的热量。但是，在相对湿度较高的环境中，湿气可能会凝结在冷水机的冷板表面上，从而导致电源现场故障。为了最大限度地减少这种风险，可以使用热电冷却器组件来降低激光器内部的相对湿度。冷端散热器将冷凝空气中的水分，并将其从激光器内部的电源和其他光电子器件排出。

热电冷却器非常适合工业激光应用中的点冷却，与标准半导体材料相比，热电冷却器使用先进的材料实现更高的热泵能力。目前来自Laird Thermal Systems等公司的热电冷却器还包含更有效的隔热屏障，与传统的热电冷却器设计相比，可以将温差推高4K。

冷却器解决方案

热电冷却器能够冷却远低于环境温度的表面并主动去除敏感电子设备的热量，提供高达300 W的热泵能力。这很容易满足低功率激光器的要求。这些冷却器的外形尺寸范围为25-55mm2，以更好地服务空间受限的激光器设计。

由于没有移动部件，固态热电冷却器可以显着降低运行噪音、维护和总拥有成本，同时提供高可靠性。激光加工系统的进步使消费电子产品、车辆电气化和更高效的绿色能源成为可能。

推进这些应用所需的复杂制造工艺依赖于复杂的热管理解决方案，以支持激光器及其光学器件的散热和温度稳定。热电冷却器为激光光学元件和电源提供的点冷却，使这些光源能够提供更强大、低功耗和免维护的操作。

来源：荣格-《国际工业激光商情》


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