天津工业大学电子与信息工程学院 天津 300387
摘要：设计出适应激光器温控的热管散热系统，是推进半导体激光器在医疗、美容领域的应用的重要工作。采用笔记本电脑热管导热的设计方法，解决了医疗美容行业，激光器温控一直依赖传统水冷系统繁琐而复杂系统的问题；系统的温控需求由热管加散热翅片模组完成。建立了系统中各个功能单元的热力模型与配电参数的转换，推导出了一套根据激光器热功率与系统结构进行计算散热系统、 风冷系统参数的工程化程序。依据此方法设计的532-635nm的PDT光动力医学模组在激光器医疗应用中得到了充分验证，保持了累积6个月0故障的高可靠性运转记录。
关键词：热管技术，半导体激光器，精密激光电源，散热模组，系统设计
1 引言
基于半导体激光器技术新型激光器已经成为主流医疗激光器，现代激光在医疗方向的应用极其广泛，涵盖了美容、理疗、手术等几个主要方向。激光医疗为行业的光、机、电、医的跨行业、多学科交叉提供了丰富的研究课题。激光器的散热系统对于整个激光器医疗模组起到十分重要的作用，是确保整个医疗模组正常稳定运行的关键。但是，目前国内在激光器产品化方面相对薄弱，专门针对国内医疗现场环境的激光器系统更是缺乏成熟稳定的设计经验；因此，造就了国外的进口激光器价格居高不下，成套的激光器系统更是天价的现状。但是在巨大的市场容量面前，以及难得的市场切入机遇面前，很多医疗行业用户被迫选择了进口激光器或者全套激光器系统。无论国产激光器还是进口激光器都会面临一个温控系统配套问题，必须妥激光器防结露温控技术问题，使得系统满足国内复杂多变的医疗现场配置、适应专业基础参差不齐的操作者，只有让高精尖的系统“接地气”，才能真正发挥出半导体激光器的整体优势[4]，换而言之，温控系统做好了，才有可能让激光器发光发热、创造效益。
热管技术很好的解决了医疗模块系统中激光器温控问题。在众多的传热元件中，热管是人们所知的最有效的传热元件之一，它可将大量热量通过其很小的截面积远距离地传输而无需外加动力。典型的热管由管壳、吸液芯、端盖和工作液体组成，将管内抽成1.3×（10-1～10-4）Pa的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。热管的一端为蒸发段（加热段），另一端为冷凝段（冷却段），根据应用需要在两段中间可布置绝热段。工作过程：当热管的一端受热时毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环，热量由热管的一端传至另一端。
532-635nm的PDT光动力医学模组系统设计中涉及到激光器的温控设计，与外部温度采集，高温高湿环境下的不间断满负荷工作等等一系列复杂的工程实际问题[5]。
本文根据大量的实践经验，提出了热管导热的设计方法，建立了半导体激光器系统的热力分布模型，将激光器电光效率、温控参数、热管导热能效比等参数融入系统模型；建立了一套行之有效的工程化程序[6]。按照此方法设计的新一代532-635nm的PDT光动力医学模组系统已经在医疗现场累计投放多套，解决了备受医生等操作人员抱怨的水冷温控系统复杂不便于维护等问题，为更好的配合国内激光器设计与产品化积累了宝贵的研究数据，为推动半导体激光器的大规模应用提供了很高的工程价值。
2 激光器精密温控的模型
目前，现代半导体激光在医疗方向的应用极其广泛，涵盖了美容、理疗、手术等几个主要方向，也是目前电光转换效率最高的激光器之一[7]。其整个系统分成三大部分单元，如图1所示。分别为光源单元、热管单元和散热器单元。
根据表1测试结果，得出结论。
1).有热管X1-X2温差4.3℃
X1-X3温差0.5℃
无热管X1-X2温差6.3℃
X1-X3温差1.5℃
可以看出热管改变了热量的分布
2). 从温差中可看出，当去掉热管后X2，X3，X4温度低于夹热管的，相差2.5℃左右，可以看出热管起到了均热的作用。
参照本文思路设计的医疗模组已经实现规模化生产，从目前大量的使用记录统计分析，系统运转可靠稳定，很好地解决了高精密光机电系统在开放车间的批量装备与长时间连续运转问题。
4 结论
热管在激光器散热系统中测试导热效果显著。本文通过大量实践分析，研究出了一套针对激光精密温控系统的设计方法，有效地解决了医疗整机温控散热的技术问题。
参考文献
[1]李其连;激光表面熔覆高温耐磨涂层的研究[J];航空制造技术;1992年01期
[2]Meunier F. Theoretical performances of solid adsorbent cascading cycles using the zeolite –water and active carbon-methanol pairs: four case studies [J]. Heat Recovery & CHP system, 1986(6):491-498.
[3]Pons M, Poyelle F. Adsorptive machines with advantaged cycles for heat pumping or cooling applications [J]. International Journal of refrigeration, 1999(22):27-37.
[4]庄骏，张红. 热管技术及其工程应用 [M]. 北京：化学工业出版社，2000. (Zhuang Jun, Zhang Hong.Application of heat pipe technique in engineering [M].Beijing: Chemical industry press, 2000.)
论文作者:孙哲
论文发表刊物:《基层建设》2017年第17期
论文发表时间:2017/10/30
标签：激光器论文; 热管论文; 系统论文; 医疗论文; 模组论文; 半导体论文; 温差论文; 《基层建设》2017年第17期论文;