一种激光器的分区协同温控系统及方法与流程

本技术涉及激光热控制，具体涉及一种激光器的分区协同温控系统及方法。

背景技术：

1、现有激光切割温控系统多采用单一散热方式对整机进行统一温控，难以匹配光路、电路和激光输出部件不同的发热特性与控温精度需求。光路部件对温度波动敏感，热效应易导致光束质量劣化与波长漂移；电路控制部件温升过高则加速器件老化，增加故障风险；激光输出部件温度波动直接影响输出功率稳定性，进而造成切割精度下降、切面粗糙等问题。

2、针对上述问题，已有技术提出了分区独立温控的解决方案，如对泵浦源区、光路区、电气区分别设置独立的散热结构，并通过统一主控单元进行集中调控。然而，现有分区温控方案中，各区域温控执行器类型单一，对不同热特性区域的匹配性不足；各区域仍处于独立运行状态，缺乏有效的热耦合协同机制，当某一区域出现瞬态大热负荷时，依赖单一执行器难以快速响应，容易导致局部温度失控。

3、此外，由于不同温控执行器的响应特性存在显著差异（如机械式流量调节阀响应速度远低于半导体制冷模组的电学响应），现有方案在动态工况下易出现调控指令与实际动作不同步的问题，影响温控精度与响应速度，难以满足高功率激光切割对温控系统快速性与稳定性的双重需求。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供一种激光器的分区协同温控系统及方法，通过分区差异化温控与分级响应联动，实现了激光器多热源部件的高效协同热管理，有效提升了瞬态大热负荷工况下的温控响应速度与系统稳定性。

2、第一方面，本发明技术方案提供一种激光器的分区协同温控系统，包括:

3、冷媒循环回路，设置于所述激光器的光路部件处，用于对该光路部件进行冷却；所述冷媒循环回路上设置有第一温度传感器；

4、风冷回路，设置于所述激光器的电路控制部件处，用于对该电路控制部件进行散热；所述风冷回路上设置有第二温度传感器；

5、半导体制冷回路，设置于所述激光器的激光输出部件处，用于对该激光输出部件进行双向恒温调控；所述半导体制冷回路上设置有第三温度传感器；激光输出部件处还设置有与温度控制部件连接的电热模组；

6、温度控制部件，分别与所述冷媒循环回路、风冷回路和半导体制冷回路连接，用于对各回路进行差异化独立温度控制；

7、所述第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器的温度信号统一接入温度控制部件的主控单元；所述主控单元内置有温度偏差分级响应逻辑，用于控制所述激光输出部件的温度：

8、当第三温度传感器的实测温度与设定目标温度的偏差大于第一预设阈值时，判定为瞬态大热负荷，在启动半导体制冷模组的同时，增大所述光路部件的冷媒循环流量，通过板式换热器对激光输出部件的冷却水路进行预冷，以分担半导体制冷模组的热负荷，防止半导体制冷模组热端饱和；

9、当所述偏差小于第一预设阈值但大于第二预设阈值时，仅启动所述半导体制冷模组；

10、当所述偏差小于所述第二预设阈值且大于零时，关闭所述半导体制冷模组并维持当前冷媒循环流量；

11、当所述偏差小于零时，启动所述电热模组进行加热补偿。

12、作为本发明技术方案的优选，所述主控单元还内置有基于响应延迟差异的补偿逻辑：

13、当触发所述第一预设阈值时，所述主控单元将冷媒流量调节指令的下发时刻提前第一延迟时间，以补偿冷媒循环回路因机械动作产生的响应延迟；

14、当触发所述第二预设阈值时，将半导体制冷模组启动指令的下发时刻提前第二延迟时间，所述第二延迟时间小于所述第一延迟时间。

15、在主控单元中内置基于响应延迟差异的补偿逻辑，针对不同执行器响应特性的差异，分别设置不同的指令提前下发时间，使各执行器的实际动作时刻与温度偏差达到预设值的时刻同步；解决了传统温控系统中因执行器响应延迟不同导致的调控指令与实际动作不同步的问题，进一步提高了分级响应控制的时效性和温度调节的精准度。

16、作为本发明技术方案的优选，所述光路部件的冷媒循环回路包括压缩机、冷凝器、电子膨胀阀和气液分离器；所述温度控制部件根据所述第一温度传感器的实时温度调节所述电子膨胀阀的开度，以调节进入所述光路部件的冷媒流量和蒸发温度；所述气液分离器布置于所述压缩机吸气口之前，用于将蒸发后的气态冷媒与未完全蒸发的液态冷媒分离。

17、通过在光路部件的冷媒循环回路中设置压缩机、冷凝器、电子膨胀阀和气液分离器，并通过温度控制部件根据第一温度传感器的实时温度调节电子膨胀阀开度，实现了对光路部件冷媒流量和蒸发温度的精确调节，有效抑制了光学元件热效应，保障了光束传输稳定性；气液分离器布置于压缩机吸气口之前，有效防止液态冷媒进入压缩机造成液击损坏，提高了系统运行可靠性。

18、作为本发明技术方案的优选，所述冷凝器的出口管路分为两条并联支路：

19、第一支路经所述电子膨胀阀节流后连接所述光路部件内置的冷媒换热管；

20、第二支路经另一电子膨胀阀节流后连接板式换热器的冷媒侧，所述板式换热器的水侧连接所述激光输出部件的冷却水路。

21、将冷凝器出口管路分为两条并联支路，第一支路经电子膨胀阀节流后连接光路部件内置的冷媒换热管，第二支路经另一电子膨胀阀节流后连接板式换热器的冷媒侧，板式换热器的水侧连接激光输出部件的冷却水路；该双支路并联结构实现了单一冷源同时服务于光路部件直冷和激光输出部件水冷，两条支路通过各自的电子膨胀阀独立调节冷媒流量，互不干扰；使瞬态大热负荷工况下的冷热联动得以实现。

22、作为本发明技术方案的优选，所述电路控制部件的风冷回路内部设置有定向风道，所述定向风道的出风口朝向电气发热器件集中区域，进风口处设置有变频风扇；所述温度控制部件根据所述第二温度传感器的实时温度调节所述变频风扇的转速。

23、通过在电路控制部件的风冷回路内部设置定向风道，使出风口朝向电气发热器件集中区域，并通过温度控制部件根据第二温度传感器的实时温度调节进风口处变频风扇的转速，实现了对电路控制部件的精准风冷散热，避免了电气器件因高温导致的老化加速和故障率升高。

24、作为本发明技术方案的优选，所述变频风扇设置于所述系统机架顶部，所述变频风扇的出风气流同时服务于所述风冷回路和冷凝器的散热；所述系统集成于带移动轮的机架内，冷凝器与变频风扇设置于所述机架顶部。

25、将系统集成于带移动轮的机架内，并将冷凝器与变频风扇设置于机架顶部，便于设备移位布置与热量快速散发；变频风扇的出风气流同时服务于风冷回路和冷凝器散热，实现了单风扇的双重散热功能，减少了系统部件数量，降低了整机能耗与制造成本。

26、作为本发明技术方案的优选，所述第三温度传感器为负温度系数热敏电阻，所述温度控制部件通过电桥电路采集所述负温度系数热敏电阻的阻值变化，以获取所述激光输出部件的实时温度。

27、采用负温度系数热敏电阻作为第三温度传感器，通过电桥电路采集其阻值变化以获取激光输出部件的实时温度，该测温方式具有响应速度快、灵敏度高的优点。

28、第二方面，本发明技术方案还提供一种激光器的分区协同温控方法，应用于第一方面所述的激光器的分区协同温控系统，包括以下步骤：

29、实时采集光路部件、电路控制部件和激光输出部件的分区温度数据；

30、计算所述激光输出部件的实测温度与设定目标温度的偏差值；

31、当所述偏差值大于第一预设阈值时，判定为瞬态大热负荷，同时启动所述激光输出部件的半导体制冷模组进行制冷，并增大所述光路部件的冷媒循环流量，并通过板式换热器对所述激光输出部件的冷却水路进行预冷，以分担半导体制冷模组的热负荷，防止半导体制冷模组热端饱和；

32、当所述偏差值小于第一预设阈值但大于第二预设阈值时，仅启动所述半导体制冷模组进行制冷；

33、当所述偏差值小于所述第二预设阈值且大于零时，关闭所述半导体制冷模组并维持当前冷媒循环流量；

34、当所述偏差值小于或等于零时，启动所述激光输出部件的电热模组进行加热补偿；

35、根据所述电路控制部件的实时温度，调节所述风冷回路的散热强度。

36、通过实时采集各部件分区温度数据并计算激光输出部件温度偏差，根据偏差所处的不同阈值区间执行分级响应调控，并在瞬态大热负荷工况下实现tec制冷与冷媒预冷的协同联动，能够系统性地提升激光器在多热源、变工况条件下的热管理效率与温控精度。

37、作为本发明技术方案的优选，在下发调控指令时，还执行基于分级响应的非对称延迟补偿逻辑：

38、当触发所述第一预设阈值时，由于冷媒循环流量调节的机械延迟大于半导体制冷模组的电学响应延迟，将冷媒流量调节指令的下发时刻提前第一延迟时间；

39、当触发所述第二预设阈值时，仅下发半导体制冷指令，并将下发时刻提前第二延迟时间，所述第二延迟时间小于第一延迟时间。

40、在延迟补偿方法中，针对第一预设阈值触发时冷媒流量调节指令设置较长的提前下发时间，针对第二预设阈值触发时半导体制冷指令设置较短的提前下发时间，实现了基于执行器类型差异的非对称延迟补偿，确保不同执行器在分级响应的不同阶段均能实现精准定时动作。

41、作为本发明技术方案的优选，根据所述电路控制部件的实时温度调节所述风冷回路的散热强度时：

42、当所述电路控制部件的实测温度升高时，增大变频风扇的转速以增强风冷散热；当所述电路控制部件的实测温度降低时，降低变频风扇的转速以降低能耗。

43、在根据电路控制部件实时温度调节风冷回路散热强度时，当实测温度升高时增大变频风扇转速以增强散热，当实测温度降低时降低变频风扇转速以降低能耗，实现了风冷散热的按需供给，避免了风扇长期高速运行带来的噪声和能耗问题。

44、从以上技术方案可以看出，本技术具有以下优点：通过设置光路部件、电路控制部件和激光输出部件各自独立的温控回路及温度传感器，实现了对激光器不同热特性部件的分区差异化独立温控，克服了传统单一散热方式难以匹配各部件不同控温精度需求的缺陷。

45、主控单元中内置温度偏差分级响应逻辑，当激光输出部件实测温度与设定目标温度的偏差大于第一预设阈值时，判定为瞬态大热负荷，在启动半导体制冷模组的同时，增大光路部件的冷媒循环流量，通过板式换热器对激光输出部件的冷却水路进行预冷，从而在tec电学制冷与冷媒循环机械制冷之间形成协同联动；有效提升了瞬态大热负荷工况下的温控响应速度与系统稳定性。