(57)【要約】本発明は負荷変化可能な熱源またはヒートシンクの高度に正確な制御方法に関し、また、動的熱源、詳細には固体レーザ用ポンプダイオードの温度を制御するデバイスに関する。この方法によれば、温度制御媒体への、または温度媒体からの熱流の平均基準温度が放散される熱量に関係なく一定に保たれることによって、熱負荷の種類および放散される熱量に関する情報なしに熱源の安定性を確保するように、順方向流の温度と戻り流の温度の計算された平均値が電力を制御する実際の値として予備設定される。デバイスに関する限り、順方向流温度測定デバイスに加えて、ポンプダイオード冷媒回路に配置された戻り流温度測定デバイスが提供され、両方の測定デバイスは、負荷の制御用の対応するスイッチングデバイスに伝達される冷却能力設定値を決定するための平均値計算を行うアナログまたはデジタル演算ユニットに接続される。
2009537998.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変負荷熱源またはヒートシンクの高精度の制御方法であって、
温度制御媒体への、または温度制御媒体からの熱流の平均基準温度が放散される熱量に関係なく一定に保たれることによって、熱負荷の種類および放散される熱量に関する情報なしに熱源の安定性を確保するように、順方向流の温度と戻り流の温度の計算された平均値が電力を制御する実際の値として予備設定されることを特徴とする方法。
【請求項２】
流れ測定によって、温度制御デバイスへの、または温度制御デバイスからの実際の熱流と順方向流の温度および戻り流の温度の測定値が計算され、これらから熱伝導抵抗を考慮して決定された負荷条件下で負荷の温度を一定に保つためのデフォルト値を表す平均基準温度の補正値を決定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
制御精度を高めるために、負荷依存性外乱変数が検出されて制御のデフォルト値を決定するために考慮されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
動的熱源、詳細には固体レーザ用ポンプダイオードの温度を制御し、ポンプダイオード冷媒回路と、この冷媒回路に熱交換機を介して結合された冷却回路とを備えるデバイスであって、ポンプダイオード冷媒回路内に順方向温度測定デバイスと、循環ポンプと、電力制御用のスイッチングデバイスとが設けられたデバイスにおいて、
戻り流温度測定デバイスが前記ポンプダイオード冷媒回路内に配置され、前記順方向流の温度測定デバイスおよび前記戻り流の温度測定デバイスが、電力制御用のスイッチングデバイスに伝達される冷却能力設定値を決定するための平均値計算を行うアナログまたはデジタル演算ユニットに接続されることを特徴とするデバイス。
【請求項５】
前記順方向流の温度測定デバイスおよび／または戻り流の温度測定デバイスが温度差センサとして構成されることを特徴とする請求項４に記載のデバイス。
【請求項６】
前記冷却回路中に、熱交換機が圧縮機の下流に配置され、この熱交換機が三方バルブを経由して冷媒回路の戻り流分岐に接続することができることを特徴とする請求項４または５に記載のデバイス。
【請求項７】
前記ポンプダイオードとポンプダイオード冷却ブロックの材料の間の熱伝導がデバイス特性に基づいて求められ、第１の補正係数Ｋ１として前記演算ユニット中に入力されることを特徴とする請求項４から６のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項８】
ダイオード特性の熱放射がそれぞれのポンプ性能を経由して求められ、この依存性が第２補正係数Ｋ２または補正関数ｆ（Ｋ２）として前記演算ユニット中に入力されることを特徴とする請求項４から７のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項９】
それぞれの電流の平均値とこれらから直接得られる電力の総計の関数として、前記演算ユニットが前記循環ポンプに制御信号を伝達することを特徴とする請求項４から８のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１０】
流量センサが前記冷媒容積流を検出するために前記冷媒回路に設けられることを特徴とする請求項４から９のいずれか１項に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、独立請求項の前提部による可変負荷熱源またはヒートシンクの高精度制御方法、および動的熱源、特に固体レーザ用ポンプダイオードの温度制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術によれば、順方向流の温度はもっぱら市場で入手可能な液体媒体による冷却または加熱デバイス中の制御デバイスによって一定に保たれる。戻りの温度および接続された負荷を通る流れは考慮されていない。熱負荷が変化するとき、システムの加熱または冷却性能は、長時間の後、すなわち、順方向流れの温度が変化する程度に貯蔵器内の冷媒が温められたときだけ、与えられた制御によって負荷状態に適合する。これは、熱源による熱導入または温度制御すべきヒートシンクの切り換えに対するシステムの反応を比較的遅くする。
【０００３】
さらに、最新技術の解決策において、実際の温度は負荷状態に依存し、実際のシステムにおいて、熱源またはヒートシンクは直接冷却媒体によって温度制御されず、熱源／ヒートシンクと温度制御された媒体の間に追加の熱伝導抵抗が存在する。このため、熱源またはヒートシンクの温度は、流れの温度が一定であるので、負荷に依存して変化する。
【０００４】
固体レーザ用のポンプダイオードの温度を制御するデバイスは、既知技術に属する。それらの既知のレーザ冷却システムにおいて、通常、順方向流の温度だけが制御され、または設定値として予備設定される。それによって、戻り温度は熱および熱流の入力量に依存する、すなわち、時間当たりに流れる冷媒に依存する。さらに、例えば冷媒回路の堆積による断面の変化への依存性が発生する。
【０００５】
半導体ダイオードによってポンピングされる固体レーザにおいて、ポンプダイオードの放射波長をレーザ結晶のポンプ帯域に正確に合せることは、全体的なレーザ効率を最適化する決定的な要因の１つである。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶の８０５ｎｍ〜８０９ｎｍのポンプ帯域はガリウムヒ素ダイオードの放射波長の範囲であり、レーザシステムの最高効率は８０８ｎｍのポンプ波長で達成される。
【０００６】
ポンプダイオードの放射波長は温度の関数として約０．２５ｎｍ／Ｋ変位するので、放射される温度の正確な制御はＮｄ：ＹＡＧレーザの高い出力を維持するために不可欠である。
【０００７】
温度への波長の依存性は、例えば、８１０ｎｍ／２５℃の工場仕様を有するレーザダイオードが、１７℃で８０８ｎｍの励起で実際にその最適波長範囲に達することを示す。したがって、最大効率のためには、必要に合わせて微調整し正確に制御した冷却によってポンプダイオードの正確な温度を予め明確に設定することが必要である。
【０００８】
望ましい正確なポンプダイオード温度設定に関するさらなる困難性は、使用されるレーザダイオードが製造工程による変動の結果、基本的にダイオード固有の異なる波長を有することである。いくつかのそれらのレーザダイオードがポンピングに用いられるならば、ポンピング光も低い効率でしか用いることのできないレーザ結晶励起用のスペクトル波長部分を含むであろう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、前述のことから、本発明の目的は、可変負荷熱源またはヒートシンクの高精度制御の改善された方法、および関連する温度制御デバイスを提供し、最適な加熱および冷却管理を全体として達成することができるように、対応する迅速な応答特性を備える高い制御制度を確保することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の目的は、請求項１の教示による方法および請求項４による特徴の組み合わせによるデバイスによって実現され、従属請求項は少なくとも適切な実施形態および改善を表す。
【００１１】
本発明による教示の第１の方法に関する実施において、制御のための実際の値として順方向流の温度と戻り流の温度の計算された平均値が用いられる。これによって、熱負荷の種類および放散すべき熱量に関する追加の情報がなくても熱源の安定化を向上させることができる。
【００１２】
熱流ＱＬの平均基準温度ＴＭ＝１／２・（ＴＶ＋ＴＲ）は放散される熱量にかかわらず一定値を保つという有利な点を生じる。したがって、実際の冷却デバイスへの熱流の増加は自動的に順方向流の温度の降下をもたらす。負荷の変化の間に、戻りの流れの温度は貯蔵器温度よりも急速に変化し、同様に、制御は望ましく迅速に応答する。提案された平均値制御において、熱源（例えばレーザダイオード）とヒートシンク（例えば冷却水）の間の熱伝導抵抗はまだ考慮されていない。これは、実際の用途において、熱源の温度が熱流の増加とともに線形に負荷の関数として増加することを意味する。熱源とヒートシンクの間の熱抵抗が既知であれば、熱流、すなわち冷却器中への冷却力が計測的に検出されるとき、これは本方法によって考慮することができる。
【００１３】
さらに方法に関する考え方において、平均値制御は温度制御デバイスを通る実際の熱流を考慮して用いられる。
【００１４】
流れ検出器を用いて、および順方向流れの温度ＴＶと戻り流れの温度ＴＲの測定値から、冷却デバイスの冷却力（熱流）ＱＫ＝（ＴＶ−ＴＲ）・Ｖｄｔ・ｋを求めることができる。ここで、Ｖｄｔは容積流を表す。
【００１５】
静止状態において、閉じたシステム中の全ての熱流の和はゼロで温度変化がないので、放射損失ＱＳを無視して、熱源による熱効率の出力は冷却デバイスの冷却効率に等しい、すなわちＱＫ＝ＱＬであると考えられる。したがって、熱流に比例する温度差は熱源と冷却回路の間の一定の熱コンダクタンス抵抗ＲＷＬになる。逆の結論として、平均基準温度ＴＭの補正値は熱コンダクタンス抵抗ＲＷＬを考慮して各熱流について計算することができ、この平均基準温度ＴＭは測定された負荷条件下で負荷温度ＴＱ，Ｓを一定に保つように設定しなければならない。実際に熱源とヒートシンクの間の熱抵抗を直接求めることが不可能であれば、線形の相関から、モデル計算に必要な熱伝導抵抗は、例えば４０％負荷と９０％負荷の２つの動作点でシステムを手動で最適化することによって実験的に求めることができる。
【００１６】
さらに本発明の方法に関する実施は、温度制御デバイスによる実際の熱流と外乱変数ＱＳを考慮した、平均値制御から構成される。
【００１７】
温度制御すべきレーザダイオードの場合、高い制御精度が要求され、モデルには電磁放射による熱流を考慮することが必要である。光学的放射による熱流は入力電力の４０％まで達することがある。この特性の考え方は演算ベースのモデルにも当てはめることができ、または、計測学的な追加の要因として光放射電力を検出する可能性もある。ここで、ダイオードの効率は経年変化と共に低下し、電気的入力電力と光出力電力の間の関係は変化するので、レーザダイオードの経年変化が自動的に補正され得る利点が生じる。相当する特性的な表現では、これは直線状の勾配の減少に等しい。
【００１８】
本方法に関連し、ならびにデバイスにおいて具現される本発明の基本的概念は、レーザビーム源の温度の正確な制御のために、戻り流温度ならびに冷却回路順方向流れの温度が検出され、これに基づいて平均値制御を構築し、場合によって実際の熱流および／またはモデルに基づく制御中のいくつかの外乱変数を考慮することであると要約できる。これは順方向と戻り流れの差に比例して上述の平均値を移動させる補正係数によって実現することができる。
【００１９】
実施した試験の結果、驚くことに、順方向流と戻り流中の絶対温度の検出は本質的に重要ではなく、勾配、すなわち、順方向流と戻り流の温度差が重要であることが判明した。ここで、レーザの動作中に勾配の存在が検出されるならば、制御技術的に非常に迅速に反応することが可能であるので、所定数のポンプダイオードが配置される既存の冷却ブロックの空間的広がりにわたる温度変化を従来技術に比べて低く維持することができる。それによって、特に高電力用途において、個々のポンプダイオードを最適励起に適した温度範囲に保つことが可能になる。したがって、冷却ブロック上に配置された固体レーザ用のポンプダイオードの温度を制御するデバイスは、ポンプダイオード冷却回路中の順方向流温度測定デバイス、さらに戻り流れ中に配置された温度測定デバイスを有する。一選択肢として、冷媒用の流れ中の測定デバイスを用いて実際の熱流を求めてもよい。
【００２０】
順方向流および戻り流れ測定デバイスは演算ユニットに接続され、これはアナログとすることもでき、冷媒回路中に存在する電力制御用の対応するスイッチングデバイスまたはバルブに伝達される冷却能力の設定値を決定するために既に述べた平均値計算を行う。
【００２１】
一実施形態において、順方向流および／または戻り流の温度測定デバイスは温度差センサとして構成することができる。
【００２２】
冷媒回路には、温度差および順方向または戻り流温度からの熱流を測定する流れセンサを設けることができる。ポンプダイオードとポンプダイオード冷却ブロック材料の間の熱移動は冷媒特性に基づいて求められ、この値は補正係数Ｋ１として演算ユニットに入力される。それぞれのポンピング性能に対するダイオード特性の熱放射も同様に求められる。次いで、この依存性は第２補正値Ｋ２または補正関数ｆ（Ｋ２）として演算ユニットに入力される。
【００２３】
それぞれの電流平均値およびこれらから直接得られる電力変換の関数として、演算ユニットは冷媒回路中の循環ポンプに制御信号を送信する。
【００２４】
場合によって、実際のレーザが求める本質的に異なる要求に対しても冷媒回路からほぼ一定の冷却力を要求するために、冷媒回路内の冷媒貯蔵器中に加熱デバイスを提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明による制御方法のモデル図を理解するための概要図である。
【図２】ポンプダイオード冷媒回路（水回路）および冷却回路を備える温度制御デバイスの概要図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、例示的実施形態および図を参照して、本発明をより詳細に説明する。
【００２７】
図１に示した図、すなわち放射損失を伴う流体制御システムのモデルは、図示した電磁放射を伴う熱源またはヒートシンクを示す。
【００２８】
この熱源は１つのレーザダイオードまたは１組のレーザダイオードを備えることができる。ＴＱ，Ｓは熱源またはヒートシンクの実際の温度を表す。ＱＳは電磁線照射または放射およびさらに乱流変数による熱流を示す。ＱＬは温度制御媒体への／温度制御媒体からの熱流を示し、ＱＫは冷却機の熱流を示す。対応する温度センサが順方向流および戻り流に存在する。
【００２９】
本モデルの概念に関する限り、次の物理的相関が適用される。
【００３０】
システム全体の全ての熱流の和は静止の場合ゼロ、すなわち、ＱＫ＋ＱＬ＋ＱＳ＝０である。
【００３１】
冷却回路の熱流は温度差ＴＶ−ＴＲと媒体の流量、ならびに媒体の熱容量ｋの積、すなわち、ＱＫ＝（ＴＶ−ＴＲ）・Ｖｄｔ・ｋで求められる。
【００３２】
ヒートシンクから、またはヒートシンクへの熱流ＱＬは、温度差ＴＱＳ−ＴＭおよび熱源／ヒートシンクと温度制御回路間の熱伝導抵抗ＲＷＬに比例し、すなわち、ＱＬ＝ＴＱＳ−（ＴＶ−ＴＲ）／２・ＲＷＬである。
【００３３】
外乱変数ＱＳはＱＬの熱流を増加または減少することができ、定数として無視することができ、特性によって記述することができ、または計測的に検出することができる。
【００３４】
これらの基本的な考察を考慮して、負荷の温度制御の精度に関してさまざまな工程を実現することができる。
【００３５】
最初に、順方向流および戻り流の温度についてセンサから得られる温度の演算平均値を安定化する制御の可能性がある。ここで、熱流ＱＬの平均基準温度ＴＭは負荷に関係なく一定の値に保たれるので、負荷の種類についての追加の情報なしに負荷温度の安定化が可能であるという利点が生じる。
【００３６】
流れセンサＤＳによって、および測定値ＴＶとＴＲを考慮して、温度制御デバイスへの、および温度制御デバイスからの追加の熱流を計算することができる。このようにして求められた熱流から、熱伝導抵抗ＲＷＬを考慮して、平均基準温度ＴＭについて補正値を計算することができ、これは測定された負荷条件下で負荷ＴＱ，Ｓの温度を一定に保つために設定される。モデルの計算に必要な熱伝導抵抗の測定は、例えば、関係するシステムの２つの動作点で手動最適化によって行うことができる。
【００３７】
負荷に対する依存性を外乱変数ＱＳに関して考慮するとき、制御精度の向上と一緒に方法のさらなる改善が可能である。光伝導ダイオードの場合、これは電気入力電力の関数としての特性放射電力とすることができ、これは計測的に容易に検出される。
【００３８】
図２は、ポンプダイオード冷媒回路およびこの冷媒回路に熱交換機を介して連結された冷却回路を備える動的熱源の温度を制御するデバイス、ここでは特に固体レーザ用のポンプダイオードの概要図を示す。図２には示されないレーザの戻り流１は、例えば熱電対の形の温度センサ２を備える。
【００３９】
第１水フィルタ３および第１流量計タービン４が直列に接続される。流量計タービン４の出力側に、例えばプレート式蒸発器５の形で実施される熱交換機が提供される。
【００４０】
このプレート式蒸発器５は冷媒貯蔵器６に連絡する。
【００４１】
さまざまな測定デバイスとは別に、冷媒貯蔵器６は貯蔵器内に配置された貯蔵器加熱システム７を備える。
【００４２】
貯蔵器の出力側に、循環ポンプ８（図１中Ｐで表わされる）が存在し、第２水フィルタ９へ導く。
【００４３】
バルブ１０および微細フィルタカートリッジ１１によって、水フィルタ９上の相当する接続にバイパスを接続することもできる。
【００４４】
一実施形態において、圧力センサ１２が順方向流分岐中の第２フィルタ９の下流に配置され、圧力センサ１２の下流に第２流量計タービン１３が接続される。
【００４５】
第２流量計タービン１３の出力側に、順方向流温度測定デバイス１４が配置され、やはり熱電対の形で実施されるのが好ましい。
【００４６】
順方向流１５および戻り流１は過剰圧力バルブ１６を経由して短絡回路とすることができ、これは一選択肢として提供される。
【００４７】
最新技術によってモデル化された冷却回路は、第１にプレート式蒸発器５から分かれる冷却機１７を備え、これは制御可能な膨張バルブ１８のために意図される。
【００４８】
圧縮機１９は、その出力側でさらに他のプレート式蒸発器２０に向かい、一方でその出力にバルブ２１が接続され、他方、凝縮機ブロック２２が接続される。
【００４９】
圧縮機１９の出力からの短絡回路接続は、バルブ２１によってプレート式蒸発器５の入力に確立することができる。凝縮機ブロック２２はその出力に乾燥デバイス２３を有し、その下流に圧力保護２４が接続される。
【００５０】
ヘッダ２５上に膨張バルブ１８への接続が提供され、その出力はプレート式蒸発器５に向かう。
【００５１】
凝縮機ブロック２２はその温度を検出する温度センサ２６を備える。
【００５２】
プレート式蒸発器２０は三方バルブ２７を経由して水回路の戻り流側と負荷依存的に連絡することができる。
【００５３】
例示的実施形態中で説明したデバイスによって、ポンピング放射源の正確な温度制御を達成し、既知のレーザ制御に発生するようなレーザパワーやレーザの種類に依存する外乱影響を除去することが可能である。
【００５４】
図２には示されていないポンプダイオードの冷却ブロックへの結合が制御応答に無視することのできない影響を与えるので、平均値の移動は、デバイス特性に基づくまたはプラント特性に基づく本発明による方法に関する前述の補正係数によって行われ、ここで、同様に、延長された動作中に起きる、例えば熱伝導材料または結合材料の経年変化に起因する変化を制御方式に考慮することができる。
【００５５】
再現性のために、最適化された冷却ブロックを実際の標準的な組み立て体として用いることができ、それぞれの組み立て体について、ヒートシンク（冷却器）と熱源（レーザダイオード）の間の結合品質は事前に知られ、補正係数による平均値移動を単純化する。
【符号の説明】
【００５６】
１  戻り流
２  温度センサ戻り流
３  第１水フィルタ
４  第１流量計タービン
５  プレート式蒸発器
６  冷媒貯蔵器
７  貯蔵器加熱システム
８  ポンプ
９  第２水フィルタ
１０  バルブ
１１  微細フィルタカートリッジ
１２  圧力センサ
１３  第２流量計タービン
１４  温度センサ（順方向）流
１５  順方向流
１６  過剰圧力バルブ
１７  膨張バルブ用センサ
１８  膨張バルブ
１９  圧縮機
２０  プレート式蒸発器
２１  バルブ
２２  凝縮機ブロック
２３  乾燥デバイス
２４  圧力保護
２５  ヘッダ
２６  温度センサ
２７  三方バルブ
Ｐ  ポンプ
ＤＳ  流量センサ
ＴＶ  順方向流温度
ＴＲ  戻り流温度
ＴＭ  平均値（ＴＶ＋ＴＲ）／２
Ｖｄｔ  容積流
ＱＫ  冷却機の熱流
ＴＱ，Ｓ  熱源またはヒートシンクの実際の温度
ＱＬ  温度制御媒体への／からの熱流
ＱＳ  放射またはさらなる外乱変数による熱流
【図１】
2009537998.tif 000003
【図２】
2009537998.tif 000004
【国際調査報告】
2009537998.tif 000005
2009537998.tif 000006
2009537998.tif 000007
2009537998.tif 000008
2009537998.tif 000009
2009537998.tif 000010