CN100517889C

CN100517889C - 散热装置及激光二极管设备

Info

Publication number: CN100517889C
Application number: CNB2005101020234A
Authority: CN
Inventors: 陈杰良
Original assignee: Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd; Hon Hai Precision Industry Co Ltd
Current assignee: Changchun Changguang Precision Instrument Group Co ltd
Priority date: 2005-12-02
Filing date: 2005-12-02
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2025-12-02
Also published as: CN1979981A

Abstract

本发明涉及一种应用于激光二极管的散热装置，其包括一基底、一设置于基底表面的热界面材料层及穿设于基底上的若干热管，该热管包括一管壳、设置于由管壳所形成的腔体内的工作流体及管壳内表面的吸液芯。该吸液芯的内表面设置有亲水涂层，该亲水涂层包括纳米材料，如纳米TiO₂、ZnO、Al₂O₃等。亲水涂层的纳米材料具有很好的吸水性和热交换效果，可以加快工作流体的循环速度和热交换速度，从而使散热装置可以满足激光二极管较高的热稳定性的要求。本发明还涉及一种采用上述散热装置的激光二极管设备。

Description

散热装置及激光二极管设备

【技术领域】

本发明是关于一种散热装置，尤其是关于一种应用于激光二极管的散热装置及应用该散热装置的激光二极管设备。

【背景技术】

自第一台红宝石激光器问世以来，固体激光器就一直占据了激光器发展的主导地位，特别是在20世纪80年代出现的激光二极管(Laser Diode)以及在此基础上出现的二极管激光器更因为体积小、重量轻、效率高、性能稳定、可靠性好及寿命长等优点，逐渐成为光电行业中最具发展前途的领域，其主要应用于材料加工、科学研究、医疗、检测、分析、通讯、投影显示以及军事国防等领域，具有极其重要的应用价值。大功率二极管激光器工作时产生大量热且需要较稳定的温度，因此散热问题成为大功率二极管激光器设计与制造中一个根本问题。

请参阅图1，是现有技术二极管激光器所采用的散热装置：热电致冷器10，其包括一上基板11、一下基板12、若干导电条13、一P型半导体14、一N型半导体15及一电源16。上基板11与下基板12相对设置，P型半导体14和N型半导体15设置于该上基板11与下基板12之间，导电条13分别设置于上基板11的下表面及下基板12的上表面，上基板11的导电条13将P型半导体14和N型半导体15上端电连接，下基板12上的导电条13分别将P型半导体14和N型半导体15的下端与电源16的负极和正极相连，P型半导体14与N型半导体15的下端彼此绝缘，这样P型半导体14、N型半导体15及电源16就形成一串联电路，P型半导体14与N型半导体15形成一电偶对17。其工作原理如下：二极管激光器(图未示)置于上基板11的上表面，将工作时产生的热量18传递向上基板11；电源16开启后，在上基板11，电流由N型半导体15流向P型半导体15，电偶对17就会吸收热量18；在下基板12，电流由P型半导体15流向N型半导体15，将热量18放出，以此达到散热的目的。

但是，该热电致冷器10冷却效率偏低，这对于热稳定性要求较高的二极管激光器非常不利；若要获得较大的吸热效果，必需使用大容量电源，而这样会使散热装置本身产生热量增大，不利于散热，同时也损耗大量电能。

【发明内容】

有鉴于此，有必要提供一种应用于激光二极管的散热效率好、热稳定性高的散热装置及一激光二极管设备。

一种应用于激光二极管的散热装置，包括一基底，一设置于基底表面的热界面材料层及穿设于基底上的若干热管，该热管包括一管壳、设置于由管壳所形成的腔体内的工作流体及管壳内表面的吸液芯，该吸液芯的内表面设置有亲水涂层，该亲水涂层包括纳米材料。

一种激光二极管设备，其包括一激光二极管及所述的散热装置，该激光二极管设置于该散热装置的热界面材料层表面。

相较于现有技术，所述的散热装置中亲水涂层的纳米材料具有很好的亲水特性与热交换效果，可以加快气液循环和热量交换，增加整个散热装置的散热性能和热稳定性，从而使该散热装置应用于激光二极管散热时可以使激光二极管具有较好的工作性能。

【附图说明】

图1是现有技术散热装置的示意图；

图2是本发明实施例激光二极管设备的示意图；

图3是本发明实施例激光二极管设备中热管的径向剖面的示意图；

图4是图3中IV部分的放大示意图。

【具体实施方式】

下面将结合附图，对本发明作进一步的详细说明。

请参阅图2，为本发明激光二极管设备的实施例。

该激光二极管设备4包括散热装置20及设置于该散热装置20表面的激光二极管工作元件30。

该激光二极管的散热装置20包括基底21、热界面材料层22、若干热管23、多个散热鳍片24及一散热风扇25。

基底21包括两相对的表面211、212及多个与表面211、212相邻的侧面，如侧面213，其采用导热性能佳的材料组成。

纳米热界面材料层22设置于基底21的其中一表面211上，该纳米热界面材料层22包括设置于表面211的热界面材料层221及设置于热界面材料层221表面的纳米材料层222。该纳米材料层222包括碳纳米管、碳纳米球的一种或其混合物等，其采用电浆喷镀工艺设置于热界面材料层221表面。激光二极管设备4直接设置于纳米材料层222表面，该激光二极管工作元件30包括激光二极管31及其附属元件光探测器33及连接该激光二极管31与光探测器33的光传播板32。其中激光二极管31发热量较大而且热稳定性要求较高，热界面材料层221表面设置纳米材料层222使得激光二极管31与散热装置20的实际接触面积更大，散热效果更好。

本实施例为说明方便，纳米热界面材料层22覆盖基底21的表面211的全部。可以理解，纳米热界面材料层22的目的是增加激光二极管工作元件30与基底21的接触面积，故只要基底21与激光二极管工作元件30的接触面覆盖有纳米热界面材料层22即可。

多个散热鳍片24设置于基底21的另一表面212，其具有较大的表面积以达到更快散热的目的。该散热鳍片24表面还可以设置包括碳纳米管与碳纳米球的一种或其混合物组成的纳米材料层，使散热效果更佳。

若干热管23垂直穿设于基底21其中一侧面213。散热风扇25设置于热管23的冷凝端(未标示)的外侧，实际工作时对热管23进行散热。

可以理解，本实施例的散热装置20中的热管23的冷凝端还可以连接散热鳍片，散热风扇25对该散热鳍片进行散热，还可以在散热鳍片24的外侧增加散热风扇加快对散热鳍片24的散热。当然，散热装置20还可以为其他结构，并不限于本实施例。

请参阅图3，是热管23的横截面示意图，为多层环状结构。

该热管23包括一管壳233，管壳233向内依次为一吸液芯232及一亲水涂层231，亲水涂层231内表面2311形成一腔体230，该腔体230内设有工作流体2301。该管壳233的外侧设置有一纳米材料层234。

管壳233的材料一般为铜、铝或铜铝合金等。该管壳233的厚度范围为0.1毫米至1毫米，优选为0.2毫米至0.4毫米。

管壳233的内表面2331与外表面2332分别是通过激光毛化处理形成的具有一定粗糙度的表面。激光毛化处理工艺所用设备包括固态钇铝石榴石激光器(YAG Laser)、掺钕钇铝石激光器(ND:YAG Laser)、掺钕钒酸钇激光器(ND:YVO₄ Laser)或紫外钇铝石榴石激光器(UV YAG Laser)等。本实施例采用激光毛化处理工艺的目的在于增加管壳233与其相邻的材料层的黏附力及实际接触面积。

吸液芯232与管壳233的内表面2331相邻，其作用为将热管23冷凝端(未标示)的工作流体2301回流至蒸发端(未标示)。该吸液芯232的材料为碳纤与碳纳米球的混合物，碳纳米球具有很好的表面特性，因此碳纤与碳纳米球的混合物相较于单一碳纤具有更大的实际接触面积和更好的毛细作用。该吸液芯232的厚度范围为0.1毫米至0.5毫米，优选为0.2毫米至0.3毫米。

亲水涂层231设置于吸液芯232内表面2321，其主要目的是增强热管23热交换性能及吸液芯232对工作流体2301的吸附性能。该亲水涂层231的材料包括纳米二氧化钛(TiO₂)、纳米二氧化锌(ZnO₂)或纳米氧化铝(Al₂O₃)的一种或其混合物，这些材料有较好的亲水性。该亲水涂层231的厚度范围为10纳米至200纳米，优选为20纳米至50纳米，其是通过真空磁控溅镀工艺、反应性溅镀工艺或射频溅镀的离子束蒸发或电子束蒸发工艺沉积于吸液芯232的内表面2321。在真空磁控溅镀工艺中，溅镀沉积室在溅镀之前的真空度应小于2×10^-6乇(torr)。

亲水涂层231的内表面2311与工作流体2301接触，因其材料具有较好的亲水性，与工作流体2301的实际接触面积较大，因此热交换效果较好。该亲水涂层231的内表面2311可以经过激光毛化处理形成具有一定粗糙度的表面，使其具有更好的热交换效果。另外，该亲水涂层231还具有杀菌与自清洁(Self Cleaning)的作用，此对于封闭系统的热管23非常有用。

工作流体2301选自沸点较低的液体，如纯水、氨水、甲醇、丙酮或庚烷等液体或其混合液体，也可以于液体中添加具有高导热系数及高热容的高导热性材料，如碳纳米管、碳纳米球或其任意组合，以增加工作流体2301的导热性能。

纳米材料层234设置于管壳233外表面2332，其材料可以为碳纳米管、纳米铜、纳米铝或纳米铜铝合金中的一种或几种的混合物。该纳米材料层234的厚度范围为10纳米至500纳米，优选为50纳米至200纳米。

纳米材料层234通过化学气相沉积法、电浆辅助化学气相沉积法、溅镀工艺或共溅镀工艺等方法沈积形成，沉积的前需要将沉积室抽真空，该沉积室的真空度应小于2×10^-6乇。

请参阅图4，管壳233的内表面2331经由激光毛化处理后形成起伏不定的波纹状微坑2331a。处理后内表面2331的粗糙度R_p-v范围为0.1微米～10微米，以0.2微米～1微米效果较佳，所述的粗糙度R_p-v是指毛化后的内表面2331以波谷为基面的波峰高度；而该微坑2331a宽度范围为1微米至20微米，以2微米至5微米效果较佳。管壳233的外表面2332与内表面2331相同。

相较于现有技术，本实施例的散热装置20采用多重散热加强结构或材料：热界面材料层221表面设置有纳米材料层222；基底21的表面212设置有多个散热鳍片24；基底21的侧面213穿设有若干热管23；热管23的冷凝端外侧设置有散热风扇25。故散热装置20具有较好的散热性能与热稳定性。

另外，热管23也具有散热性能佳的材料与结构：管壳233的内表面2331与外表面2332皆为激光毛化处理形成的粗糙表面；吸液芯232为碳纤与碳纳米球的混合物；吸液芯232的内表面2321为激光毛化处理形成的粗糙表面，且该内表面2321设置有纳米材料形成的亲水涂层231；工作流体2301为纯水与纳米材料的混合物；管壳233的外表面设置有纳米材料层234。这种结构的热管大大增强了整个散热装置20的散热性能，使散热装置20具有更高的散热性能与热稳定性。

激光二极管31直接与纳米材料层222相接触，其通过散热装置20进行散热，由于本实施例较佳的散热结构与材料，使激光二极管31实际工作时获得很好的热稳定性，从而使激光二极管31具有更好的工作性能。

可以理解，本实施例的散热装置20还可以用于其他电子元件或机械结构的散热，并不限于激光二极管。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围的内。

Claims

1.一种用于激光二极管的散热装置，包括一基底；其特征在于：该散热装置还包括：一热界面材料层，设置于基底表面；及若干热管，穿设于基底上，该热管包括一管壳、密封于管壳内的工作流体及管壳内表面的吸液芯，所述吸液芯的材料为碳纤与碳纳米球的混合物，该吸液芯的内表面设置有亲水涂层，该亲水涂层包括纳米材料。

2.如权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述热管的管壳的内表面与外表面为包括多个微坑的粗糙表面。

3.如权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述的亲水涂层的材料为纳米TiO₂、纳米ZnO₂及纳米Al₂O₃中的一种或多种的混合物。

4.如权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述的亲水涂层的内表面为粗糙表面。

5.如权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述的工作流体包括一种液体及添加于其中的碳纳米管、碳纳米球及纳米铜粉中的一种或多种的混合物。

6.如权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述管壳的外表面设置有纳米材料层。

7.如权利要求6所述的散热装置，其特征在于，所述纳米材料层为碳纳米管、纳米铜、纳米铝及纳米铜铝合金中的一种或者多种的混合物。

8.如权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述的热界面材料层表面设置有纳米材料层，该纳米材料层的材料为碳纳米管、碳纳米球或纳米碳管与纳米碳球的混合物。

9.一种激光二极管设备，其包括一激光二极管及权利要求1至7任一项所述的散热装置，其中该激光二极管设置于该热界面材料层表面。

10.如权利要求9所述的激光二极管设备，其特征在于，所述的激光二极管与所述的热界面材料层表面之间进一步设置有一纳米材料层，该纳米材料层为碳纳米管、碳纳米球或碳纳米管与碳纳米球的混合物。