CN101471538A - 相变散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种相变散热装置和激光器，所述相变散热装置包括蒸发室和冷凝室，以及用于将被散热物体发出的热量传导至蒸发室的导热端，所述导热端包括吸热组件，所述吸热组件包覆于被散热物体的四周；采用上述技术方案，具有结构简单、散热效率高、散热均匀、可靠性好、应用范围广泛等优点，可用于大功率激光器的激光晶体、非线性光学晶体或半导体激光芯片等大功率光学元件的散热，使其散热均匀且散热效率提高，从而有效地提高了大功率激光器的发光效率、光输出功率、光束质量及工作寿命，使激光器的性能更为稳定可靠；此外，散热装置结构相对简单且适用范围广，使得大功率激光器的体积得以有效的缩小，能源环保，更具有规模化生产的实际价值。

Description

相变散热装置

技术领域

本发明涉及一种散热装置，特别涉及一种用于大功率激光器的相变散热装置。

背景技术

高功率半导体激光器迭阵和高功率全固态激光器以其广阔的应用前景和巨大的潜在市场而成为各国竞相追逐的热点。目前高功率半导体激光器迭阵所面临的主要问题是激光器的低性能，即激光器的功率、效率、可靠性和稳定性、一致性差等问题，这在很大程度上限制了其实际应用。激光器的性能除跟外延材料有关以外，还跟激光器的热耗散有关，由于转换效率等因素，发光器件的集成导致热富集，热富集将造成激光器有源区结温升高，从而降低激光器的光电转换效率，使激光器的中心波长发生温漂，此外，激光器结温过高将会在有源区引入缺陷。因此高功率半导体激光器迭阵器件性能的稳定性和可靠性与结温有直接的关系。通常情况下，高功率半导体激光器迭阵的工作结温低于250℃时，激光器可获得最大的光电转换效率；工作结温低于500℃时，激光器可稳定的工作；而当工作结温高于500℃时，激光器的性能将很快变坏甚至失效。因此要获得高稳定性高可靠性高功率半导体激光器迭阵就必须设计制作高效率的散热系统。无源热沉因其热容量的限制而仅实用于小功率激光器；有源大通道、小通道热沉其热阻也相对较高，适用于中等功率激光器。而现有的微通道冷却热沉主要针对微电子集成设计的，它采用多块厚度均匀的薄金属片叠合封围而成，金属片间热接触差，所能承受的水压低，导热效果不好，此外这种微通道冷却热沉在制备高功率半导体激光器迭阵和全固态激光器时，由于它不能直接冷却单个的激光器阵列条，因此热沉表面的温度会随着冷却液流动的方向逐渐升高，使得激光器受热不均，影响激光器的一致性，这对于激光器的应用极为不利。

目前热效应是制约激光器功率提高的一个主要因素。一方面激光介质的热透镜效应导致谐振腔工作区偏移，另一方面激光介质的热退偏效应导致激光器在类似调Q偏振工作方式下损耗加大。合理地设计泵浦和不同形状的激光介质的冷却结构是解决激光器器件热效应问题所带来的光束质量下降的有效途径。目前常见的侧泵浦方式下棒状激光介质冷却的方式有两种：一种是采用玻璃套液体冷却，另外一种是利用热沉传导冷却。对于在恶劣环境下工作的激光器，如军用、航天用的激光器，液冷的激光器结构复杂，可靠性相对较低。而热沉传导的激光器结构相对简单、可靠性高，更适宜在上述场合下工作。

此外，在半导体泵浦的激光器中，传统的激光器几乎全部使用水来循环冷却，这不可避免的存在冷水机体积庞大、温度控制不够精准且一般只能设置一个温度、能耗大、噪音大等问题。目前，对半导体激光器的散热一般采用热沉、散热片和片状微通道，是分离的部件，有的将两者焊接到一起，对于小功率器件这种散热方式可满足要求，但是对于高功率半导体激光器这种分离散热或两者的组合散热方式，散热效果不理想。

总之，目前的各种散热装置散热效率较低，对于大功率激光器，无法高效率地降低激光器工作温度，且散热也并不均匀，从而导致大功率激光器发光效率降低、输出功率降低、光束质量下降、稳定性降低、工作寿命减小。如果采用水循环冷却等方式，则存在体积大且不环保等更多问题。

发明内容

因此，本发明的任务是提供一种相变冷却散热装置；

本发明的另一目的是提供一种大功率激光器和激光器阵列。

一方面，本发明提供了相变冷却散热装置，包括蒸发室和冷凝室，以及用于将被散热物体发出的热量传导至蒸发室的导热端，所述导热端包括吸热组件，所述吸热组件包覆于被散热物体的四周。

上述装置中，所述导热端还包括散热组件，所述蒸发室内装有相变工作介质，所述散热组件的至少一部分浸泡于所述相变工作介质中。

上述装置中，还包括用于控制冷凝室温度的温度控制装置。

进一步地，所述温度控制装置可以使用制冷压缩机或半导体制冷芯片等，也可将两者组合使用，进一步提升散热效率。

上述装置中，所述冷凝室与所述蒸发室通过导管连接，所述导管上可以设有截流阀。

上述装置中，包括多根连接所述冷凝室与所述蒸发室的导管，且所述导管之间可以各自独立，也可相互连通。

上述装置中，所述散热组件外表面设有散热鳍片，散热鳍片可以为螺纹状或锯齿状。

上述装置中，所述吸热组件侧剖面为楔形或矩形。

上述装置中，所述相变工作介质为由两种或两种以上的冷却工作介质组成的混合介质。

上述装置尤其适用于对激光器或激光器阵列中发热元件的散热。

另一方面，本发明提供了一种激光器，包括发热元件和用于降低发热元件温度的散热装置，所述散热装置使用上述的相变散热装置。

所述发热元件为激光晶体、半导体激光芯片等泵浦源及非线性光学晶体等。

采用上述技术方案的相变散热装置，具有温控精准、结构简单、散热效率高、散热均匀、可靠性好、应用范围广泛等优点，成功地改善了用于大功率激光器的激光晶体、非线性光学晶体或半导体激光芯片等大功率光学元件的散热效果，使其散热均匀且散热效率提高，从而有效地提高了大功率激光器的发光效率、光输出功率、光束质量及工作寿命，使激光器的性能更为稳定可靠。而且，散热装置结构相对简单使得大功率激光器的体积得以有效的缩小，噪音减小，能源环保，更具有规模化生产的实际价值。此外，散热装置由于其各种优点，可适用于更为广泛的范围。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1-图4为相变散热装置的四种吸热组件的示意图；

图5为相变散热装置的另一种吸热组件侧视图；

图6为内部包有吸热组件的散热组件的侧剖面示意图；

图7为相变散热装置的侧剖面示意图；

图8为用于列阵的相变散热装置的整体示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细地说明。

图1-图4为相变散热装置中的四种吸热组件结构的示意图。

图1-图2为两种四棱台型吸热组件，其横截面分别为长方形和正方形，图3和图4为两种圆台型吸热组件，其横截面为圆形，如图1-图4所示，被散热物体101四周被吸热组件所包覆，可以快速有效地将产生的热量传导出去，其中，图1-图3的被散热物体分别为片状、棒状和块状，图4的需散热物体也为块状。如图1b-图4b所示，由于吸热组件侧剖面为楔形，所以能够利用外部机械应力增加导热接触面。当然，吸热组件也可为柱状或其他合适的形状。吸热组件的材料采用导热率高的材料，优选为铝合金等不易氧化的导热材料。

图1-图4所示的吸热组件结构适用于单点泵浦和多点泵浦的激光器或激光器列阵。以上截面形状和设计可以根据光学元件或其他被散热器件的不同需要而进行适当改变。

图5给出了具有另一种侧剖面形状的吸热组件，这种分段的侧面502与501和503具有不同倾斜度，其形状有利于稳步而精准的固定此结构的具体位置，且该不规则受力面结构仍可以产生机械应力。

图1-图5给出的各种吸热组件外表形状，其目的都是为了便于对吸热组件施加应力，从而增加吸热组件与内部光学元件和外部散热组件的热接触，提高导热效率，本领域技术人员应当理解，在上述教导的基础上，可以设计出各种便于施加应力的吸热组件结构，都应在本发明权利要求保护的范围之内。

图6给出一种散热组件内部包有吸热组件的导热端的剖面图，被散热的光学元件601的表面镀有或包裹有导热材料608以增加热传导，圆台型吸热组件602包覆在光学元件601的四周，再将吸热组件602嵌入散热组件603。散热组件603对称设有散热鳍片606，在吸热组件602的顶部设有接口605，该接口可以与光路中其他光学元件连接并使光束通过，吸热组件602底部设有压圈604，在压圈604的挤压下，使得吸热组件602与光学元件601之间，以及散热组件603的楔形内壁与吸热组件602楔形外壁之间，始终保持一定的应力，提高彼此的热接触。散热组件的两开口端可以按激光器的实际设计要求进行封闭处理，也可保持全部开放。此外，还可在散热组件603内壁和/或吸热组件602外壁上镀导热材料层607以增加热传导效率。导热材料层607可以为金或者其他不易被氧化的热的良导体材料。其中，导热材料608和导热材料层607也可以根据实际需要选择不进行镀制。

图7为相变散热装置的侧剖面示意图，包括导热端、蒸发室和冷凝室，其中，导热端的结构与图6相同，散热组件714可以完全浸泡或者半浸泡在蒸发室705内的相变工作介质707中，蒸发室705通过导管708与冷凝室706连通，导管708在蒸发室的开口对准蒸发室705内放置的散热组件714，以便冷却后的液体能流回到散热组件714外表面上，所述冷凝室706的散热端设有散热片712，所述散热片712的上方设有半导体制冷芯片(简称TEC)710，在半导体制冷芯片710和冷凝室的散热片712之间还可以填充金属或导热硅胶711。上述导管708可以为单根，也可以为多根，多根导管可以各自独立，也可以彼此连通。导管可以是螺纹管、微肋管、收缩管，或多孔表面管，其形状可以为矩形、圆形或多边形等。此外，还可以在冷凝室706的中间部分设有一个隔热部分709，用于防止来自外界的干扰或温度干扰，并将多根导管708设置在隔热部分709的两侧，用来进行相变流通。隔热部分709也可以去掉，这种情况下可以仍然采用多个导管，也可以改为采用一个整体导管。

图7的散热装置中，散热鳍片704除了可以加大热传导面积外，而且构成了微槽群蒸发器，利用毛细效应，提升微槽内的液面，从而增加相变工作介质707的表面积，加快相变速度，提高散热效率。蒸发室705和冷凝室706采用耐压材料，如金属等，形成密封腔体，且内部抽成真空。散热组件714的外表面和冷凝室706的内表面可以镀有惰性导热材料，如导热塑料、导热陶瓷等；蒸发室705和导管708的内表面可以镀隔温材料如聚四氟乙烯等；相变工作介质707应当采用热容大、相变潜热大的有机或无机溶液，如溴化锂溶液、水、乙醇等，也可以为由两种或两种以上的冷却工作介质组成的混合介质；被散热元件701外部镀有的导热材料702可以选择铟箔、导热硅脂、金或银等导热率高的材料；整个散热装置除去散热端外的其他外部均覆盖有隔热材料，如聚氨酯，以保证整个装置在工作时不会与环境发生热交换，确保效率。当使用的相变工作介质能对散热组件的外壁表面、蒸发室表面、导管表面和冷凝室表面材料产生腐蚀作用时，则需要在可能发生腐蚀的器件表面镀上或喷涂上热阻小的防腐蚀材料层。此外，相变可以为气液相变，也可以为气固相变。

为了能够控制冷凝室内的温度，还可以使用制冷压缩机等控制装置取代半导体制冷芯片，或者采用半导体制冷芯片与制冷压缩机相结合的应用，来控制冷凝室和蒸发室内的温度，从而精确的控制相变工作介质的沸点，达到精确控制被散热元件工作温度的目的。在导管上还可以设有气体或液体的截流阀，用于控制蒸发室与冷凝室之间的压强差。另外，还可以使用如外加液体循环冷却或传统空气冷却等方式。

上述散热装置在工作时，首先，将块状激光晶体以金箔包裹，再在包裹有金箔的激光晶体表面镀一层铟膜，以使激光晶体更好的导热，将吸热组件从中间打开，按图4所示将激光晶体放入吸热组件中，吸热组件内空腔的形状应根据激光晶体量身而制，使激光晶体正好嵌入，吸热组件内壁与激光晶体表面完全接触，从而使导热效果最佳。其中，吸热组件的材料可以为铝合金等不易氧化的导热材料。在吸热组件的外表面和散热组件的内表面镀上金膜，然后将内部装有激光晶体的吸热组件装入散热组件中，吸热组件顶部的接口可以与光路中其他光学元件连接并使光束通过，吸热组件底部设有压圈，在压圈的挤压下，使得吸热组件与激光晶体之间，以及散热组件的内壁与吸热组件外壁之间，始终保持一定的应力，提高彼此的热接触。散热组件上的散热鳍片的间距为0.3毫米，高度为2毫米。这些鳍片可构成微槽群蒸发器。将散热组件放置于蒸发室中，在蒸发室内注入溴化锂水溶液作为相变工作介质。这样，散热组件全部浸泡在溶液中，以实现完全的热接触。蒸发室的上部有多个导管与冷凝室连接。冷凝室的上部散热端的散热片也做成鳍片状，鳍片高4毫米，间距3毫米，鳍片结构仍是为了增大散热面积及加强散热效果。在冷凝室的中间部分设有一个隔热部分，用于防止来自外界的干扰，在隔热部分的两侧的多根导管，是蒸汽和液体的公用通道，用来进行相变流通。冷凝室顶端通过导热硅胶或硅脂711与半导体制冷芯片的冷端外表面紧贴在一起，半导体制冷芯片的热端外表面则与一风冷铝合金散热片也通过导热硅胶或硅脂紧贴在一起。上述导热硅胶也可以采用金属来代替。除散热端外的其余外表面均被包以1厘米厚的聚氨酯隔热材料，以保证这套系统在工作时，不会与环境发生热交换，确保效率。溴化锂水溶液是一种具有较高汽化潜热的液体工作介质，将散热组件完全浸泡在溴化锂水溶液中，从而在散热鳍片所构成的相变加热区域里形成高强度的蒸发和沸腾，溶剂水变成蒸汽以带走激光晶体产生的部分热量。当部分水以蒸汽形式被蒸发后，散热鳍片所构成的微槽群内的溴化锂溶液的浓度上升，变成溴化锂浓溶液。冷却后的液体水由于重力通过导管流回蒸发室内，滴落在鳍片所形成的相变加热区，对溴化锂浓溶液产生稀释作用，从而再带走部分热量。

在上述相变散热系统中，吸热组件中的块状激光晶体采用图4所示方式放置要比图3所示结构更佳，原因是以图4所示方式放置光学元件，光学元件受力更为均匀，受到外部影响更小，系统更具有稳定性。

对于端面泵浦激光器来说，对温度控制精度要求高且需有不同基准温度，如果采用相变冷却方式对激光器内的激光晶体、非线性光学晶体、半导体激光芯片等光学元件进行冷却则是非常合适的。

与传统的激光器元件散热方式相比，此种相变冷却装置的蒸发室中的相变工作介质能够对内腔装有光学元件的导热端进行浸泡或半浸泡，实现散热组件与相变工作介质的充分接触，保证了对光学元件的均匀散热，从而使激光器获得很好的一致性，提高激光器的整体发光效率、光输出功率及工作寿命。当在同一个相变蒸发室中按照一定的顺序排列多个内部装有光学元件的导热端，如图10所示，构成激光器列阵时，则可使激光器集中散热，使得激光器的整体体积减小，光输出功率加大。而且，这种相变散热方式不需另外加装冷却工作介质驱动装置，使得整个散热系统的体积更小，制造成本更加低廉，结构更加可靠。特别适于作为大功率泵浦源的全固体激光器和大功率的半导体激光器，也可应用于机载、军用等恶劣工作条件下以简单热传导方式工作的半导体激光器和固体激光器。

由于激光晶体和半导体激光芯片等光学元件的散热问题，普通的大功率激光器的输出功率只能达到几瓦，而使用上述图9所示的相变散热装置，在不改变激光器的体积和成本的情况下，激光器的输出功率可以达到上百瓦，实现了激光器输出功率的飞跃，并且由于散热效率高，可以使光学晶体始终保持在较低的温度下，提高了发光效率和工作寿命，由此可见，本发明的相变散热装置是一种强力相变散热机构，对改善激光晶体、非线性光学晶体、半导体激光芯片等光学元件的散热问题，尤其是大功率激光器的散热问题及提高光学晶体的发光效率、工作寿命有明显改进，从而能够得到高光束质量的激光输出。

上述的结构可以用于单个光学元件，或者同一光学元件的列阵，也可以将在同一光路中前后相连的需要散热的几个光学元件置于同一个散热装置中，进行集中散热。

上面结合具体的实施例对本发明的技术方案进行了详尽的说明和解释，本领域的技术人员应当理解，上述实施例并非对本发明保护范围的限制，本发明的保护范围以权利要求为准。

Claims (11)

1.一种相变散热装置，包括蒸发室和冷凝室，以及用于将被散热物体发出的热量传导至蒸发室的导热端，所述导热端包括吸热组件，所述吸热组件包覆于被散热物体的四周。

2.根据权利要求1所述的相变散热装置，其特征在于，所述导热端还包括散热组件，所述蒸发室内装有相变工作介质，所述散热组件的至少一部分浸泡于所述相变工作介质中。

3.根据权利要求1所述的相变散热装置，其特征在于，还包括用于控制冷凝室温度的温度控制装置。

4.根据权利要求1所述的相变散热装置，其特征在于，所述温度控制装置为半导体制冷芯片或制冷压缩机或者两者的组合。

5.根据权利要求1所述的相变散热装置，其特征在于，所述冷凝室与所述蒸发室通过至少一根导管连接，所述导管上设有截流阀。

6.根据权利要求1所述的相变散热装置，其特征在于，所述散热组件外表面设有散热鳍片。

7.根据权利要求1所述的相变散热装置，其特征在于，所述吸热组件侧剖面为楔形或矩形。

8.根据权利要求2所述的相变散热装置，其特征在于，所述相变工作介质为由两种或两种以上的冷却工作介质组成的混合介质。

9.根据权利要求1-8任一项所述的相变散热装置，其特征在于，用于激光器或激光器阵列中发热元件的散热。

10.一种激光器或激光器阵列，包括发热元件和用于降低发热元件温度的散热装置，所述散热装置为权利要求1-8所述的相变散热装置。

11.根据权利要求10所述的激光器或激光器阵列，其特征在于，所述发热元件为激光晶体、半导体激光芯片和非线性光学晶体。

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