CN102163789B - 一种微通道式水冷热沉装置及其组装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微通道式水冷热沉装置及其组装方法，所述装置包括：分别安装有进、出水嘴的上热沉块和下热沉块，所述上热沉块与下热沉块贴合后中间形成被控温元件安放槽，且所述上热沉块和下热沉块上沿着所述被控温元件安放槽外围部署有水冷控温结构，所述水冷控温结构两侧装配有密封压片，其特征在于，所述水冷控温结构为多个圆状-齿状微通道串联交织形成的水流微通道结构。本发明解决了常规热沉走水方式过于简单、换热效率较低的问题，大大提高了热沉与水的换热效率，进而提高了热沉的散热效率。

Description

一种微通道式水冷热沉装置及其组装方法

技术领域

本发明涉及机械技术领域，尤其涉及一种微通道式水冷热沉装置及其组装方法。

背景技术

一般二极管泵浦固体激光器系统为高功率、高集成度的整机系统，发热单元众多，主要包括激光二极管(LD)、激光晶体，Q开关晶体及驱动器、非线性晶体等，激光器运行时各单元的散热功率要求、温度控制点及温控精度等不尽相同，特别是在工业及军事等应用中激光器系统的工作温度范围很宽，大体上从-40℃～+55℃范围激光器均要能正常工作。为了保证各散热单元恒定的工作温度区间，高低温状态下功能要求还要区别对待。因此整个激光器系统的散热能力及温度管理控制能力非常重要，其运行状态和运行效率直接决定激光器系统能否正常可靠工作。

在系统的散热系统设计时，首先应根据极限使用情况分析、计算出系统总的热功率水平，确定总的制冷和制热能力，然后针对各散热单元的不同特点，对水冷系统的制冷量进行合理分配，量化分配比率。

各单元的散热及温控技术具有不同的技术要求，对散热要求高的LD、激光晶体应重点解决，包括高效热沉结构的设计、进出水方式、水路的设计、流量的设计、温控速度及精度等必须适应各自特点。

在二极管泵浦固体激光器器中，激光晶体是激光器中热量最为集中的光学元件，针对二极管端面泵浦方式激光晶体内部热分布特点，晶体散热采用金属铜热沉传导结合液体对流散热的结构方式，以最大限度、最高效率地导出激光器工作时所产生的废热，提高激光器的性能。

常规的水冷晶体散热热沉结构处于加工的考虑，通常走水方式较为简单，一般为直进直出，散热效率会大打折扣，特别是在高温环境温度下，晶体温控问题更是难以解决。

发明内容

本发明提供一种微通道式水冷热沉装置及其组装方法，用以解决现有技术中常规热沉走水方式过于简单、换热效率较低的问题。

具体的，本发明提供一种微通道式水冷热沉装置，包括：分别安装有进、出水嘴的上热沉块和下热沉块，所述上热沉块与下热沉块贴合后中间形成被控温元件安放槽，且所述上热沉块和下热沉块上沿着所述被控温元件安放槽外围部署有水冷控温结构，所述水冷控温结构两侧装配有密封压片，其特征在于，所述水冷控温结构为多个圆状-齿状微通道串联交织形成的水流微通道结构。

其中，所述齿状微通道与圆状微通道成层状分布，其中，齿状微通道靠近所述被控温元件安放槽侧，所述圆状微通道靠近齿状微通道，布置在所述齿状微通道的外围；且所述各微通道孔径小于2mm。

其中，所述水流微通道采用电火花结合线切割的加工方式形成。

进一步的，本发明所述装置中，所述上沉块、下沉块为表面镀金的紫铜材料；其中，所述镀金层的厚度为微米量级。

进一步的，本发明所述装置中，所述被控温元件安放槽为圆形结构；其中，所述被控温元件安放槽内安放激光晶体。

进一步的，本发明所述装置中，所述上沉块和下沉块贴合后通过螺钉固定。

本发明还提供一种微通道式水冷热沉装置的组装方法，包括：

清洗所述水冷热沉装置的步骤、将被控温元件封装在上沉块和下沉块间安放槽内的步骤、安装密封压片的步骤、以及在上沉块和下沉块上安装水嘴的步骤，其特征在于：

所述将被控温元件封装在上沉块和下沉块间安放槽内时，在所述被控温元件上包有导热箔，使所述被控温元件与上沉块和下沉块紧密接触。

与现有技术相比，本发明有益效果如下：

首先，本发明提供的微通道式水冷热沉装置，解决了常规热沉走水方式过于简单、换热效率较低的问题，大大提高了热沉与水的换热效率，进而提高了热沉的散热效率；

其次，本发明所述的热沉装置采用电火花结合线切割的加工方式，与传统加工方式相比，大大降低了加工难度；

第三，本发明所述的热沉组装方法，通过增加导热箔可以使被控温元件与热沉紧密贴合，更有助于被控温元件的散热。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种微通道式水冷热沉装置的结构图；

图2为本发明中水冷控温结构的结构图；

图3A为本发明中组装后的热沉的截面图；

图3B为本发明中组装后的热沉的侧视图；

图3C为本发明中组装后的热沉的立体图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了解决现有技术中热沉散热效率低下的问题，本发明提供一种微通道式水冷热沉装置及其组装方法，所述水冷热沉装置不仅解决了常规水冷热沉走水方式过于简单、换热效率较低的问题，还大大提高了热沉与水的换热效率，进而提高了热沉中的晶体的散热效率。

实施例一：

如图1所示，为本发明提供的一种微通道式水冷热沉装置的结构图，所述装置包括：上热沉块110和下热沉块120、所述上、下热沉块彼此贴合面侧分别具有一凹槽，当上、下热沉块二者贴合在一起时中间部位的上下凹槽形成一被控温元件安放槽130；所述上、下热沉块上沿着各自的凹槽外沿布置有水冷控温结构140；并在所述水冷控温结构140的两端分别布置有压片平台150，该压片平台150用于放置密封压片160，该密封压片160将水冷控温接口140进行密封；所述上、下热沉块上还分别布置有进、出水水嘴170，通过进水嘴将水注入水冷控温结构140，并结合出水嘴完成水路的循环。

其中，上、下热沉块贴合后优选的通过螺钉180进行固定，当然本发明并不限于这一种固定方式，只要能实现上、下热沉块间固定的方式均在本发明的保护范围内。

进一步的，本发明为了实现在宽温度范围内高散热的要求，本发明所述的热沉装置中采用了紫铜(纯铜)作为热沉的材料，紫铜的导热系数达到398W·(m·K)^-1，是适用的工业金属中最高的，是热沉的理想材料。本发明考虑到紫铜材料本色抗氧化能力太差的问题，在采用紫铜加工完后在其外表面镀金，可以使紫铜在使用的过程中不被氧化，由于金本身也是一种导热性能良好的金属，其导热系数达到315W·(m·K)^-1，而且金的镀层只有几个微米，对紫铜的导热性能丝毫不产生影响；

进一步的，本发明考虑到传统水冷控温结构是在热沉上开出单路或几路的水通道，通过水流将热量带走，这样的常规方式散热效率较低，不能满足宽温度范围内的高散热密度的使用要求。

而本发明所述热沉装置充分考虑了热沉热流的传递路径，设计所述水冷控温结构140为多个圆状-齿状微通道串联交织形成的水流微通道结构，该结构优化了水流与热流的匹配，形成了类似树杈状的热流通道，这样可以让水流的散热效率得到进一步的提高，满足宽温度范围内的高散热密度的散热要求；

其中，所述齿状微通道与圆状微通道间优选的成层状分布，其中齿状微通道靠近所述被控温元件安放槽130侧，所述圆状微通道靠近齿状微通道，布置在所述齿状微通道的外围；这样的设置更有助于散热效率；其中，所述圆状或齿状微通道为通水孔径小于2mm的小通道；该水冷控温结构的结构图具体如图2所示。

进一步的，本发明考虑到微通道加工存在一定的难度，所以在微通道加工的设计上也进行了改善，主要采用电火花结合线切割的加工方式，通过该加工方式可以使微通道在只打一到两个穿丝孔的情况下通过线切割完成加工，且切割的周期较短，加工难度与传统的微通道比较大大降低。

本实施例所述的微通道式水冷热沉装置可以应用于固体激光器中；固体激光器技术特别是二极管端面泵浦激光技术中必然涉及到的激光晶体的散热结构。二极管泵浦固体激光器技术是目前最主流的激光技术，其中最重要的技术环节之一就是其中的激光晶体的高效散热和温控技术，它对激光的高效、高功率、稳定输出起着决定性的作用。而通过将本发明所述的热沉装置应用在激光晶体上，其能够解决激光器在高功率泵浦状态下激光晶体的高效散热问题，使激光器在高温+55℃环境下可以正常工作，达到了适应极宽的环境温度变化范围的技术效果。

当然，本发明所述的微通道式水冷热沉装置应用在固体激光器中只是列举的一种应用实现方式，而并非唯一应用实现方式。

实施例二

基于本发明提供的微通道式水冷热沉装置，本发明还提供一种微通道式水冷热沉装置的组装方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤1、使用超声清洗热沉装置将所有构件清洗干净。

步骤2、封装激光晶体前的准备：在上热沉块的棒槽两端各滴两滴酒精，用棉签从一端开始擦拭至另一端，然后换一根棉签重复擦拭过程；同样的方法将下热沉块的棒槽清理干净。

步骤3、晶体封装：将准备好的棒状晶体用导热箔包好，放置于下热沉块的晶体棒槽中间，然后将上热沉块压在下热沉块上；其中，导热箔的厚度以上、下热沉块刚好紧密接触为适。

步骤4、将四颗螺钉置于相应孔位并拧紧。

步骤5、清理密封压片。

步骤6、密封压片的安装：在一图压片平台上涂满703(704)胶，将密封压片平放在压片平台上。

步骤7、将螺钉置于密封压片上的孔位并拧紧。

步骤8、清理密封压片上的703(704)密封胶。

步骤9、水嘴装配：在四个水嘴的螺纹上涂上预备好的504密封胶，然后置于相应孔位并拧紧。

步骤10、清理水嘴上的504密封胶。

步骤11、将热沉放置于桌面上，使热沉棒槽保持水平，放置时间为10～12小时。

组装后的热沉装置结构图如图3所示，其中，图3A给出了热沉装置的截面图；图3B给出了热沉装置的侧视图；图3C给出了热沉装置的立体图。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种微通道式水冷热沉装置，包括：上热沉块和下热沉块，所述上热沉块和下热沉块均分别安装有进、出水嘴，所述上热沉块与下热沉块贴合后中间形成被控温元件安放槽，且所述上热沉块和下热沉块上沿着所述被控温元件安放槽外围部署有水冷控温结构，所述水冷控温结构两侧装配有密封压片，其特征在于，所述水冷控温结构为多个圆状-齿状微通道串联交织形成的水流微通道结构，其中，所述齿状微通道与圆状微通道成层状分布，齿状微通道靠近所述被控温元件安放槽侧，圆状微通道靠近齿状微通道，布置在所述齿状微通道的外围。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述各微通道孔径小于2mm。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述水流微通道采用电火花结合线切割的加工方式形成。

4.如权利1所述的装置，其特征在于，所述上热沉块、下热沉块为表面镀金的紫铜材料。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述镀金层的厚度为微米量级。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述被控温元件安放槽为圆形结构。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述被控温元件安放槽内安放激光晶体。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述上热沉块和下热沉块贴合后通过螺钉固定。

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