CN102570289B - 一种光纤耦合模块的温控散热系统 - Google Patents

一种光纤耦合模块的温控散热系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤耦合模块的温控散热系统，包括热电致冷芯片、第一热沉、LD模块、第二热沉、水冷块、温度开关、循环水泵、换热器以及调速风扇；其中，所述热电致冷芯片设置有热端和冷端，所述第一热沉和第二热沉分别安装在热电致冷芯片的冷端和热端上，所述温度开关安装在第二热沉上，所述LD模块安装在第一热沉上，所述水冷块安装在第二热沉上，所述调速风扇上安装有换热器，所述循环水泵分别位于换热器和水冷快前方。本发明优点在于通过采用局部循环水散热工艺，TEC制冷片控温技术，有效地解决了激光电源体积小、设计紧奏等问题；通过对光纤耦合模块工作温度的监测与控制，进一步提高了温控的可靠性，保证了半导体激光器的散热性能。

Description

一种光纤耦合模块的温控散热系统
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，特别是涉及一种应用于半导体激光器中且对光纤耦合模块进行温度控制以达到良好散热的系统。
背景技术
半导体激光器是一种以一定半导体材料作为工作物质而产生受激发射作用的器件，其由于波长范围宽，耦合效率高，响应速度快、制作简单、成本低、易于大量生产，且体积小、重量轻、寿命长等优点，在通信技术、生物医学工程、军工技术等领域得到广泛应用。到目前为止，半导体激光器已经是光纤通信、光纤传感、光盘记录存储、光互连、激光打印和印刷、激光分子光谱学以及固定激光器泵浦、光纤放大器泵浦中不可替代的重要光源。
因此，半导体激光电源的可靠性、稳定性也由此显得格外重要，其中，光纤耦合模块作为半导体激光器中的重要器件，其对温度比较敏感，一旦温度发生异常变化便会影响到模块寿命，严重时会影响整个半导体激光器器件的性能，而且该光纤耦合模块在工作中会产生大量的热量，因此，如何对其进行温度控制和散热对整个半导体激光器的品质是非常关键的。
现在，小功率的半导体激光器可以采用简单的被动散热方式；而大功率的半导体激光器则一般需要冷冻压缩机去进行散热，但由于冷冻压缩机体积大、噪音大，且容易受到应用环境的限制，使半导体激光器的应用范围变窄，并且除此之外还需要制冷剂，对环境亦存在一定的污染，因此目前已经不常采用该种方式。
目前，热电致冷芯片(Thermoelectric Cooling Chip，简称TEC)由于体积小、无噪音、无需使用制冷剂、无环保公害、寿命长，且可倒立或侧立使用，无方向限制，日后几乎不需维护等优点，特别在风冷加致冷片的制冷形式中得到应用，该形式具有结构简单、维护方便、容易控制等优点，在工程应用得到广泛实施。不过，TEC控制器虽然有较高的效率，可将除TEC以外的器件产生的热量减到最小，但是风冷却需要大功率的风扇和大散热片，其对电源的空间和重量提出了一定的要求。
发明内容
基于现有技术存在的问题，本发明的主要目的在于提供一种耦合效率高、散热好，且电源空间占用少并且重量轻的光纤耦合模块的温控散热系统。
为了实现上述目的，本发明采用了下述技术方案：
所述温控散热系统应用于半导体激光器中，包括热电致冷芯片、第一热沉、LD模块、第二热沉、水冷块、温度开关、循环水泵、换热器以及调速风扇；其中，所述热电致冷芯片设置有吸热面和放热面，所述第一热沉和第二热沉分别安装在热电致冷芯片的吸热面和放热面，所述温度开关安装在第二热沉上，所述LD模块安装在第一热沉上，所述水冷块安装在第二热沉上，所述调速风扇上安装有换热器，所述循环水泵分别位于换热器和水冷快前方。
进一步地，所述第一热沉上设置有导热硅脂层。
进一步地，所以第一热沉和第二热沉为紫铜材质的散热片。
进一步地，所述水冷块内置放有防冻液。
进一步地，所述水冷块和第二热沉之间采用密封圈密封。
进一步地，还包括热敏电阻，该热敏电阻为安装在第一热沉上。
进一步地，所述调速风扇采用热敏电阻调速。
进一步地，所述换热器为鳍片式。
本发明所述一种光纤耦合模块的温控散热系统具有以下优点：1)通过采用局部循环水散热工艺，TEC制冷片控温技术，有效地解决了激光电源体积小、设计紧凑等问题；2)通过对光纤耦合模块工作温度的监测与控制，进一步提高了温控的可靠性，保证了半导体激光器的散热性能。
附图说明
图1为本发明所述一种光纤耦合模块的温控散热系统的架构图。
图2为本发明所述一种光纤耦合模块的温控散热系统的水冷块内部结构图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例来对本发明所述一种光纤耦合模块的温控散热系统作进一步的详细说明。
本发明所述一种光纤耦合模块的温控散热系统采用局部循环水散热工艺以及TEC制冷片控温技术。其中，所述TEC是利用塞贝克效应来制冷或加热的半导体P-N结器件，依靠热交换，通过一面吸热另一面散热实现加热制冷。
在本发明中，当在TEC两端施加直流电压时，TEC的一面加热(散热)，另一面则制冷(吸热)；因此，TEC加热(散热)的一面被称为“放热面”，而其制冷(吸热)的一面称为“吸热面”。实施时，如果把TEC两端的电压反相，则吸热面和放热面就会互换。在实际使用时，需要控制温度的物体安装在吸热面，而散热装置安装在放热面。
进一步，由于实际使用时，TEC电功率几乎全部转化为热能QF＝UI，其仅在TEC吸热面热交换量QJ大于发热量QF/2，即假定电功率产生的热量在两面平均分配时，且当放热面有效散热时，TEC吸热面才能制冷。此时，吸热面吸热量QIN＝QJ-QF/2，放热面散热量QOUT＝QJ+QF/2。
在本实施例中，TEC吸热面或放热面由TEC电流方向决定，即，TEC此时可看作是一个非线性电阻负载，电流方向随电压方向改变，其中，TEC可以移去的热量与流过TEC的电流大小有关，电流越大，则移去的热量越多。在本发明中，光纤耦合模块的温度可以通过控制流过TEC两端的电流的大小和方向来进行控制。
此外，当TEC的电流超过某个最大值，TEC就不再制冷而只会发热，因此在本发明中设置了过温报警电路，即在TEC吸热面上设置热敏电阻。温控时，通过精密输入放大器，精确地测量光纤耦合模块实际温度与目标温度之间的温差；通过一补偿网络得到最优的稳定性和时间特性；以及一高输出电流，使TEC控制器有较高的效率，从而将除TEC以外器件产生的热量减到最小。
假设，所述半导体激光器的光纤耦合模块工作在出光功率30W时，将产生约45W的热量。如果按最低工作设定温度20℃计算，由于光纤耦合模块的bar条到模块底部的温差一般为5℃，热沉温差一般也为5℃，则需TEC的吸热面温度约为10℃；如果根据最高工作环境温度30℃算，再加上预容量2℃以及机箱与环境温度的温差3℃，则需考虑环境温度为35℃；此时TEC的最高工作温差为40℃，TEC的极限温差为60℃，TEC的实际效率为50％，那么注入TEC的最大功率为：
45W/(1-40/60)50％(效率)＝270W。
在本发明实施例中，为解决上述注入的270W的热量，且在与环境温差为15℃中进行散热，则需用散热器件的热阻为：
Rth＝ΔT/P＝15℃/270W＝0.0555℃/W。
而目前一般的散热器长度为400mm，其在风速为4m/s时的热阻为0.08℃/W，在风速为6m/s时的热阻为0.055℃/W左右、且0.055℃/W为临界值。当风速为6m/s时，噪声大、风道也难设计。
针对上述问题，本发明采用局部循环水散热工艺，在工艺上吸热和散热采用分离式，故风道设计容易，便于实施。
参见图1所示，所述温控散热系统包括热电致冷芯片10、第一热沉11、LD模块12、第二热沉13、水冷块14、温度开关15、循环水泵16、换热器17以及调速风扇18。
其中，所述热电致冷芯片10设置有吸热面和放热面；所述第一热沉11和第二热沉13分别安装在热电致冷芯片10的吸热面和放热面；所述温度开关15安装在第二热沉13上，当TEC过温(60℃)时，温度开关断开，则本发明所述温控散热系统会提示报警，需要等温度降下来之后再操作，从而达到过温保护的作用；所述LD模块12安装在第一热沉11上；所述水冷块14安装在第二热沉13上；所述调速风扇18上安装有换热器17；所述循环水泵16分别位于换热器17和水冷块14正前方，以便于更好的对热能进行置换。
在本实施例中，所述第一热沉11和第二热沉13选用导热良好的紫铜进行精密加工，以使得其与LD模块12以及热电致冷芯片10有很好的贴合度，实施时，在该第一热沉11的表面上涂有导热硅脂以增加热传导。
进一步地，所述水冷块14可采用不锈钢材料，且内置有防冻液，见图2所示，防冻液从图中A方向进入，从图中B方向出来，充分在水冷块14中迂回流过，充分转移热量。实施时，水冷块14和第二热沉13之间用密封圈，用螺钉拧紧，防冻液就不会漏出。
在本发明中，所述循环水泵16的换热介质亦采用防冻液，实施时，该循环水泵16中循环管道内防冻液的流动转移热量，以达到温度控制的目的，其中，通过该防冻液可以很好的控制光纤耦合模块各个部位的热负荷，使温度平滑下降。
在本实施例中，在第一热沉11的与热电致冷芯片10接触一面设置热敏电阻19，以便于更好的对温度进行控制。
进一步地，所述调速风扇18可采用热敏电阻调速，使在小功率输出或低环境温度下，风扇噪声不至于过大。
进一步地，在本发明中，所述换热器17为鳍片式，故有效散热面积比纯散热器大，且可使得热阻在0.055℃/W以下的风速也不是很高，有效地解决了体积小、设计紧奏等问题，同样在工艺和性能方面有着极大的提高。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种光纤耦合模块的温控散热系统，应用于半导体激光器中，其特征在于，包括热电致冷芯片、第一热沉、LD模块、第二热沉、水冷块、温度开关、循环水泵、换热器以及调速风扇；其中，所述热电致冷芯片设置有吸热面和放热面，所述第一热沉和第二热沉分别安装在热电致冷芯片的吸热面和放热面，所述温度开关安装在第二热沉上，所述LD模块安装在第一热沉上，所述水冷块安装在第二热沉上，所述调速风扇上安装有换热器，所述循环水泵分别位于换热器和水冷块前方，所述循环水泵与换热器和水冷块均双向连通。
2.根据权利要求1所述一种光纤耦合模块的温控散热系统，其特征在于，所述第一热沉上设置有导热硅脂层。
3.根据权利要求1所述一种光纤耦合模块的温控散热系统，其特征在于，所以第一热沉和第二热沉为紫铜材质的散热片。
4.根据权利要求1所述一种光纤耦合模块的温控散热系统，其特征在于，所述水冷块内置放有防冻液。
5.根据权利要求1所述一种光纤耦合模块的温控散热系统，其特征在于，所述水冷块和第二热沉之间采用密封圈密封。
6.根据权利要求1所述一种光纤耦合模块的温控散热系统，其特征在于，还包括热敏电阻，该热敏电阻为安装在第一热沉上。
7.根据权利要求1所述一种光纤耦合模块的温控散热系统，其特征在于，所述调速风扇采用热敏电阻调速。
8.根据权利要求1所述一种光纤耦合模块的温控散热系统，其特征在于，所述换热器为鳍片式。
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