CN103811976A - 一种脉冲式大功率激光器的散热装置及散热方法 - Google Patents

Abstract

一种脉冲式大功率激光器的散热装置，包括与激光器贴合的导热装置，该导热装置连接有至少一个导热管，所述导热管的一端与该导热装置连接，其另一端伸入密封的相变材料内，本发明将脉冲式工作下的高功率激光器的热量通过导热装置和导热管传导给所述相变材料吸收，相变材料将脉冲式工作下的高功率激光器产生的热量暂时先储存起来，再缓慢释放，可延长激光器的稳定工作时间和减缓激光器与系统外界环境的热交换速度，避免热量快速散出影响其他器件和避免烫伤使用者。

Description

一种脉冲式大功率激光器的散热装置及散热方法

技术领域

本发明涉及一种散热装置，具体地为一种脉冲式大功率激光器的散热装置及方法。

背景技术

随着现代工业的发展，高功率激光器的应用已经涉及到人们社会生活的许多领域，如检测、加工、通信等等，其具有广阔的前景和巨大的潜在市场，是世界各国研究的热点。目前高功率激光器所面临的主要问题是激光器的稳定工作时间较短，这在很大程度上限制了其实际应用。激光器的稳定工作时间主要和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，此外激光器的结温将会在有源区引入缺陷。因此高功率激光器的稳定工作时间与结温有直接的关系。通常情况下，高功率激光器的工作结温低于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。因此要获得长稳定工作时间的高功率激光器就必须设计制作合适的散热系统。

在激光器散热系统的现有技术中，如图1所示，包括高功率激光器1，导热硅脂2，半导体制冷片3，散热片4，风扇5，和系统外壳6。高功率激光器1以脉冲方式工作，产生的热量被半导体制冷片3迅速搬运到散热片4上；导热硅脂2的作用主要是使得激光器与半导体制冷片的表面以及半导体制冷片与散热片的表面充分接触，增大导热的横截面积，避免由于表面不平整未能充分接触从而产生的热阻；风扇5对着散热片吹，使得散热片上的热量以热对流的形式与空气进行热交换；最后所有的热量都是通过外壳6散发到外界环境中。由于这种系统中风扇将散热片上的热量以热对流的形式交换到空气中，而空气又与激光器是相互接触的，故空气中的热量也会传输到激光器上，这样会增加半导体制冷片的工作负担，降低其制冷效率，从而减少激光器的稳定工作时间；其次散热片上的热量被交换到周围的空气当中，而空气又与系统外壳充分接触，故热量很快会转移到系统外壳上，这样会导致系统外壳温度迅速升高，从而烫伤人手，直接导致系统的工作时间变短。

还有一些采用相变材料的散热装置，如中国发明专利公开号为CH101471538A、名称为《相变散热装置》中公布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;该方案中将激光器散发的热量最终传递到冷凝室，最后从设置在冷凝室上的半导体制冷芯片传递出去，直接让热量向外散热，而这样传递出去的热量可能很多，当设置在仪器中时会固定的朝一个方向散发大量热量，使这个方向温度过高，会对其他仪器造成影响，而且当设置在手提式激光器中时，散发的大量热量可能会烫伤使用者，造成严重的烫伤。

发明内容

为此，本发明为解决现有技术中散热过程快，散发热量大造成的影响其他仪器或烫伤人的问题，为解决上述技术问题，本发明提供一种利用相变材料先存储热量再缓慢散发热量的延长脉冲式大功率激光器工作时间的散热装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种脉冲式大功率激光器的散热装置，包括与激光器贴合的导热装置，该导热装置连接有至少一个导热管，所述导热管的一端与该导热装置连接，其另一端伸入密封的相变材料内。

优选地，所述导热装置包括半导体制冷片和导热金属块，所述半导体制冷片直接与所述激光器贴合，所述导热金属块一端与所述半导体制冷片贴合，另一端与所述导热管连接。

优选地，所述导热管设置2-10根。

优选地，所述导热管伸入所述相变材料内的长度不小于所述导热管长度的2/3。

所述相变材料为相变蜡。

所述半导体制冷片与所述激光器接触面均匀涂有导热材料。

所述导热金属块为紫铜，所述导热金属块的表面均匀涂有导热材料。

所述导热管与所述相变材料的接触部分密封。

还包括容纳散热装置的外壳，所述外壳内侧壁设置有防水装置，所述外壳与所述导热金属块和所述密封的相变材料的外表面接触。

一种采用以上散热装置的散热方法，包括以下步骤：

（1）     所述激光器产生的热量被导热装置吸收，并通过所述导热管传递给所述相变材料；

（2）     所述相变材料吸收所述导热管传递的热量并存储起来，然后缓慢释放。

优选地，所述步骤（1）具体为：所述半导体制冷片吸收所述激光器的热量，并传递给所述导热金属块，所述导热金属块将热量吸收后再通过所述导热管传递给所述相变材料。

优选地，所述导热金属块吸收的部分热量通过与其接触的外壳直接散发到外界。

优选地，所述相变材料存储的热量通过与其接触的外壳缓慢散发到外界。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点，

（1）本发明所述的脉冲式大功率激光器的散热装置，包括与激光器贴合的导热装置，该导热装置连接有至少一个导热管，所述导热管的一端与该导热装置连接，其另一端伸入密封的相变材料内，本发明将脉冲式工作下的高功率激光器的热量通过导热装置和导热管传导给所述相变材料吸收，相变材料将脉冲式工作下的高功率激光器产生的热量暂时先储存起来，在缓慢释放，可延长激光器的稳定工作时间和减缓激光器与系统外界环境的热交换速度，避免热量快速散出影响其他器件和避免烫伤使用者。

（2）本发明所述的脉冲式大功率激光器的散热装置，所述导热装置包括半导体制冷片和导热金属块，所述半导体制冷片直接与所述激光器贴合，所述导热金属块一端与所述半导体制冷片贴合，另一端与所述导热管连接，半导体制冷片体积小导热性能好的优点使得所述激光器的热量可以迅速传递出去，降低其温度，延长脉冲式大功率激光器的工作时间。

（3）本发明所述的脉冲式大功率激光器的散热装置，所述半导体制冷片与所述激光器接触面均匀涂有导热材料，所述导热金属块的表面均匀涂有导热材料，在这些接触面上涂抹软体的导热材料可以大大增加其接触面，保证最大接触面积，提高热量传导性。

（4）本发明所述的脉冲式大功率激光器的散热装置，所述导热管与所述相变材料的接触部分密封，由于所述相变材料也是密封的，使所述相变材料将热量充分吸收，避免热量散发到周围。

（5）本发明所述的脉冲式大功率激光器的散热装置，还包括容纳散热装置的外壳，所述外壳内侧壁设置有防水装置，所述外壳与所述导热金属块和所述密封的相变材料的外表面接触，所述外壳内侧壁设置的防水装置可以使本装置在潮湿或者其他挥发性液体的工作环境下工作，使其适应更多的恶劣的工作环境。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1  是现有技术中的激光器散热系统；

图2  是本发明所述散热装置的一个实施例。

图中附图标记表示为：1-高功率激光器，2-导热硅脂，3-半导体制冷片，4-散热片，5-风扇，6-系统外壳，7-激光器，8-导热材料，9-半导体制冷片，10-导热金属块，11-导热管，12-相变材料，13-外壳。

具体实施方式

下面提供本发明所述的脉冲式大功率激光器的散热装置的具体实施方式。

实施例1

本发明所述的脉冲式大功率激光器的散热装置，如图2所示，包括与激光器7贴合的导热装置，所述导热装置在本实施例中包括半导体制冷片9和导热金属块10，所述半导体制冷片9的冷端直接与所述激光器7贴合，所述导热金属块10一端与所述半导体制冷片9的热端贴合，另一端与所述导热管11连接，本实施例中，所述导热管11伸入所述导热金属块10内部，以更好的传递热量。

本发明更适用于脉冲式大功率激光器，该导热装置连接有至少一个导热管11，所述导热管11的数量根据装置内部空间和需要设定，在本实施例中所述导热管11设置三个，所述导热管11的一端与该导热装置连接，其另一端伸入密封的相变材料12内，因为相变材料12在吸热过程中会发生形变，相变材料在发生相变过程时，是从固态变为液态，因此实际应用中采用一个密封胶将相变材料12密封起来，本实施中所述导热管11伸入所述相变材料12内的长度为所述导热管11长度的2/3。作为优选的实施方式，导管长度的2/3以上伸入相变材料内，这样可以确保导管与相变材料充分接触，使得导管上的热量尽快的被相变材料吸收。所述相变材料12优选的采用相变蜡，因为相变蜡具有较高的单位质量潜热，并且密度高，使其体积小，相变过程中体积变化小，不会对周围器材造成影响，其还具有高稳定性，不发生分解使其使用寿命较长，并且无腐蚀性、无毒、不燃、无爆炸性、价格低廉，是优选的安全可靠的吸热相变材料12。

作为其他可以变换的实施方式，所述相变材料12还可以采用烷烃、脂肪酸和液态金属等。

本发明将脉冲式工作下的高功率激光器的热量通过导热装置中的半导体制冷片9、导热金属块10和导热管11传导给所述相变蜡吸收，由于所述半导体制冷片9和导热金属块10的导热性能好，和相变蜡的吸热性能使所述激光器7工作时间延长，在炎热的夏天室外工作环境下，在未使用相变材料12仅使用风扇的激光器7散热系统中，激光器7的稳定工作时间约15分钟左右；在仅使用相变蜡的激光器7散热系统中，激光器7的工作时间约35分钟，提高了一倍以上。

相变蜡将脉冲式工作下的高功率激光器7产生的热量暂时先储存起来，再缓慢释放，可延长激光器7的稳定工作时间和减缓激光器7与系统外界环境的热交换速度，避免热量快速散出影响其他器件和避免烫伤使用者。

作为其他可以变换的实施方式，所述导热管11还可以设置2-10根。

实施例2

在实施例1所述的脉冲式大功率激光器的散热装置的基础上，所述半导体制冷片9与所述激光器7接触面均匀涂有导热材料8；所述导热金属块10在本实施例为紫铜，所述导热金属块10的表面均匀涂有导热材料8；所述导热材料8在本实施例中采用导热硅脂，软质的导热硅脂可以保证各器件之间的接触面积为最大，以提高热传导性，所述导热材料8还可以采用其他材料，如导热膏、散热膏、散热硅脂等导热材料8。 

所述导热管11与所述相变材料12的接触部分密封，所述导热管11可采用螺纹管、收缩管或多孔表面管，所述导热管11伸入所述相变材料12内部，在其入口处的接触部分进行密封可使热量被所述相变蜡更充分的吸收。

还包括容纳散热装置的外壳13，本发明所述散热装置与激光器7设置在一起，由于本散热装置体积小，可设置成手提式使用，可在所述外壳13上部加设提手等，所述外壳13内侧壁设置有防水装置，所述防水装置可为防水层，所述防水层可采用橡胶，或加设一些防水槽，使本发明可适应更恶劣的工作环境，所述外壳13与所述导热金属块10和所述密封的相变蜡的外表面接触，因此，所述导热金属块10吸收的部分热量可通过与所述外壳13的接触面散发出去，而相变蜡中存储的大部分热量将缓慢的通过与其接触的外壳13散发出去。

实施例3

一种采用以上实施例所述的脉冲式大功率激光器的散热装置的散热方法，包括以下步骤：

（1）     所述激光器7产生的热量被所述导热装置中的半导体制冷片9冷端吸收，并通过其热端传递给所述导热金属块10即紫铜，所述紫铜将热量吸收后再通过一个或多个所述导热管11传递给所述相变蜡；

（2）     所述相变蜡吸收所述导热管11传递的热量并存储起来，所述相变蜡存储的热量通过与其接触的外壳13缓慢散发到外界。

所述散热方法还包括：所述导热金属块10吸收的部分热量通过与其接触的外壳13直接散发到外界；而大部分热量被所述相变蜡吸收，并通过外壳13缓慢散发到外界，因此散热过程是个缓慢的过程，不会一下散发出大量的热，使外壳13温度不会过高，避免影响其他器件和烫伤使用者。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种脉冲式大功率激光器的散热装置，其特征在于，包括与激光器贴合的导热装置，该导热装置连接有至少一个导热管，所述导热管的一端与该导热装置连接，其另一端伸入密封的相变材料内。

2.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述导热装置包括半导体制冷片和导热金属块，所述半导体制冷片直接与所述激光器贴合，所述导热金属块一端与所述半导体制冷片贴合，另一端与所述导热管连接。

3.根据权利要求1或2所述的散热装置，其特征在于，所述导热管设置2-10根；根据权利要求1-3任一项所述的散热装置，其特征在于，所述导热管伸入所述相变材料内的长度不小于所述导热管长度的2/3。

4.根据权利要求1-4任一项所述的散热装置，其特征在于，所述相变材料为相变蜡。

5.根据权利要求1-5任一项所述的散热装置，其特征在于，所述半导体制冷片与所述激光器接触面均匀涂有导热材料；根据权利要求1-6任一项所述的散热装置，其特征在于，所述导热金属块为紫铜，所述导热金属块的表面均匀涂有导热材料。

6.根据权利要求1-7任一项所述的散热装置，其特征在于，所述导热管与所述相变材料的接触部分密封。

7.根据权利要求1-8任一项所述的散热装置，其特征在于，还包括容纳散热装置的外壳，所述外壳内侧壁设置有防水装置，所述外壳与所述导热金属块和所述密封的相变材料的外表面接触。

8.一种采用权利要求1-9任一项所述的装置的散热方法，其特征在于包括以下步骤：

所述激光器产生的热量被导热装置吸收，并通过所述导热管传递给所述相变材料；

所述相变材料吸收所述导热管传递的热量并存储起来，然后缓慢释放。

9.根据权利要求10所述的散热方法，其特征在于，所述步骤（1）具体为：所述半导体制冷片吸收所述激光器的热量，并传递给所述导热金属块，所述导热金属块将热量吸收后再通过所述导热管传递给所述相变材料。

10.根据权利要求10或11所述的散热方法，其特征在于，还包括：所述导热金属块吸收的部分热量通过与其接触的外壳直接散发到外界；根据权利要求10-12任一项所述的散热方法，其特征在于，还包括：所述相变材料存储的热量通过与其接触的外壳缓慢散发到外界。

Images