CN112636137A - 一种用于激光长条型晶体的蛇型微通道散热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于激光长条型晶体的蛇型微通道散热器，包括：激光长条型晶体和上、下两组结构相同的蛇型微通道散热器；激光长条型晶体的上下两面分别与两组蛇型微通道散热器的底部吸热面结合；蛇型微通道散热器为两层结构，包括微通道层和盖板层。流体工质在流动方向上多次与激光长条型晶体散热区域交叠，整体散热功率高。沿着激光长条型晶体宽度方向，上、下两组蛇型微通道散热器内流体工质的流动方向为互逆流式；沿着激光长条型晶体长度方向，上、下两组蛇型微通道散热器内流体工质的流动方向可为同向顺流式或相向逆流式，显著提升了长条型晶体内的温度均匀性。

Description

一种用于激光长条型晶体的蛇型微通道散热器

技术领域

本发明属于激光应用技术领域，尤其涉及一种用于激光长条型晶体的蛇型微通道散热器。

背景技术

在固体激光器中，常使用长条型的晶体作为增益介质。泵浦光斑入射至晶体的窄边端面上，泵浦光通过晶体时在晶体内产生大量热量。由于晶体对泵浦光的吸收一般呈指数的衰减。因此，晶体内呈现较高的局部热流密度，同时沿通光方向上有很大的温度梯度分布。即使采用双端泵浦的方式，晶体内部温度依然在两端较高、中间较低，呈现抛物线形分布状态。

晶体热效应是制约激光器功率和光束质量的关键因素。随着激光器功率升级晶体的热效应加剧，进而导致激光器的输出激光功率下降以及输出激光的光束质量恶化，更甚至温度梯度引起的热应力过大时，常常导致晶体的断裂、造成不可逆损坏。因此，激光器系统可靠工作，需要合理高效的散热器作为支撑，尤其针对这种长条型晶体，需要同时考虑晶体局部高热流密度和温度的显著不均匀性特征。实现高效传热的同时，最大程度减小表面温度的差异性。

此外，激光晶体散热器对整体结构布置有特殊要求。一般对于大功率长条激光器而言，泵浦光源为半导体激光器叠阵，经过透镜整形后，汇聚入射到晶体端面上。如果通光方向的散热器尺寸过大，大大超过晶体本身的宽度，就会直接遮挡了部分泵浦光。同时，考虑到谐振腔腔镜的放置，镜片之间给予晶体散热器布置的空间非常有限，散热器设计要充分考虑空间条件。

综上，激光器长条型晶体的散热器要同时满足高功率热流密度要求、单端泵浦和双端泵浦不同的温度分布形式、表面温度均匀性需求、整体空间的限制等。而现有的散热器结构，尚不能同时满足这些条件。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种用于激光长条型晶体的蛇型微通道散热器，以满足长条型晶体的高功率散热要求。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种用于激光长条型晶体的蛇型微通道散热器，包括：激光长条型晶体、上蛇型微通道散热器和下蛇型微通道散热器；

上蛇型微通道散热器和下蛇型微通道散热器为结构相同的微通道散热器；

激光长条型晶体的上下散热面分别与上蛇型微通道散热器和下蛇型微通道散热器的底部吸热面结合。

在上述用于激光长条型晶体的蛇型微通道散热器中，微通道散热器为两层结构，包括：微通道层和盖板层；

微通道层底面为吸热面，与激光长条型晶体结合；

微通道层内部设有多路蛇型微通道结构；

盖板层与微通道层紧密配合；

盖板层内开设有进口集箱和出口集箱，进口集箱和出口集箱经通道延伸形成工质进口和工质出口。

在上述用于激光长条型晶体的蛇型微通道散热器中，微通道层内通有流体工质，微通道层内的流体工质沿着激光长条型晶体宽度方向流动。

在上述用于激光长条型晶体的蛇型微通道散热器中，

蛇型微通道结构截面长宽比为1:1～1:30；

在激光长条型晶体的宽度方向：蛇型微通道结构的长度为激光长条型晶体宽度的1～5倍；

在激光长条型晶体的长度方向上：蛇型微通道结构的长度与激光长条型晶体宽度相同。

在上述用于激光长条型晶体的蛇型微通道散热器中，工质进口和工质出口根据蛇型微通道结构的转弯数量，设置在激光长条型晶体同侧或异侧。

在上述用于激光长条型晶体的蛇型微通道散热器中，工质进口和工质出口根据整体结构布置要求，设置在盖板层的前后两面或左右两面。

在上述用于激光长条型晶体的蛇型微通道散热器中，工质进口和工质出口设置在盖板层的凸缘上，以减少盖板层的整体重量。

在上述用于激光长条型晶体的蛇型微通道散热器中，微通道层和微通道层之间的配合接触面为平整面，微通道层和微通道层的层间采用焊料熔焊密封的方式，或采用胶连密封的方式，形成一体化结构。

在上述用于激光长条型晶体的蛇型微通道散热器中，微通道层和盖板层之间的配合接触面上设置有一子母槽，用于两层之间的定位、焊接和密封；其中，子槽设置在微通道层上，母槽设置在盖板层上；或母槽设置在微通道层上，子槽设置在盖板层上。

在上述用于激光长条型晶体的蛇型微通道散热器中，上蛇型微通道散热器和下蛇型微通道散热器内通有流体工质；

在激光长条型晶体的宽度方向：上蛇型微通道散热器内的流体工质与下蛇型微通道散热器内的流体工质在激光长条型晶体的宽度方向的流动方向为相向逆流式；

在激光长条型晶体的长度方向：根据激光长条型晶体的不同工作方式，上蛇型微通道散热器内的流体工质与下蛇型微通道散热器内的流体工质在激光长条型晶体的长度方向的流动方向为同向顺流式或相向逆流式。

本发明具有以下优点：

(1)本发明公开了一种用于激光长条型晶体的蛇型微通道散热器，采用上、下两组结构相同的蛇型微通道散热器，为激光长条型晶体两侧散热。单侧蛇型微通道散热器内部设置有蛇型微通道结构，流体工质经过微通道传热强化，具有较高的携热能力。根据散热量要求，可选取、调整流体属性和流动工作参数，实现微通道内工质单相流动或两相流动，满足长条型晶体的高功率散热要求。

(2)本发明公开了一种用于激光长条型晶体的蛇型微通道散热器，上、下两组蛇型微通道散热器采用蛇型微通道设计，使得流体工质在流动方向上多次与激光长条型晶体散热区域交叠，在激光长条型晶体宽度方向上蛇型微通道长度尺寸扩展为晶体宽度的数倍，微通道层底座为金属结构，能够使激光长条型晶体产生的热量快速扩散，并让流体工质可最大限度地带走区域内热量。蛇型微通道结构中，对于每一条通道，其转弯数量和总流通长度相等，多路微通道流动阻力相当，流动差异性小。

(3)本发明公开了一种用于激光长条型晶体的蛇型微通道散热器，在激光长条型晶体宽度方向上，上、下两组蛇型微通道散热器内流体工质的流动方向为互逆流式，从而有效减弱了激光长条型晶体宽度方向上的温度梯度。同时，该用于激光长条型晶体的蛇型微通道散热器可满足激光晶体单端泵浦和双端泵浦两种不同工作方式下的高热流密度散热。激光晶体单端泵浦时，沿着激光长条型晶体通光方向热流密度降低、并有显著的温度梯度，此时沿着激光长条型晶体长度方向，流体工质从同向进入上、下两组蛇型微通道散热器内，形成顺流式传热形态，能够在入口段大量吸热，减弱激光长条型晶体在长度方向上的温度梯度。激光晶体双端泵浦时，沿着通光方向激光长条型晶体两端温度均较高、中间温度较低，形成抛物线形热流分布，此时沿着激光长条型晶体长度方向，流体工质从异侧进入上、下两组蛇型微通道散热器内，形成互逆流式传热形态，在两端入口段大量吸热，减弱激光长条型晶体在长度方向上的温度梯度。

(4)本发明公开了一种用于激光长条型晶体的蛇型微通道散热器，其尺寸在激光长条型晶体长度方向上与激光长条型晶体宽度基本相当，满足谐振腔腔镜等其他组件布置形成的固定、狭窄空间限制要求。此外，本发明中工质进口和工质出口设置于盖板层上的凸缘上，大大减少盖板层的整体重量。微通道层和盖板层之间密封，形成一体化结构。具有紧凑化、小型化等优点，满足地面及空间环境下的应用需求。

附图说明

图1是本发明实施例中一种用于激光长条型晶体的蛇型微通道散热器的结构主视图；

图2是本发明实施例中一种用于激光长条型晶体的蛇型微通道散热器的结构侧视图；

图3是本发明实施例中一种单侧微通道散热器的层间结构示意图；

图4是本发明实施例中一种激光单端泵浦条件下激光长条型晶体的蛇型微通道散热器的工作方式示意图；

图5是本发明实施例中一种激光双端泵浦条件下激光长条型晶体的蛇型微通道散热器的工作方式示意图；

图6是本发明实施例中一种微通道层的结构主视图和俯视图

图7是本发明实施例中一种盖板层的结构主视图和仰视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。

本发明的核心思想之一在于：提供一种激光长条型晶体的蛇型微通道散热器，包括：激光长条型晶体和上、下两组结构相同的蛇型微通道散热器，激光长条型晶体的上下两面分别与两组蛇型微通道散热器的底部吸热面结合；蛇型微通道散热器为两层结构，包括微通道层和盖板层；微通道层内部设有多路蛇型微通道结构；盖板层内开设有进口集箱和出口集箱，分别为微通道层提供工质的进出口。微通道层和盖板层层间通过熔焊，形成一体化结构，流体工质在流动方向上多次与激光长条型晶体散热区域交叠，整体散热功率高。沿着激光长条型晶体宽度方向，上、下两组蛇型微通道散热器内流体工质的流动方向为互逆流式；沿着激光长条型晶体长度方向，依据激光长条型晶体单端泵浦或双端泵浦方式，上、下两组蛇型微通道散热器内流体工质的流动方向可为同向顺流式或相向逆流式，显著提升了激光长条型晶体内的温度均匀性。

如图1和图2，在本实施例中，该用于激光长条型晶体的蛇型微通道散热器，包括：激光长条型晶体1、上蛇型微通道散热器21和下蛇型微通道散热器22。其中，上蛇型微通道散热器21和下蛇型微通道散热器22为结构相同的微通道散热器；激光长条型晶体1的上下散热面分别与上蛇型微通道散热器21和下蛇型微通道散热器22的底部吸热面结合。

优选的，微通道散热器为两层结构，具体可以包括：微通道层3和盖板层4。其中，微通道层3底面为吸热面，与激光长条型晶体1结合，微通道层3内部设有多路蛇型微通道结构5。盖板层4与微通道层3紧密配合，盖板层4内开设有进口集箱6和出口集箱7，进口集箱6和出口集箱7经通道延伸形成工质进口8和工质出口9。

在本实施例中，微通道层3内通有流体工质，微通道层3内的流体工质沿着激光长条型晶体1宽度方向流动。例如，对于单侧微通道散热器：在单侧微通道散热器内，流体工质从工质进口8经延伸通道进入进口集箱6内，流体工质在进口集箱6内，垂直分配到蛇型微通道结构5的各通道内，流体工质沿着蛇型微通道结构5流动、发展，同时带走单侧微通道散热器底部的热量，流体工质从蛇型微通道结构5流出后汇入出口集箱7，经延伸通道从工质出口9流出。

在本实施例中，蛇型微通道结构5可为微通道或常规尺寸小通道形式。例如，蛇型微通道结构5可为矩形微通道，截面长宽比可以为1:1～1:30。蛇型微通道结构5也可为梯形、三角形、圆弧形等异形结构微通道，截面等效长宽比可以为1:1～1:30。在激光长条型晶体1的宽度方向：蛇型微通道结构5的走向相同(平行直线、曲线或折线)，间距为均匀或非均匀布置，其长度可以为激光长条型晶体1宽度的1～5倍。在激光长条型晶体1的长度方向上：蛇型微通道结构5的长度与激光长条型晶体1宽度相同。

在本实施例中，流体工质在该用于激光长条型晶体的蛇型微通道散热器的流动方向主要有如下几种：

a、在激光长条型晶体1的宽度方向：上蛇型微通道散热器21内的流体工质与下蛇型微通道散热器22内的流体工质在激光长条型晶体1的宽度方向的流动方向为相向逆流式。

b、在激光长条型晶体1的长度方向：根据激光长条型晶体1的不同工作方式，上蛇型微通道散热器21内的流体工质与下蛇型微通道散热器22内的流体工质在激光长条型晶体1的长度方向的流动方向为同向顺流式或相向逆流式。

在本实施例中，如图3，工质进口8和工质出口9可以根据蛇型微通道结构5的转弯数量，设置在激光长条型晶体1同侧或异侧。同时，工质进口8和工质出口9可以根据整体结构布置要求，设置在盖板层4的前后两面或左右两面。

可见，本发明以流体工质流过蛇形微通道结构为强化换热方式，激光长条型晶体产生的热量由蛇型微通道结构及扩展底面吸收后，由流体工质带走。蛇形通道的设计，使得流体工质在流动方向上多次与激光长条型晶体散热区域交叠，具有较高的传热效率和带热能力，流体工质在每一激光长条型晶体内流动长度一致，流动差异性小。上、下两组蛇型微通道散热器内流体工质沿着激光长条型晶体宽度方向为相向逆流式，使得激光长条型晶体宽度上的热扩展具有较好的温度均匀性。

在本实施例中，如前所述，根据激光长条型晶体1的不同工作方式，上蛇型微通道散热器21内的流体工质与下蛇型微通道散热器22内的流体工质在激光长条型晶体1的长度方向的流动方向为同向顺流式或相向逆流式。

优选的，如图4所示，激光长条型晶体单端泵浦时，沿着激光长条型晶体1的通光方向热流密度降低、并有显著的温度梯度，此时沿着激光长条型晶体1长度方向，流体工质从同向进入上、下两组蛇型微通道散热器内，形成顺流式传热形态，能够在入口段大量吸热，减弱激光长条型晶体1在长度方向上的温度梯度。

优选的，如图5所示，激光长条型晶体双端泵浦时，沿着通光方向激光长条型晶体1两端温度均较高、中间温度较低，形成抛物线形热流分布，此时沿着激光长条型晶体1长度方向，流体工质从异侧进入上、下两组蛇型微通道散热器内，形成互逆流式传热形态，在激光长条型晶体1两端入口段大量吸热，减弱激光长条型晶体1在长度方向上的温度梯度。

可见，本发明可以满足激光长条型晶体不同的泵浦工作方式，有效减弱激光长条型晶体在长度方向上的温度梯度，降低激光长条型晶体由于温度梯度引起的断裂风险。

在本实施例中，如图6和图7，工质进口8和工质出口9可以设置在盖板层4的凸缘10上，以减少盖板层4的整体重量。

在本实施例中，微通道层3和微通道层3之间的配合接触面为平整面，微通道层3和微通道层3的层间可以采用焊料熔焊密封的方式，或采用胶连密封的方式，形成一体化结构，层间传热效果好，整体散热功率高。

在本实施例中，微通道层3和盖板层4之间的配合接触面上可以设置一子母槽，子母槽可以用于两层之间的定位、焊接和密封等。其中，子槽11设置在微通道层3上，母槽12设置在盖板层4上；或母槽12设置在微通道层3上，子槽11设置在盖板层4上。

综上所述，本发明公开了一种用于激光长条型晶体的蛇型微通道散热器，采用上、下两组结构相同的蛇形微通道散热器结构，为激光长条型晶体两侧散热。蛇形微通道结构内通有工质流体，在激光长条型晶体通光方向上，流体工质多次与激光长条型晶体散热区域交叠，最大限度地吸收激光长条型晶体区域内散热及底座导热的扩散热量。沿着激光长条型晶体宽度方向，上、下两组散热器内的工质流动方向为互逆式，使得激光长条型晶体宽度上的热扩展具有较好的温度均匀性。按照激光长条型晶体不同的泵浦方式，在通光方向上，上、下两组蛇型微通道散热器内流体工质的流动方向可设为同向顺流式或相向逆流式，有效减弱激光长条型晶体在长度方向上的温度梯度和断裂风险。散热器两层间通过焊料熔焊密封或胶连密封的方式，形成一体化结构。工质进口和工质出口设置于盖板层的凸缘结构上，有效减少了装配重量。装置的整体宽度与激光长条型晶体宽度相当，满足在激光长条型晶体通光方向上的结构限制，具有紧凑化、小型化特征，整体实现了受限空间内激光长条型晶体的高功率散热。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种用于激光长条型晶体的蛇型微通道散热器，其特征在于，包括：激光长条型晶体(1)、上蛇型微通道散热器(21)和下蛇型微通道散热器(22)；

上蛇型微通道散热器(21)和下蛇型微通道散热器(22)为结构相同的微通道散热器；

激光长条型晶体(1)的上下散热面分别与上蛇型微通道散热器(21)和下蛇型微通道散热器(22)的底部吸热面结合。

2.根据权利要求1所述的用于激光长条型晶体的蛇型微通道散热器，其特征在于，微通道散热器为两层结构，包括：微通道层(3)和盖板层(4)；

微通道层(3)底面为吸热面，与激光长条型晶体(1)结合；

微通道层(3)内部设有多路蛇型微通道结构(5)；

盖板层(4)与微通道层(3)紧密配合；

盖板层(4)内开设有进口集箱(6)和出口集箱(7)，进口集箱(6)和出口集箱(7)经通道延伸形成工质进口(8)和工质出口(9)。

3.根据权利要求2所述的用于激光长条型晶体的蛇型微通道散热器，其特征在于，微通道层(3)内通有流体工质，微通道层(3)内的流体工质沿着激光长条型晶体(1)宽度方向流动。

4.根据权利要求2所述的用于激光长条型晶体的蛇型微通道散热器，其特征在于，

蛇型微通道结构(5)截面长宽比为1:1～1:30；

在激光长条型晶体(1)的宽度方向：蛇型微通道结构(5)的长度为激光长条型晶体(1)宽度的1～5倍；

在激光长条型晶体(1)的长度方向上：蛇型微通道结构(5)的长度与激光长条型晶体(1)宽度相同。

5.根据权利要求2所述的用于激光长条型晶体的蛇型微通道散热器，其特征在于，工质进口(8)和工质出口(9)根据蛇型微通道结构(5)的转弯数量，设置在激光长条型晶体(1)同侧或异侧。

6.根据权利要求2所述的用于激光长条型晶体的蛇型微通道散热器，其特征在于，工质进口(8)和工质出口(9)根据整体结构布置要求，设置在盖板层(4)的前后两面或左右两面。

7.根据权利要求2所述的用于激光长条型晶体的蛇型微通道散热器，其特征在于，工质进口(8)和工质出口(9)设置在盖板层(4)的凸缘(10)上，以减少盖板层(4)的整体重量。

8.根据权利要求2所述的用于激光长条型晶体的蛇型微通道散热器，其特征在于，微通道层(3)和微通道层(3)之间的配合接触面为平整面，微通道层(3)和微通道层(3)的层间采用焊料熔焊密封的方式，或采用胶连密封的方式，形成一体化结构。

9.根据权利要求2所述的用于激光长条型晶体的蛇型微通道散热器，其特征在于，微通道层(3)和盖板层(4)之间的配合接触面上设置有一子母槽，用于两层之间的定位、焊接和密封；其中，子槽(11)设置在微通道层(3)上，母槽(12)设置在盖板层(4)上；或母槽(12)设置在微通道层(3)上，子槽(11)设置在盖板层(4)上。

10.根据权利要求1所述的用于激光长条型晶体的蛇型微通道散热器，其特征在于，上蛇型微通道散热器(21)和下蛇型微通道散热器(22)内通有流体工质；

在激光长条型晶体(1)的宽度方向：上蛇型微通道散热器(21)内的流体工质与下蛇型微通道散热器(22)内的流体工质在激光长条型晶体(1)的宽度方向的流动方向为相向逆流式；

在激光长条型晶体(1)的长度方向：根据激光长条型晶体(1)的不同工作方式，上蛇型微通道散热器(21)内的流体工质与下蛇型微通道散热器(22)内的流体工质在激光长条型晶体(1)的长度方向的流动方向为同向顺流式或相向逆流式。

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