CN113054527A - 一种高功率半导体激光器的散热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高功率半导体激光器的散热装置，包括：相对安装的上层水冷板和下层水冷板；上层水冷板上安装有多个半导体激光器；上层水冷板与下层水冷板的接触面处设有封闭的流体通道，流体通道根据多个半导体激光器的位置曲线布设，流体通道在高水压区域设置湍流缓冲仓，高水压区域包括进水口区域以及拐角处；下层水冷板上设有进液口和出液口，进液口与流体通道的一端相连，出液口与流体通道的另一端相连。本发明可实现对多个高功率半导体激光器的均匀散热，避免水冷板受冷却液冲击产生形变，降低流体通道内气泡的生成；从而保证激光器光学系统稳定性、提高散热效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，具体涉及一种高功率半导体激光器的散热装置，可实现对多个高功率半导体激光器的同时散热。
背景技术
半导体激光器从最初需要在液氮制冷下运转发展到可在室温下连续工作，输出功率也由几毫瓦提高到几千瓦。半导体激光器的工作物质为半导体材料，工作原理为由电能转换成光能。对于高功率半导体激光器件来说，其电光转换效率一般在50％～60％，其余的电能会产生热量，从而使半导体芯片的温度急速上升。若半导体激光器所产生的热量不能及时排出，将导致PN结温度显著升高，进而导致半导体激光器的阈值电流变高，量子效率显著下降，器件的电光转换效率降低，从而产生更多的热量。此外，结温升高会导致激光器的输出波长发生红移现象，过多的热量堆积还会导致激光器损坏；因此，针对高功率半导体激光器，需配置对应的散热装置对其进行散热。
目前最常用的散热器有三类：循环水冷散热、风冷散热和半导体制冷器散热，对于较大功率的半导体激光器较好的散热方式是采用循环水冷散热。循环水冷散热主要采用水冷板对半导体激光器进行散热，但在实际应用中，水冷板在对半导体激光器散热时往往会出现一些影响系统稳定性的问题。
首先，存在散热不均匀的问题，当半导体激光器散热不均匀时会导致芯片的有源区产生热应力，出现“smile”效应，影响激光器输出光束的质量。
其次，冷却液在流体通道中流动时会对水冷板产生冲击力，导致水冷板产生形变，影响光学器件工作性能，增加了激光光束整形、耦合、准直等技术的难度。
最后，冷却液在复杂的流体通道中流动时在各处所受到的压力不均匀，如流道转弯处、进水口等，会导致冷却液出现湍流空洞现象，产生大量气泡；流体通道内的气泡不仅会降低冷却液和水冷板的热传导效率，还会产生气泡腐蚀现象，降低上下层水冷板的密封可靠性。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种高功率半导体激光器的散热装置，其可以保证激光器光学系统稳定性、提高散热效率，也可实现对多个高功率半导体激光器的同时散热。
本发明公开了一种高功率半导体激光器的散热装置，包括：相对安装的上层水冷板和下层水冷板；
所述上层水冷板上安装有多个半导体激光器；
所述上层水冷板与下层水冷板的接触面处设有封闭的流体通道，所述流体通道根据多个所述半导体激光器的位置曲线布设，所述流体通道在高水压区域设置湍流缓冲仓，所述高水压区域包括进水口区域以及拐角处；
所述下层水冷板上设有进液口和出液口，所述进液口与所述流体通道的一端相连，所述出液口与所述流体通道的另一端相连。
作为本发明的进一步改进，所述上层水冷板与下层水冷板为铝合金板，在所述上层水冷板与下层水冷板的相对位置设有水冷板密封螺纹孔且通过螺钉连接固定。
作为本发明的进一步改进，所述上层水冷板设有安装平台，所述安装平台上设有半导体激光器安装螺纹孔，通过螺钉将所述半导体激光器安装在所述安装平台上。
作为本发明的进一步改进，所述半导体激光器与所述安装平台之间设有导热铟片。
作为本发明的进一步改进，基于所述安装平台的不同高度保证所有所述半导体激光器距冷却液的距离一致。
作为本发明的进一步改进，所述冷却液包括纯净水、去离子水和蒸馏水中的一种。
作为本发明的进一步改进，所述流体通道设置在所述上层水冷板的底面，所述下层水冷板的顶面跟随所述流体通道的形状设有密封圈安装槽，所述密封圈安装槽内设有密封圈。
作为本发明的进一步改进，所述流体通道经过所有所述半导体激光器的中心位置，所述湍流缓冲仓设置在进水口处和弯度小于预设阈值的拐角处，基于所述湍流缓冲仓使所述流体通道中每点的水流压力控制在预设的阈值范围内。
作为本发明的进一步改进，所述流体通道的深度与宽度比例为2:1～3:2，所述湍流缓冲仓的深度大于所述流体通道的深度2～3mm，所述湍流缓冲仓与所述流体通道的过渡坡道的坡度不大于30°。
作为本发明的进一步改进，所述流体通道上线形排列或交错排列有扰流翅片，所述扰流翅片包括条形扰流翅片、圆柱形扰流翅片中的至少一种。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明可实现对多个高功率半导体激光器的均匀散热，避免水冷板受冷却液冲击产生形变，降低流体通道内气泡的生成；从而保证激光器光学系统稳定性、提高散热效率。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的高功率半导体激光器的散热装置的立体图；
图2为图1的分解图；
图3为图1中下层水冷板的俯视图；
图4为图1中上层水冷板的底视图；
图5为本发明一种实施例公开的在流体通道设置扰流翅片的结构示意图；其中，a为设置条形扰流翅片，b为设置圆柱形扰流翅片。
图中：
1、半导体激光器；2、上层水冷板；3、下层水冷板；4、密封圈安装槽；5、进液口；6、出液口；7、流体通道；8、第一湍流缓冲仓；9、第二湍流缓冲仓；10、条形扰流翅片；11、圆柱形扰流翅片；12、安装平台；13、水冷板密封螺纹孔；14、半导体激光器安装螺纹孔。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
如图1～5所示，本发明提供一种高功率半导体激光器的散热装置，包括：相对安装的上层水冷板2和下层水冷板3；上层水冷板2上安装有多个半导体激光器1；上层水冷板2与下层水冷板3的接触面处设有封闭的流体通道7，流体通道7根据多个半导体激光器1的位置曲线布设，流体通道7在高水压区域设置湍流缓冲仓(如图4所示的第一湍流缓冲仓8和第二湍流缓冲仓9)，高水压区域包括进水口区域以及拐角处；下层水冷板3上设有进液口5和出液口6，进液口5与流体通道7的一端相连，出液口6与流体通道7的另一端相连。基于上述结构，本发明可实现对多个高功率半导体激光器的均匀散热，避免水冷板受冷却液冲击产生形变，降低流体通道内气泡的生成；从而保证激光器光学系统稳定性、提高散热效率。
具体的：
如图2所示，本发明的上层水冷板2优选为导热性能好的铝合金板，在上层水冷板2的顶部设有相同高度或不同高度的安装平台12；在安装平台12上钻设半导体激光器安装螺纹孔14，半导体激光器1通过螺钉安装在对应的安装平台12上。进一步，在安装半导体激光器1的过程中，本发明可在半导体激光器1与安装平台12之间垫设有导热铟片，其可以将半导体激光器1产出热量快速导入上层水冷板2中，提高散热效率。进一步，由于上层水冷板2的底部设有不同深度的流体通道7或湍流缓冲仓，为了保证所有半导体激光器1散热均匀，本申请通过设置不同高度的安装平台12，即底部对应有湍流缓冲仓的安装平台的高度高于底部对应有流体通道7的安装平台的高度，基于安装平台12的不同高度保证所有半导体激光器1距冷却液的距离一致；同时，还可在保证散热能力的前提下，确保半导体激光器输出光束的质量不受冷却液冲击所产生的应力影响。更进一步，本发明的冷却液可以是纯净水，去离子水，蒸馏水，添加防腐剂或防冻剂的水等。
如图4所示，本发明在上层水冷板2的底部根据多个半导体激光器1的位置走向设有蛇形的流体通道7，以保证流体通道7可经过所有半导体激光器1的中心位置，且每个半导体激光器1对应的流体通道7的散热面积一致，确保可以实现均匀散热；并且加大了流体通道7转弯处角度，防止冷却液在转弯形成湍流旋涡，避免流体通道内产生气泡。例如，如图1、2所示的在上层水冷板2的顶部安装有4个半导体激光器1，本发明布设的流体通道7如图4所示。为了保证流体通道7的水流压力一致，本发明在流体通道7内冷却液压力较大区域加工有湍流缓冲仓，优选为在流体通道7的进水口处和弯度小于预设阈值的拐角处加工有湍流缓冲仓且全部采用大弧度加工；基于湍流缓冲仓使流体通道中每点的水流压力控制在预设的阈值范围内。例如，本发明在流体通道7的进水口处设有第二湍流缓冲仓9，在较小弯度的拐角处设有第一湍流缓冲仓8，本发明通过设置第一湍流缓冲仓8和第二湍流缓冲仓9，可以有效降低冷却液对流体通道7的冲击，解决上层水冷板2受应力形变的问题，同时还可以消除湍流空洞的产生，进而消除空泡腐蚀现象。进一步，本发明的流体通道7的深度与宽度比例为2:1～3:2，湍流缓冲仓(第一湍流缓冲仓8或第二湍流缓冲仓9)的深度大于流体通道的深度2～3mm，湍流缓冲仓与流体通道的过渡坡道的坡度不大于30°。
如图5所示，本发明在流体通道7上安装线形排列或交错排列的条形扰流翅片10和/或圆柱形扰流翅片11，如图5中a所示的条形扰流翅片10，如图5中b所示的圆柱形扰流翅片11；优选为扰流翅片为交错排列，使冷却液在流体通道7内进行扰流运动；增大了冷却液和上层水冷板2的接触面积，使冷却液可以更快地带走热量，同时也降低了冷却液对上层水冷板的冲击力。
本发明上层水冷板2的加工方法包括：
1)、选择铝合金板，并将其切割成预设的形状；
2)、根据铝合金板顶部所需安装半导体激光器1的位置，在铝合金板内部规划出不规则曲线的流体通道7的走向，并加工出大纵深比的流体通道7；其走向的布设需保证：经过所有半导体激光器1的中心位置，且每个半导体激光器1对应的流体通道7的散热面积一致；
3)、在流体通道7较大水压的位置处加工出湍流缓冲仓；即，在流体通道7的进水一端加工有第二湍流缓冲仓9，在冷却液流动弯度较小处加工有第一湍流缓冲仓8；湍流缓冲仓加工位置的选择方法为：测量流体通道7中每一段的水压，若某段的水压高于预设值，则在该段增设湍流缓冲仓；例如，如图4所示，本发明在流体通道7的水压较大的进水口处设有第二湍流缓冲仓9，在水压较大的较小弯度拐角处设有第一湍流缓冲仓8，从而使流体通道7内的水压趋于一致；
4)、根据实际需求，在流体通道7上安装线形排列或交错排列的条形扰流翅片10和/或圆柱形扰流翅片11；
4)、在铝合金板的顶部加工有不同高度的安装平台12，用于安装半导体激光器1。
如图1～3所示，本发明的下层水冷板3优选为导热性能好的铝合金板，首先采用精密加工的方式在上层水冷板2的进液处和出液处所对应的位置加工出进液口5和出液口6，已备安装冷却液进液接头和出液接头。上层水冷板2与下层水冷板3的相对位置设有水冷板密封螺纹孔13；如图2、3所示，本发明在下层水冷板3的顶面跟随流体通道7的形状设有密封圈安装槽4，密封圈安装槽内设有密封圈。上层水冷板2和下层水冷板3通过螺钉和安装在密封圈安装槽4中的密封圈进行紧固密封，实现双层密封；进一步，所用密封圈可为矩形，圆形，星形等。
进一步，本发明的密封圈安装槽4位置处于流体通道7对应的位置、进液口5和出液口6的外侧，确保上层水冷板2和下层水冷板3可以严格密封。密封圈安装在下层水冷板3上跟随流体通道7形状变化的密封圈安装槽4中，密封方式易于拆卸，便于流体通道7的定期清理和维护。
本发明的使用方法为：
冷却液首先从下层水冷板3的进液口5进入上层水冷板2，然后冷却液流经的流体通道7，依次带走各个半导体激光器热源1上传递下来的热量，最后，冷却液的热流体从下层水冷板的出液口6流出，完成对半导体激光器散热。
本发明的优点为：
1、本发明的水冷板的流体通道采用蛇形走向，冷却液流过了所有热源位置，有利于解决散热不均匀问题，同时可以分散冷却液对上层水冷板的冲击，避免上层水冷板受冲击力产生形变的问题；
2、本发明上层水冷板的流体通道在进液口处和弯度较小处加工有湍流缓冲仓，进一步避免水冷板在冷却液冲击作用下产生形变，此外，还可以消除湍流空洞现象，避免流体通道内产生气泡，消除了气泡腐蚀现象的影响，有利于增加水冷散热系统的稳定性；
3、本发明的上层水冷板上流体通道内可依据实际需求添加扰流柱，用于增大冷却液和上层水冷板的接触面积，同时降低冷却液对上层水冷板的冲击力，使水冷板具备更好的散热能力和更高的稳定性；
4、本发明的水冷板采用上下分层加工方式，在保证系统可靠性的同时降低了加工难度。上层水冷板和下层水冷板通过密封圈和螺钉的方式进行密封连接，且密封槽位于下层水冷板上，拆卸后不影响上层光学系统稳定性，便于定期进行清理维护。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高功率半导体激光器的散热装置，其特征在于，包括：相对安装的上层水冷板和下层水冷板；
所述上层水冷板上安装有多个半导体激光器；
所述上层水冷板与下层水冷板的接触面处设有封闭的流体通道，所述流体通道根据多个所述半导体激光器的位置曲线布设，所述流体通道在高水压区域设置湍流缓冲仓，所述高水压区域包括进水口区域以及拐角处；
所述下层水冷板上设有进液口和出液口，所述进液口与所述流体通道的一端相连，所述出液口与所述流体通道的另一端相连。
2.如权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述上层水冷板与下层水冷板为铝合金板，在所述上层水冷板与下层水冷板的相对位置设有水冷板密封螺纹孔且通过螺钉连接固定。
3.如权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述上层水冷板设有安装平台，所述安装平台上设有半导体激光器安装螺纹孔，通过螺钉将所述半导体激光器安装在所述安装平台上。
4.如权利要求3所述的散热装置，其特征在于，所述半导体激光器与所述安装平台之间设有导热铟片。
5.如权利要求3所述的散热装置，其特征在于，基于所述安装平台的不同高度保证所有所述半导体激光器距冷却液的距离一致。
6.如权利要求5所述的散热装置，其特征在于，所述冷却液包括纯净水、去离子水和蒸馏水中的一种。
7.如权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述流体通道设置在所述上层水冷板的底面，所述下层水冷板的顶面跟随所述流体通道的形状设有密封圈安装槽，所述密封圈安装槽内设有密封圈。
8.如权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述流体通道经过所有所述半导体激光器的中心位置，所述湍流缓冲仓设置在进水口处和弯度小于预设阈值的拐角处，基于所述湍流缓冲仓使所述流体通道中每点的水流压力控制在预设的阈值范围内。
9.如权利要求1或8所述的散热装置，其特征在于，所述流体通道的深度与宽度比例为2:1～3:2，所述湍流缓冲仓的深度大于所述流体通道的深度2～3mm，所述湍流缓冲仓与所述流体通道的过渡坡道的坡度不大于30°。
10.如权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述流体通道上线形排列或交错排列有扰流翅片，所述扰流翅片包括条形扰流翅片、圆柱形扰流翅片中的至少一种。
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