CN115189221A - 一种用于高功率半导体激光器的环路热管散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于高功率半导体激光器的环路热管散热装置，涉及半导体激光器领域。该散热装置包括热电制冷器、环路热管、散热翅片和冷却风扇。其中，热电制冷器的冷端与半导体激光芯片连接，热端与环路热管蒸发器连接，热量从芯片产生后被传导至环路热管的蒸发器，通过其中工质的相变传热和循环流动过程传至冷凝端，经安装在冷凝管线外的散热翅片导出，最终在其表面通过冷却风扇驱动的对流过程散出。本发明可有效控制半导体激光芯片温度，减小芯片内部由温度分布产生的热应力。相比现有的液冷散热方案，本发明提出的环路热管散热装置减小了散热系统的体积，降低了其制造和运行成本，并使其可以在多角度和失重条件下正常工作。

Description

一种用于高功率半导体激光器的环路热管散热装置

技术领域

本发明涉及半导体激光器散热的技术领域，具体涉及一种用于高功率半导体激光器的环路热管散热装置。

背景技术

半导体激光器有着光电转换效率高、体积小、易集成、波长广、易调制和电流阈值小、使用寿命长等优势，目前已广泛应用于材料加工、医疗、军事和通信等领域。为获得强度更高的激光，激光器的功率也随之不断增大。然而高功率半导体激光器在工作时，其芯片内部会生成大量的废热。虽然半导体激光器具有很高的光电转换效率，但废热的量仍占据了总输入功率的35％以上，芯片内部热流密度可高达1000W/cm2。如果不能对芯片进行有效的散热，将使其温度升高，从而导致其光输出功率下降，并使中心波长发生温漂，且长时间在此状态下工作将加快折损，缩短其使用寿命。因此，要在提高半导体激光器功率的同时实现高能量转换率，提升光束质量并拥有良好光谱特性，则必须对芯片进行高效的散热。

面向半导体激光器的散热方案需要能够对芯片产生的高热流密度进行有效散热，同时保持芯片内部温度分布均匀，减小芯片内部热应力的产生。目前常采用通道液冷方案对高功率半导体激光器进行散热。该方案在热沉内部加工出流道，泵入循环冷却介质对芯片进行散热。该方案散热能力强，均温性好，然而由于存在额外的液冷系统，整套系统结构复杂，体积和质量庞大，且需要额外的功率输入以维持液体循环，不利于激光器的小型化和轻量化发展。此外通道液冷方案不能保证激光器在多角度和失重状态下仍能良好工作，限制了高功率激光器的使用场景。

发明内容

为此，针对上述通道液冷方案存在的结构复杂、体积和质量庞大、需要额外功率输入以及不能在多角度和失重状态下正常工作的缺陷，本发明提出了一种用于高功率半导体激光器的环路热管散热装置。

本发明采用如下技术方案：

一种高功率半导体激光器的散热装置，包括：半导体激光芯片、热电制冷器、环路热管、散热翅片和冷却风扇。其中，所述半导体激光芯片设置于热电致冷器的冷端，所述热电制冷器的热端与环路热管蒸发器的有效区域相接触，所述热管的冷凝管线上安装有散热翅片，在所述散热翅片的一侧设有两个并排的冷却风扇。

本发明提出的散热装置可将热量传导至环路热管的蒸发器，并通过环路热管内工质的相变过程带走热量，在冷凝管线中冷凝并通过安装在管线外部的散热翅片将热量散发到空气中，最终由冷却风扇对散热翅片进行冷却。

进一步地，所述环路热管包括：蒸发器、汽线、冷凝管线、液线、三通阀和注液管。环路热管内部抽真空并注入循环地工作介质，工作介质被吸液芯从储液室中吸入吸液芯后受热蒸发带走大量热量并进入汽线，在外部带有翅片结构的冷凝管线中冷却凝结后进入液线并回到储液室，完成工质的循环。所述循环的动力由蒸发器内吸液芯结构的毛细力提供。

所述工质为去离子水或其他沸点满足工作要求、潜热大的流体。

所述蒸发器的壳体通过数控机床加工，在其内部烧结吸液芯结构后，在两侧通过扩散焊焊接盖板进行密封，所述盖板上开有汽线接孔，液线接孔和充液线接孔，形成循环的工质通路和注液抽真空接口。

进一步地，所述蒸发器内填充的吸液芯为三层复合结构，包括：耐高温吸水棉，烧结细铜粉层和开有蒸汽槽道的烧结粗铜粉层。所述耐高温吸水棉被固定于细铜粉吸液芯与储液室之间，以减小向储液室的热泄露。所述细铜粉层与耐高温吸水棉紧密接触，由粒径较小的铜粉烧结而成，促进液体进入粗铜粉层。所述粗铜粉层由粒径较大的铜粉烧结而成，并在靠近热源的位置开有一排蒸汽槽道，形成蒸发器的有效区域，工质在其中受热蒸发后从蒸汽槽道中导出。在所述三层吸液芯外蒸发器内还留有部分空间作为蒸汽室，在其侧面中心位置开孔以导出蒸汽进入汽线。

进一步地，所述储液室的高度高于蒸发器的其他部分，且液线入口位于储液室较高位置，以保证在环路热管在平放和各种角度的工作过程中储液室内液面始终维持在高于蒸发区域的位置，保证工质与吸液芯的充分接触。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)采用环路热管作为热沉进行散热，由于热管内部工质的换热过程为相变传热，其传热系数高，且温度保持不变，可以在实现对于半导体激光芯片的高效散热的同时控制热沉的体积，有利于实现激光器的小型化和内部结构的紧凑设计；

所述环路热管中采用平板型蒸发器设计，在内部填充了三层结构的复合吸液芯，保证了工质的快速补充和高效蒸发，并采用了高于蒸发区域的储液室设计，保证了工质与吸液芯的高效接触，使所述环路热管可以在多角度工况下正常工作。

附图说明

通过附图中所示的本发明优选实施例的具体说明，本发明上述及其它目的特征和优势将变得更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，且并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明所述环路热管散热装置的结构示意图；

图2为本发明所述环路热管的侧视图和俯视图；

图3为本发明所述环路热管蒸发器的结构和芯片封装方式示意图；

图4为图3中所示结构和封装方式的两个剖面图。

附图标记：

1-半导体激光芯片，2-热电制冷器，3-环路热管，4-蒸发器，5-冷凝管线，6-汽线，7-液线，8-散热翅片，9-冷却风扇，10-储液室，11-三通阀，12-注液管，13-蒸发器壳体，14-蒸发器盖板，15-耐高温吸水棉，16-细铜粉吸液芯，17-粗铜粉吸液芯，18-蒸汽槽道，19-蒸汽室。

具体实施方式

在本说明书当中，提供了许多特定的细节，以提供对本发明具体实施例的彻底了解；然而，本领域技术人员应当知晓，在没有一个或更多个该些特定的细节的情况下，依然能实现本发明的目的；在其他情况下，则未显示或描述众所周知的细节以避免模糊了本发明的主要技术特征。有关本发明的技术内容及详细说明，配合图式说明如下：

兹有关本发明的技术内容及详细说明，现在配合图式说明如下：

有关本发明的详细说明及技术内容，将配合图式说明如下，然而所附图式仅作为说明用途，并非用于局限本发明。

本发明包含了环路热管的结构设计与制造方法，以及环路热管与半导体激光芯片和散热翅片的连接安装工艺。

具体地，如图1所示，本发明实施例提供的用于高功率半导体激光器的环路热管散热装置包括：半导体激光芯片1、热电制冷器2、环路热管3、散热翅片8和冷却风扇9。其中，环路热管3包括蒸发器4和冷凝管线5，连接两者的汽线6和液线7，以及注液管12。

在本实施例中，将半导体激光芯片1与热电制冷器2的冷端紧密连接，将热电制冷器2的热端与环路热管蒸发器4的有效区域紧密连接；环路热管冷凝管线5外安装有一系列等距设置的散热翅片8，保证充足的散热面积；在散热翅片8侧面设置有冷却风扇9对其进行风冷散热。

可选的，半导体激光芯片1与热电制冷器2冷端，和热电制冷器2热端与环路热管蒸发器之间均涂有导热硅脂，减小三者之间的温度梯度。

可选的，散热翅片8的材质为铝，采用框架型结构，通过锡焊安装至环路热管冷凝管线5上。

具体地，如图2所示，本发明实施例中的环路热管3包括：蒸发器4、冷凝管线5、汽线6、液线7、三通阀11和注液管12。所述蒸发器4与汽线6和液线7相连；汽线6与冷凝管线5相连；液线7与冷凝管线5之间通过三通阀11相连；在蒸发器4上部液线7入口附近设置有注液管12进行注液抽真空。

可选的，蒸发器壳体13通过数控机床进行加工，控制其中储液室10的高度高于其他部分，以维持其内部较高的内部液面，保证工质与吸液芯的充分接触。

可选的，环路热管3的各部分通过钎焊焊接为一个封闭整体。

可选的，工质为去离子水或其他沸点满足工作要求、潜热大的流体。

上述提到，环路热管3在焊接完成后需进行注液抽真空，其操作为：将注液管12与注液抽真空机的管路连接，先将环路热管3内部抽真空，再切换阀门通过同一管道在压差动力下将工质注入热管，完成注液后将再次抽真空，最后将注液管口压紧封闭，使环路热管3内部最终成为充有工质的部分真空腔体。在完成注液抽真空后对环路热管3进行检漏测试，确认各部位均无泄漏后环路热管3即可正常工作。

具体地，如图3～图4所示，环路热管蒸发器4包括：储液室10、壳体13、盖板14、耐高温吸水棉15、细铜粉吸液芯16、粗铜粉吸液芯17、蒸汽槽道18和蒸汽室19。所述蒸发器4壳体内部设置有三层复合吸液芯，分别为耐高温吸水棉15、细铜粉吸液芯16和粗铜粉吸液芯17，以保证工质的快速补充和减小向储液室10的热泄漏；所述粗铜粉吸液芯17靠近热源一侧开有蒸汽槽道18，以增大蒸发面积和减小蒸汽流动阻力；蒸发器4中剩余空间作为蒸汽室19，作为缓冲减小蒸发器4腔体内的压力。

可选的，细铜粉吸液芯16和粗铜粉吸液芯17分别填充粒径较小和粒径较大的铜粉烧结而成，粗铜粉吸液芯17在烧结时内部嵌有模具以形成一排蒸汽槽道18，烧结完成后填充耐高温吸水棉15并压实，保证其与细铜粉吸液芯16之间的充分接触。

可选的，所述盖板14材质与壳体13相同，两块盖板14分别在蒸汽室16开孔接入汽线6，和在储液室10上部开孔接入液线7和注液管12，盖板14与壳体11通过扩散焊焊接。

优选的，在芯片的封装形式上，半导体激光芯片1需焊接在热电制冷器2远离储液室10的位置上，减小向储液室的热泄漏；热电制冷器2需焊接在蒸发器4的有效区域内，即开有蒸汽槽道18的粗铜粉吸液芯17，两者在长度上平齐。

本发明实施例提供的环路热管散热装置的工作过程如下：

热量从半导体激光芯片产生后，经芯片-热电制冷器-蒸发器壳体-粗铜粉吸液芯传导到吸液芯中的工质气-液界面，工质在气-液界面发生相变，大量吸热后转变为蒸汽，传输至冷凝管线后在管壁冷凝放热，放出的热量通过冷凝管线和其表面安装的散热翅片散出，最终经冷却风扇风冷冷却。其中，通过控制热电制冷器的输入电流，可实现对半导体激光器芯片的精确控温；通过环路热管可高效地将热量传输至散热翅片，环路热管工作过程中不需要外部功率和工质输入，且其蒸发器设计保证了其热输送性能不受重力的影响。

然以上所述，仅为本发明的较佳实施例，当不能限定本发明的实施范围，即凡依本发明权利要求所作的均等变化与修饰等，皆应仍属本发明的专利涵盖范围意图保护的范畴。以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于高功率半导体激光器的环路热管散热装置，其特征在于，包括热电制冷器(2)、环路热管(3)、散热翅片(8)和冷却风扇(9)。其中，

所述热电制冷器(2)的冷端和热端分别与半导体激光芯片(1)和环路热管(3)紧密连接；所述环路热管(3)的冷凝管线(5)外安装有散热翅片(8)，并由所述冷却风扇(9)对散热翅片(8)进行冷却。

2.根据权利要求1所述的环路热管散热装置，其特征在于，所述环路热管(3)包括蒸发器(4)、汽线(6)、冷凝管线(5)、液线(7)、三通阀(11)和注液管(12)。所述环路热管的各个部分通过钎焊焊接。

3.根据权利要求2所述的环路热管散热装置，其特征在于，所述环路热管(3)的蒸发器壳体(13)通过数控机床加工，控制储液室(10)高于蒸发区域。

4.根据权利要求3所述的环路热管散热装置，其特征在于，所述蒸发器(4)内包括具有三层复合结构的吸液芯，分别为耐高温吸水棉(15)、细铜粉吸液芯(16)和粗铜粉吸液芯(17)，剩余腔体空间构成蒸汽室(19)。其中，

所述细铜粉吸液芯(16)和粗铜粉吸液芯(17)在蒸发器(4)腔体内烧结而成，所述粗铜粉吸液芯(17)靠近热源侧开有一排蒸汽槽道(18)，所述耐高温吸水棉(15)填充于细铜粉吸液芯(16)和储液室(10)之间，并被压实和固定。

5.根据权利要求3所述的环路热管散热装置，其特征在于，所述蒸发器(4)由与壳体(13)材质相同的盖板(14)通过扩散焊进行封装，所述盖板(14)在蒸汽室(19)位置开孔与汽线(6)连接，在储液室(10)上部开孔与液线(7)和注液管(12)连接。

6.根据权利要求4所述的环路热管散热装置，其特征在于，所述热电制冷器(2)应与蒸发器(4)的有效区域连接，即粗铜粉吸液芯(17)的范围之内，两者在长度方向上平齐，且在接触面之间涂有导热硅脂。

7.根据权利要求1所述的环路热管散热装置，其特征在于，所述散热翅片(8)的材质为铝，通过锡焊安装在所述冷凝管线(5)外。

8.根据权利要求1-7任一项所述的环路热管散热装置，其特征在于，在其工作过程中，热量从半导体激光芯片(1)产生后，经热电制冷器(2)传导到蒸发器(4)中使工质发生相变转变为蒸汽，蒸汽传输至冷凝管线(5)后冷凝放热，产生的热量由其表面安装的散热翅片(8)散出，最终经冷却风扇(9)冷却。

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