CN201820999U - 一种用于半导体激光器的液体制冷器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于半导体激光器的液体制冷器，包括制冷器主体，所述制冷器主体的上端为一安装平面，所述安装平面上平行开设有一条或多条预留通道，预留通道内的一端设有进水口，另一端设有出水口，预留通道的底部设有卡座，卡座上插设有散热翅片组件，所述散热翅片组件由连接盖板和固定排列于连接盖板下侧面的翅片阵列组成，翅片阵列伸进预留通道内且下端插在卡座上，连接盖板与预留通道组成密封的散热通道。这种液体制冷器采用液体结合翅片的散热方式，通过改变液体通道形式，增大散热面积，增加液体流动中的湍流，达到提高散热能力和延长使用寿命的目的。且该液体制冷器不需要使用去离子水作为冷却介质，因此降低了使用成本。

Description

一种用于半导体激光器的液体制冷器 

技术领域

本实用新型属于半导体激光器制造领域，涉及一种液体制冷器，尤其是一种适用于大功率半导体激光器的液体制冷器。 

背景技术

随着半导体激光器的输出功率、电光转换效率、可靠性和性能稳定性不断提高，大功率半导体激光器在工业，医疗和军事中的应用更加广泛，市场需求巨大，发展前景广阔。激光器的性能除了与芯片有关外，还与激光器的散热和封装有关。为了提高激光器的可靠性和稳定性，降低生产成本，设计高效的散热结构是必须的。此外，还要求封装结构设计和制造简单成本低、散热效率高。 

目前，大功率半导体激光器已经有商业化产品出现，这类激光器的散热主要有微通道液体制冷型、液体制冷型和传导冷却型三种，这三种冷却方式均存在不足，列举如下： 

1).微通道液体制冷器使用和维护成本高。通常情况下微通道是由高导热性金属，常用的如铜制做而成，而制冷器的冷却液与激光器正负极直接接触，因此在工作时必须使用高质量的去离子水作为冷却介质，防止正负极导通。去离子水作为冷却介质成本高，并且必须采用低电导率的去离子水，因此使用和维护成本很高。 

2).微通道液体制冷器加工难度大、制造成本高、使用寿命短。微通道液体制冷器由几层很薄的铜片层叠加工成型，内部的微通道大约为300微米。在制造过程中，需要对每一层铜片进行精确的加工， 以使层叠后的微通道在液体流过时形成散热能力强的湍流。因此，微通道制冷器的精确加工是一个难点，由于微通道制冷器的精密加工难度相当大，导致其制造成本非常高。而微通道制冷器中冷却介质的流动空间非常狭小，容易产生多余的压力降，密封条件恶劣，导致微通道制冷器使用寿命缩短。此外，激光器工作的过程中，若冷却介质(通常为去离子水)中存在杂质时，这些杂质很容易附着在微通道内壁上，从而引起微通道管壁的电化学腐蚀，严重时可能将微通道制冷器的管壁蚀穿，既对激光器的安全性造成极大的影响，从而影响激光器的使用寿命。 

3).普通液体制冷器制冷效果差。这种制冷器主要依靠中间或近热源一侧的贯通通道进行散热，散热面积有限，且其内部冷却介质不能有效形成湍流，对流换热系数低，因此不能高效地将激光器芯片产生的热量带走，制冷效果差。 

4).传导制冷器主要通过高导热率金属或者其他导热性较好的材料进行传导散热，散热能力有限，制约了激光器的功率扩展。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种用于半导体激光器的液体制冷器，这种液体制冷器采用液体结合翅片的散热方式，通过改变液体通道形式，增大散热面积，增加液体流动中的湍流，达到提高散热能力和延长使用寿命的目的。且该液体制冷器不需要使用去离子水作为冷却介质，因此降低了使用成本。 

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的： 

这种用于半导体激光器的液体制冷器，包括制冷器主体，所述制冷器主体的上端为一安装平面，所述安装平面上平行开设有一条或多条预留通道，预留通道内的一端设有进水口，另一端设有出水口，预留通道的底部设有卡座，卡座上插设有散热翅片组件，所述散热翅片组件由连接盖板和固定排列于连接盖板下侧面的翅片阵列组成，翅片阵列伸进预留通道内且下端插在卡座上，连接盖板与预留通道组成密封的散热通道。 

上述制冷器主体为矩形块状，所述预留通道的进水口和出水口分别通过设于制冷器主体内的冷却液通道连通至制冷器主体两端的侧壁上。 

上述散热翅片组件的翅片阵列是由多个相互平行的条形片状翅片组成，所述条形片状翅片垂直固定于连接盖板上；所述卡座上设有多条与翅片阵列的条形片状翅片下端对应的凹槽，所述多个条形片状翅片的下端分别插于卡座的各凹槽中。 

上述散热翅片组件的翅片阵列是由多个垂直阵列于连接盖板上的柱状体组成，所述卡座上设有多个与翅片阵列的柱状体下端对应的固定孔，所述多个柱状体的下端分别插于卡座的各固定孔中。 

本实用新型的一个优选实施方案为：以上所述组成翅片阵列的多个柱状体的横截面为圆形，所述卡座上的固定孔为圆孔，圆孔的内径与柱状体的外径相同。 

本实用新型的另一优选实施方案为：以上所述组成翅片阵列的多个柱状体的横截面为多边形，所述卡座上固定孔的孔截面形状与对 应的柱状体横截面形状相适应。 

以上所述连接盖板和翅片阵列为一体式结构。 

上述连接盖板的外侧面与安装平面平齐，所述安装平面上垂直开设有多组用于固定巴条的螺丝孔。 

本实用新型的优选方案中，制冷器主体选用的材料为导热率高的金属或陶瓷。 

本实用新型具有以下有益效果： 

1)成本低。本实用新型包括制冷器主体、散热翅片组件和卡座，这些部件的结构易于机械加工，制作成本低。譬如制冷器主体可直接用普通机械加工方法制备，并可在制冷器主体上加工螺纹孔等辅助工艺；散热翅片组件和卡座根据其形状可用挤型或者压铸或者一次成型工艺生产，比一般使用线切割工艺的制冷器成本更低，适宜于批量化生产。 

2)散热能力强。本实用新型采用液体制冷，其在液体通路中使用散热片结构，在内部将水路分成多路水流，构成了复杂的微通道单元，大大增加了液体制冷器的散热面积，并加大了冷却介质的湍流度，从而加强制冷器的制冷效果。 

3)可靠性高。与一般微通道相比，本制冷器的水路尺寸大，且可加防腐蚀镀层，因此极大地降低了水路被堵塞或严重腐蚀的风险，可靠性大大提高。 

4)具有可调整性，本实用新型的各部件可以根据不同的散热要求，更改散热片外形及对应卡座中卡槽的外形，而主体结构不需要改 变。例如，如散热要求低时可选择只有一片翅片的结构；散热要求较高时，可选择具有多片翅片的结构，方便对结构的合理运用和对成本的管控。 

附图说明

图1为本实用新型的整体结构图； 

图2为本实用新型的各部件拆解示意图； 

图3为本实用新型的制冷器主体1结构示意图； 

图4-1，4-2，4-3为本实用新型卡座3的三种不同实施例的结构示意图； 

图5-1，5-2，5-3为本实用新型散热片组件2的三种不同实施例的结构示意图； 

图6-1，6-2，6-3为本实用新型的三种不同结构的实施例内部结构和工作原理示意图。 

其中：1为制冷器主体；2为散热片；3为卡座；5为安装平面；6为预留通道；7为连接盖板；8为翅片阵列；9为冷却液通道；10为主水流；11为分水流。 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述： 

本实用新型以制冷器主体1为基础，制冷器主体1的结构如图3所示，在制冷器主体1的上端加工安装平面5，安装平面5上平行开设一条或多条预留通道6(图3所示为一条)，预留通道6内的一端设有进水口，另一端设有出水口，预留通道6的进水口和出水口分 别通过设于制冷器主体1内的冷却液通道9连通至制冷器主体1两端的侧壁上。制冷器主体1侧壁上连通冷却液通道9的进出水口的位置可以根据工艺要求来设定，图3或图1所示的制冷器主体1侧壁进水口和出水口均开设在矩形块状的制冷器主体1的两端。制冷器主体1的材质可选用导热良好的金属，如铜块，也可以由导热良好的陶瓷做成，本实用新型的最优方案中，制冷器主体1选用导热陶瓷。 

预留通道6的底部设有卡座3，卡座3的宽度与预留通道的宽度相等，以便卡座3能够固定安装于预留通道内。卡座3上插设有散热翅片组件2，散热翅片组件2由连接盖板7和固定排列于连接盖板7下侧面的翅片阵列8组成，卡座3上设有与翅片阵列8下端头相适应的固定结构，翅片阵列8伸进预留通道6内且下端插在卡座3上，连接盖板7与预留通道6组成密封的散热通道，并且连接盖板7的外侧面与安装平面5平齐，安装平面5上还垂直开设有多组用于固定巴条的螺丝孔，使用时，激光器的巴条通过螺丝孔固定紧贴在连接盖板7上。 

本实用新型的散热翅片组件2以及与其配合安装的卡座3可以根据散热需要设计成多种结构形式，以下列举出本实用新型最优的几种不同结构的实施例： 

参见图5-1：散热翅片组件2的翅片阵列8是由多个相互平行的条形片状翅片组成，条形片状翅片垂直固定于连接盖板7上。卡座3上设有多条与翅片阵列8的条形片状翅片下端对应的凹槽(如图4-1)，多个条形片状翅片的下端分别插于卡座3的凹槽中。 

参见图5-2和图5-3：散热翅片组件2的翅片阵列8是由多个垂直阵列于连接盖板7上的柱状体组成，卡座3上设有多个与翅片阵列8的柱状体下端对应的固定孔，多个柱状体的下端分别插于卡座3的固定孔中。其中，图5-2中组成翅片阵列8的多个柱状体的横截面为圆形，与其相配合的卡座3上的固定孔也同样为圆孔(如图4-2)，圆孔的内径与柱状体的顶端外径相同，使其顶端刚好能插入圆孔内。图5-3中组成翅片阵列8的多个柱状体的横截面为多边形，其中外侧可以根据结构需要将外侧的柱状体设计成三角截面，将内部的柱状体设计成矩形截面，也可以根据需要设计成其他形状的横截面形式，与此同时，与其配合的卡座3上的固定孔的孔截面形状也与对应的柱状体横截面形状相适应。当柱状体的横截面是多边形时，卡座3上也可以不设置固定孔，而是通过设置横截面同样是多边形的凸起，如图4-3所示，该凸起正好伸入到。翅片阵列8的多个柱状体之间，将整个翅片阵列8固定起来。本实用新型的最优方案中，为了实现良好的导热性，将连接盖板7和翅片阵列8设计为一体式结构。 

为了防止水流通道的腐蚀，在预留通道6、冷却液通道9的内壁均设有防腐蚀镀层，这种在水路镀抗腐蚀材料的方式，大大提高了散热系统的抗腐蚀能力。 

本实用新型图示中的翅片为片状，圆柱状，菱形柱状，在实际应用中，本实用新型的翅片也可以稍作改进，如将翅片制作成环状等有利于散热的结构。 

本实用新型的制备过程如下： 

a)加工如图3所示的带有安装平面5的矩形块作为制冷器主体1并在中加工冷却液通道，其中冷却液通道的入口和出口设于制冷器主体1的两端； 

b)在制冷器主体1上制备出凹槽作为预留通道6，其中冷却液通道9贯穿预留通道6，在预留通道6的两端为进水口和出水口；所示的预留通道6确保凹槽底部保持平整； 

c)图5所示卡座3的底部(底座)的宽度等于预留通道6的凹槽宽度，散热翅片组件2中连接盖板7的平面宽度等于图3中预留通道6的凹槽宽度； 

d)为预留通道6内壁以及冷却液通道9内壁镀防腐蚀镀层，并将图4的卡座3放置在图3的预留通道6的底端并固定，保持卡座3上的固定孔朝上，将图5的散热翅片组件倒置后对应卡座3放置，使翅片陈列8的下端头刚好卡到卡座3的固定孔中。最后将散热翅片组件2的连接盖板7与制冷器主体1的安装平面5进行整理，使表面保持光滑平整。制得本实用新型的液体制冷器。 

本实用新型的工作原理如下： 

如图6-1、图6-2和图6-3分别是三种不同结构形式的散热翅片组件2和卡座3装配后的工作原理剖视图。本实用新型的液体制冷器安装平面5上靠近散热翅片组件2的位置上镀金属膜层，再在膜层上封装半导体激光器芯片(巴条)半导体激光器芯片工作时热源产生的热量通过热传导的方式垂直向下传导到制冷器散热翅片组件2上，通过散热翅片组件2进行散热。具体工作方式为：冷却介质由制冷器 主体1壁面上的入水口进入冷却液通道9，如图中的主水流10，主水流10再冲入预留通道6内形成湍流，并被散热翅片组件2的翅片阵列8分流，形成多条通路的翅片内水流，如图中的分水流。热源(激光器芯片)产生的热量传导到翅片上，并由翅片内水流将热量及时带走，水流经出水通道流出。这样，半导体激光器芯片传导到液体制冷器上的热量被冷却介质带走。由于散热翅片的存在，散热面积大大增加，从而产生良好的制冷效果。 

本实用新型可设计为能够封装任意个巴条的液体制冷器，当封装的巴条数目改变时，液体制冷器的长度、宽度和厚度相应改变。 

本实用新型的液体流通道可设计为一条，也可为多条。冷却液通道9也可以为两个或者两个以上。 

综上所述，本实用新型的结构易于机械加工，制作成本低。譬如制冷器主体可直接用普通机械加工方法制备，并可在制冷器主体上加工螺纹孔等辅助工艺；散热翅片组件和卡座根据其形状可用挤型或者压铸或者一次成型工艺生产，比一般使用线切割工艺的制冷器成本更低，适宜于批量化生产，当然，样品同样可使用线切割工艺制备，其主表面可直接加工到应用所需要的平面度和粗糙度；制冷器主体组装可根据具体应用情况使用焊接工艺，粘接工艺等一次完成。如果对制冷器表面要求极高，亦可直接于制冷器主体组装后二次对主平面进行磨削等二次加工，亦可于整体架构外也加防腐蚀镀层。 

Claims (9)

1.一种用于半导体激光器的液体制冷器，包括制冷器主体(1)，其特征在于：所述制冷器主体(1)的上端为一安装平面(5)，安装平面(5)上平行开设有一条或多条预留通道(6)，预留通道(6)内的一端设有进水口，另一端设有出水口，预留通道(6)的底部设有卡座(3)，卡座(3)上插设有散热翅片组件(2)，所述散热翅片组件(2)由连接盖板(7)和固定排列于连接盖板(7)下侧面的翅片阵列(8)组成，翅片阵列(8)伸进预留通道(6)内且下端插在卡座(3)上，连接盖板(7)与预留通道(6)组成密封的散热通道。

2.根据权利要求1所述的用于半导体激光器的液体制冷器，其特征在于：所述制冷器主体(1)为矩形块状，所述预留通道(6)的进水口和出水口分别通过设于制冷器主体(1)内的冷却液通道(9)连通至制冷器主体(1)两端的侧壁上。

3.根据权利要求1所述的用于半导体激光器的液体制冷器，其特征在于：所述散热翅片组件(2)的翅片阵列(8)是由多个相互平行的条形片状翅片组成，所述条形片状翅片垂直固定于连接盖板(7)上；所述卡座(3)上设有多条与翅片阵列(8)的条形片状翅片下端对应的凹槽，所述多个条形片状翅片的下端分别插于卡座(3)的各凹槽中。

4.根据权利要求1所述的用于半导体激光器的液体制冷器，其特征在于：所述散热翅片组件(2)的翅片阵列(8)是由多个垂直阵列于连接盖板(7)上的柱状体组成，所述卡座(3)上设有多个与翅片阵列(8)的柱状体下端对应的固定孔，所述多个柱状体的下端分别插于卡座(3)的各固定孔中。

5.根据权利要求4所述的用于半导体激光器的液体制冷器，其特征在于：组成翅片阵列(8)的多个柱状体的横截面为圆形，所述卡座(3)上的固定孔为圆孔，圆孔的内径与柱状体的外径相同。

6.根据权利要求4所述的用于半导体激光器的液体制冷器，其特征在于：组成翅片阵列(8)的多个柱状体的横截面为多边形，所述卡座(3)上固定孔的孔截面形状与对应的柱状体横截面形状相适应。

7.根据权利要求1、3或4所述的用于半导体激光器的液体制冷器，其特征在于：连接盖板(7)和翅片阵列(8)为一体式结构。

8.根据权利要求1所述的用于半导体激光器的液体制冷器，其特征在于：所述连接盖板(7)的外侧面与安装平面(5)平齐，安装平面(5)上垂直开设有多组用于固定巴条的螺丝孔。

9.根据权利要求1所述的用于半导体激光器的液体制冷器，其特征在于：所述制冷器主体(1)所选用的材料为导热率高的金属或陶瓷。

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