DE19820355A1 - Kühlelement für eine Laserdiode - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kühlelement für eine Laserdiode, wie es bei­ spielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift 43 15 580 bekannt ist.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 43 15 580 ist eine Wärmesenke oder ein Kühlelement für eine Laserdiode bekannt, das in Schichtbauweise aus mehreren Lagen aufgebaut ist, die mit Kanälen zum Führen eines strömenden Kühlmittels versehen sind. Das Kühlelement weist in seinem Inneren eine Vielzahl von eng benachbarten Mikrokanälen auf, die vom Kühlmittel durchströmt werden. Der die­ sen Mikrokanälen benachbarte Flächenbereich auf der Oberfläche des Kühlele­ ments ist zur Aufnahme einer oder mehrerer Laserdioden vorgesehen, die durch das in den Mikrokanälen fließende Kühlmittel gekühlt werden.

Das Kühlelement soll nun einerseits möglichst klein und kompakt sein, anderer­ seits aber eine effiziente Kühlung ermöglichen. Eine solche effiziente Kühlung er­ fordert nun eine hohe Wärmetauschleistung, die ihrerseits nur mit einem hohen Kühlmitteldurchsatz erzielt werden kann.

Bei der konstruktiven Ausgestaltung des Kühlelementes, d. h. bei der Anordnung und geometrischen Formgebung der im Innern des Kühlelements verlaufenden Kanäle zum Zu- und Abführen des Kühlmittels an die Mikrokanäle bzw. von den Mikrokanälen ist somit anzustreben, daß der Druckabfall innerhalb des Kühlele­ ments für einen gegebenen und zur Kühlung der Laserdiode erforderlichen Kühlmitteldurchsatz möglichst gering ist. Je kleiner dieser Druckabfall ist, desto geringere Anforderungen werden an die zum Erzeugen des Kühlmitteldurchsatzes erforderlichen Pumpen gestellt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Kühlelement für eine Laserdi­ ode anzugeben, bei der die zum Erzeugen eines vorgegebenen Kühlmitteldurch­ satzes erforderliche Druckdifferenz möglichst gering ist.

Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einem Kühlelement mit den Merkmalen des Anspruches 1. Das Kühlelement umfaßt wenigstens zwei Lagen, die mit ihren Flachseiten aufeinander angeordnet und mit wenigstens ei­ nem ersten bzw. wenigstens einem zweiten Kanal zum Führen eines strömenden Kühlmittels parallel zu diesen Flachseiten versehen sind. Der erste und der zweite Kanal bilden zumindest einen gemeinsamen Kanalabschnitt, in dem das Kühlmit­ tel mit einer Geschwindigkeitskomponente senkrecht zu diesen Flachseiten strömt, wobei zumindest eine Seitenwand dieses Kanalabschnitts im Mittel schräg zu den aneinander grenzenden Flachseiten der beiden Lagen orientiert ist. Da­ durch wird eine abrupte senkrechte Umlenkung des Kühlmittels vermieden und die Strömungsrichtung im gemeinsamen Kanalabschnitt verläuft unter einem spit­ zen Winkel zur Strömungsrichtung des Kühlmittels vor seinem Einlauf in den Ka­ nalabschnitt. Durch diese Maßnahme wird eine strömungstechnisch günstigere Führung des Kühlmittels beim Übergang von einer Ebene in eine andere Ebene des Kühlelements erzielt und der Druckverlust entlang dieses gemeinsamen Ka­ nalabschnittes ist verringert.

Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, daß die Druckdifferenz oder der Druckabfall bei dem in dem Stand der Technik bekannten Kühlelement im we­ sentlichen dadurch verursacht ist, daß das Kühlmittel innerhalb des Kühlelements vom Kühlmitteleinlaß bis zum Kühlmittelauslaß in verschiedenen Ebenen fließen muß und insbesondere der beim Übertritt des Kühlmittels von Lage zu Lage durch die Änderung der Strömungsrichtung des Kühlmittels entstehende Druckabfall ei­ nen entscheidenden Beitrag zum gesamten Druckabfall im Kühlelement leistet. Die Erfindung beruht dabei auf der Überlegung, daß eine strömungstechnisch günstigere Gestaltung der Kanäle in diesem Überleitungs- oder Übertrittsbereich demzufolge zu einer deutlichen Verringerung des Druckabfalls über dem gesam­ ten Kühlelement führen muß.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Seitenwand zur optima­ len Verringerung des Druckverlustes durch eine Fläche gebildet. Diese Fläche kann eben oder insbesondere gekrümmt sein, um eine möglichst stetige Überlei­ tung des Kühlmittels vom ersten Kanal in den zweiten Kanal sicherzustellen.

In einer alternativen Ausführungsform ist die Seitenwand gestuft ausgebildet. In dieser Ausführungsform ist zwar der Druckverlust gegenüber einer Ausführungs­ form mit stetig geformter Seitenwand vergrößert, ein solches Kühleelement ist je­ doch fertigungstechnisch einfacher herstellbar.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der erste oder der zweite Kanal zumindest teilweise durch zwei einander gegenüberliegende Nuten in be­ nachbarten Lagen gebildet, deren Tiefe kleiner als die Dicke der jeweils zuge­ hörigen Lage ist. Dadurch wird die im Kanalabschnitt vom Kühlmittel zu überwin­ dende Stufe erniedrigt und der Druckverlust auch bei senkrecht zur Flachseite ori­ entierten Seitenwänden verringert. Eine zusätzliche Verringerung des Druckver­ lustes wird außerdem durch eine vorstehend genannte schräge Orientierung der Seitenwände erzeugt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Unteran­ sprüchen wiedergegeben.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:

Fig. 1 ein 5-lagiges Kühlelement gemäß der Erfindung in einem schemati­ schen Schnitt parallel zur Schmalseite.

Fig. 2-6 jeweils eine Lage des Kühlelementes in einer Draufsicht auf eine Flachseite.

Fig. 7 einen vergrößerten Ausschnitt eines gemäß der Erfindung gestalteten Überleitungsbereiches mit gestuften Seitenwänden.

Fig. 8 und 9 weitere vorteilhafte Ausführungsformen, bei denen ein Kanal durch einander benachbarte Nuten zweier Lagen gebildet ist, deren Tiefe kleiner ist als die Dicke der jeweiligen Lage.

Fig. 10 und 11 vorteilhafte Ausgestaltungen der Überleitungsbereiche im Bereich der Mikrokanäle ebenfalls in einem Querschnitt.

Gemäß Fig. 1 ist das Kühlelement aus fünf aufeinander angeordneten Lagen 1-5 zusammengesetzt. Die Lagen 1-5 bestehen vorzugsweise aus Kupferblech und sind miteinander verschweißt. Die einzelnen Lagen 1-5 sind mit Durchbrüchen derart versehen, daß sich im zusammengebauten Zustand Kanäle zur Führung eines fluiden Kühlmittels K, in der Regel Wasser, ergeben. Die Durchbrüche kön­ nen beispielsweise durch herkömmliche mechanische Fertigungsmethoden, bei­ spielsweise Stanzen oder durch Laserbearbeitungsverfahren, erzeugt werden. Vorzugsweise sind die Durchbrüche ätztechnisch hergestellt.

Das Kühlmittel K gelangt durch einen in der Schnittdarstellung gemäß Fig. 1 nicht sichtbaren Durchbruch in der Lage 1 zu einem Verteilerkanal oder ersten Kanal 6, der durch einen Durchbruch in der Lage 4 gebildet ist. Dieser erste Kanal 6 mün­ det in einen durch einen Durchbruch in der Lage 3 gebildeten Zuführkanal oder zweiten Kanal 8, der das Kühlmittel K zu einer Vielzahl von Mikrokanälen 10 wei­ terleitet, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Figur nur drei darge­ stellt sind. Diese Mikrokanäle 10 sind ebenfalls als Durchbrüche aus der Lage 4 herausgearbeitet. Die Mikrokanäle 10 sind in einem Bereich des Kühlelementes angeordnet, der sich unmittelbar unterhalb des Bereichs auf der Oberfläche der als Deckplatte dienenden Lage 5 befindet, auf dem ein aus einer Laserdiode oder einer Vielzahl von Laserdioden aufgebauter Laserchip 12 montiert ist.

In den Mikrokanälen 10 strömt das Kühlmittel K parallel zur Flachseite des Kühl­ elements, d. h. senkrecht zur Zeichenebene, und wird über einen ebenfalls in der Lage 3 angeordneten und in der Figur nicht sichtbaren Durchbruch nach unten zur Lage 2 in einen Rückführkanal 14 geführt, von wo aus es über einen weiteren ebenfalls in der Figur nicht sichtbaren Durchbruch in der Lage 1 aus dem Kühle­ lement abgeführt wird.

Da im Ausführungsbeispiel der Figur die in den Lagen 2, 3 und 4 gebildeten Ka­ näle 6, 8, 10, 14 durch Durchbrüche gebildet werden, entspricht die Tiefe eines jeden in einer Lage gebildeten Kanals der Dicke der jeweiligen Lage.

In der Figur ist nun zu erkennen, daß das Kühlmittel K auf seinem Weg zu den und von den Mikrokanälen 10 mehrfach von einer Lage 1-5 in eine andere Lage 1-5 übertreten muß. Dies ist für den Übertritt von der Lage 4 in die Lage 3 und umgekehrt durch Pfeile veranschaulicht. Das Kühlmittel K wird vom Verteilerka­ nal 6 in der Lage 4 nach unten in den Zuführkanal 8 der Lage 3 umgelenkt, um von dort erneut in die in der Lage 4 angeordneten Mikrokanäle 10 zu strömen. Diese Umlenkung wird nun dadurch bewirkt, daß sich der Verteilerkanal 6 und der Zuführkanal 8 in einem Überleitungsbereich teilweise überlappen. In diesem Überleitungsbereich bilden der erste Kanal oder Verteilerkanal 6 und der zweite Kanal oder Zuführkanal 8 einen gemeinsamen Kanalabschnitt 16, in dem das Kühlmittel K von der Lage 4 zur Lage 3 nach unten strömt. Um die bei dieser Umlenkung auftretenden Druckverluste weitgehend zu minimieren, sind die in die­ sem Überleitungsbereich senkrecht zur Schmalseite, d. h. senkrecht zur Zeiche­ nebene angeordneten ebenen Seitenwände 62 und 82 des vom Verteilerkanal 6 und vom Zuführkanal 8 gebildeten gemeinsamen Kanalabschnittes 16 schräg zu den aneinander grenzenden Flachseiten der Lage 3 und 4 orientiert, so daß das Kühlmittel K ebenfalls schräg zu den Flachseiten der Lagen 1-5, d. h. mit einer Geschwindigkeitskomponente senkrecht zu diesen Flachseiten strömt. Im Überlei­ tungsbereich sind somit rechtwinklige Kanten vermieden, an denen unerwünschte Druckverluste auftreten. Durch diese strömungstechnisch günstige Strukturierung im gemeinsamen Kanalabschnitt 16 kann somit ein geforderter Kühlmitteldurch­ satz mit einer Pumpe erzeugt werden, deren Leistung gegenüber dem Stand der Technik erforderlichen Pumpen verringert ist.

Im Ausführungsbeispiel sind die Seitenwände 62 und 82 ebene Flächen. Dies läßt sich fertigungstechnisch einfach realisieren. Prinzipiell sind aber auch andere Formgebungen geeignet, die fertigungstechnisch aufwendiger sind, beispiels­ weise im Schnitt s-förmig gekrümmte Flächen, und mit denen ein strömungstech­ nisch besonders günstiger stetiger Übergang im Überleitungsbereich geschaffen wird.

Gemäß Fig. 2 enthält die als untere Deckplatte verwendete Lage 1 zwei Durch­ brüche 18 und 20, von denen einer, im Beispiel der Durchbruch 18, als Kühlmittel­ einlaß und der andere als Kühlmittelauslaß vorgesehen ist.

In der Draufsicht gemäß Fig. 3 auf die Lage 2 ist zu erkennen, daß diese ebenfalls mit Durchbrüchen 22 und 24 versehen ist, die mit den Durchbrüchen 18 und 20 der Lage 1 fluchten. An den Durchbruch 24 sind die Rückführkanäle 14 ange­ schlossen, die in gabelförmigen Fortsätzen 142 im vorderen Bereich der Lage 2 enden.

Diese gabelförmigen Fortsätze 142 überlappen sich zu ihrem Endbereich mit Durchbrüchen 30, die gemäß Fig. 4 in die Lage 3 eingebracht sind. Zwischen die­ sen Durchbrüchen 30 befinden sich im Ausführungsbeispiel drei zweite Kanäle oder Zuführkanäle 8 mit den abgeschrägten Seitenwänden 82. In der Lage 3 be­ finden sich außerdem weitere Durchbrüche 26 und 28, die mit den Durchbrü­ chen 18, 22 bzw. 20, 24 der Lagen 1 bzw. 2 fluchten.

Gemäß Fig. 5 enthält die Lage 4 ebenfalls zwei Durchbrüche 32 und 34, die ebenfalls mit den Durchbrüchen 18, 22, 26, bzw. 20, 24, 28 der darunterliegenden Lagen fluchten. An den Durchbruch 32 sind im Ausführungsbeispiel drei erste Ka­ näle oder Verteilerkanäle 6 angeschlossen, die sich an ihren vom Durchbruch 32 abgewandten Enden mit den Zufuhrkanälen 8 der Lage 3 überlappen.

Gemäß Fig. 6 ist die oberste Lage 5 als Deckplatte gestaltet. In einer alternativen Ausführungsform, bei der mehrere mit einem Laserchip versehenen Kühlelemente übereinander gestapelt werden, kann auch die Deckplatte mit Durchbrüchen 36, 38 versehen sein, um eine Führung des Kühlmittels in mehreren aufeinander gestapelten Kühlelementen zu ermöglichen.

Anhand der in den Fig. 2 bis 6 dargestellten Lagen 1-5 können nun die Strö­ mungsverhältnisse im Kühlelement erläutert werden. Das Kühlmittel strömt in den Durchbruch 18 der Lage 1 ein und gelangt über den Durchbruch 22 der Lage 2 und den Durchbruch 26 der Lage 3 in den Durchbruch 32 der Lage 4, von wo es in die Verteilerkanäle 6 eingeleitet wird. Die Verteilerkanäle 6 der Lage 4 über­ lappen sich mit den Zufuhrkanälen 8 der Lage 3, so daß das Kühlmittel von der Lage 4 nach unten in die Lage 3 umgelenkt wird. Die Zuführkanäle 8 überlappen sich nun mit den Mikrokanälen 10, so daß das Kühlmittel von der Lage 3 erneut in die Lage 4 zurückströmt und sich auf die quer zur Strömungsrichtung in den Ver­ teilerkanälen 6 und Zuführkanälen 8 orientierten Mikrokanäle 10 verteilt. Dort strömt es seitlich ab und wird erneut nach unten in die Durchbrüche 30 der Lage 3 geführt. Diese Durchbrüche 30 kommunizieren mit den gabelartigen Fortsätzen 142 der Lage 2, so daß das Kühlmittel über die Durchbrüche 30 der Lage 3 in die Lage 2 geführt und dort umgelenkt wird und in der Lage 2 zurück zu dem als Wasseraustritt dienenden Durchbruch 24 strömt.

Diese Übergänge von einer Lage zur anderen sind dann mit einem erheblichen Druckverlust verbunden, wenn bei einem solchen Übergang zugleich ein Rich­ tungswechsel des strömenden Kühlmittels erfolgen, d. h. eine parallel zur Flach­ seite des Kühlelements vorliegenden Strömung in eine Strömung mit einer Ge­ schwindigkeitskomponente senkrecht zu dieser Flachseite umgewandelt werden muß. Solche kritischen Übergänge werden beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1-6 gebildet im Übergangs- oder Überleitungsbereich der Durchbrüche 30 auf die Fortsätze 142, der Verteilerkanäle 6 auf die Zuführkanäle 8, der Zuführkanäle 8 auf die Mikrokanäle 10 und der Mikrokanäle 10 auf die Durchbrüche 30. Die hier­ bei auftretenden Druckverluste werden durch die in Fig. 1-6 am Beispiel des aus dem Verteilerkanal 6 und dem Zuführkanal 8 gebildeten gemeinsamen Kanalab­ schnittes 16 dargestellte Formgebung der die Umlenkung des Kühlmittels im Überleitungsbereich bewirkenden Seitenwände der Kanäle verringert.

In einer alternativen, besonders einfach herzustellenden Ausführungsform gemäß Fig. 7 sind die in einem solchen Überleitungsbereich angeordneten Seitenwände 64, 84 des gemeinsamen Kanalabschnittes 16 gestuft strukturiert, so daß die Stufen jeweils eine gestrichelt in die Figur eingezeichnete Fläche approximieren, die schräg zu den aneinandergrenzenden Flachseiten der Lagen 3 und 4 verläuft.

Mit anderen Worten: Die Seitenwände 64, 84 verlaufen im Mittel schräg zu den Flachseiten. Dabei wird die in der Figur eingezeichnete Fläche je nach der Anzahl der Stufen mehr oder weniger genau approximiert. Mit einer solchen gestuften Strukturierung können prinzipiell auch andere, beispielsweise im Schnitt s-förmige Flächenformen approximiert werden.

Gemäß Fig. 8 wird ein Zufuhrkanal 60, in dem das Kühlmittel parallel zu den Flachseiten einer Lage 3, 4 geführt wird, nicht durch einen Durchbruch in einer einzigen Lage, sondern durch eine in einer Lage 3 gebildete Nut 60a und einer dieser Nut 60a in der benachbarten Lage 4 gegenüberliegenden Nut 60b gebildet, deren Tiefen t kleiner sind als die Dicke d der jeweiligen Lage 3 bzw. 4. Für t = d/2 wird auf diese Weise die Stufenhöhe d-t bei der Umlenkung unter Aufrechterhal­ tung einer der Dicke d der Lage 3, 4 entsprechenden Höhe h des Kanals 60 hal­ biert.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 ist die Tiefe t der Nuten 60a, 60b größer als d/2, so daß die Stufenhöhe d-t weiter verringert ist. Zugleich wird die Höhe h des aus den Nuten 60a, 60b gebildeten Kanals 60 größer als die Dicke d einer Lage 3, 4, so daß die Strömungsgeschwindigkeit in diesem Kanal 60 und damit auch der Druckabfall zusätzlich verringert sind.

Gemäß Fig. 10 sind in einervorteilhaften Ausführungsform auch eine Seiten­ wand 86 eines im Überleitungsbereich vom Zuführkanal 8 in die Mikrokanäle 10 gebildeten gemeinsamen Kanalabschnittes 162 und eine Seitenwand 302 eines im Überleitungsbereich von den Mikrokanälen 10 in den Durchbruch 30 gebildeten gemeinsamen Kanalabschnittes 164 zur Verringerung des Druckverlustes schräg ausgebildet. In einer alternativen Ausgestaltung können auch die Seitenwände 102 des Mikrokanals 10 zur Vermeidung unnötiger Wirbelbildung schräg und ins­ besondere parallel zu den schrägen Seitenwänden 86 bzw. 302 orientiert sein.

Gemäß Fig. 11 können auch die Mikrokanäle 100 durch einander gegenüberlie­ gende halbtiefe Ausnehmungen oder Nuten 100a, 100b benachbarter Lagen 3, 4 gebildet sein. Durch die Verwendung halbtiefer Ausnehmungen 100a, 100b zur Ausbildung der Mikrokanäle 100 in den Lagen 3 und 4 ist es außerdem möglich, die als Deckplatte dienende Lage 5 wegzulassen.

Bezugszeichenliste

1-5

Lage

6

erster Kanal

8

zweiter Kanal

10

Mikrokanal

12

Laserchip

14

Rückführkanal

16

Kanalabschnitt

18

,

20

,

22

,

24

,

26

,

28

,

30

,

36

,

38

Durchbruch

60

Zufuhrkanal

60

a,

60

b,

100

a,

100

b Nut

62

,

64

,

82

,

84

,

86

,

102

,

302

Seitenwand

100

Mikrokanal

142

Fortsatz

162

,

164

Kanalabschnitt
K Kühlmittel
h Höhe eines Kanals
d Dicke einer Lage
t Tiefe einer Nut.

Claims (7)

1. Kühlelement für eine Laserdiode, das wenigstens zwei Lagen (3, 4) umfaßt, die mit ihren Flachseiten aufeinander angeordnet und mit wenigstens einem ersten bzw. wenigstens einem zweiten Kanal (8 bzw. 6) zum Führen eines strömenden Kühlmittels (K) parallel zu diesen Flachseiten versehen sind, wo­ bei der erste und der zweite Kanal (8 bzw. 6) zumindest einen gemeinsamen Kanalabschnitt (16) bilden, in dem das Kühlmittel (K) mit einer Geschwindig­ keitskomponente senkrecht zu diesen Flachseiten strömt, gekennzeichnet dadurch, daß zumindest eine Seitenwand (62, 82) dieses gemeinsamen Kanalab­ schnitts (16) im Mittel schräg zu den aneinandergrenzenden Flachseiten der beiden Lagen (3, 4) orientiert ist.

2. Kühlelement nach Anspruch 1, bei dem die Seitenwand (62, 82) durch eine Fläche gebildet ist.

3. Kühlelement nach Anspruch 1, bei dem die Seitenwand (64, 84) gestuft ist.

4. Kühlelement, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste oder der zweite Kanal (60) zumindest teilweise durch zwei ein­ ander gegenüberliegende Nuten (60a, 60b) in benachbarten Lagen (3,4) ge­ bildet ist, deren Tiefe (t) kleiner ist als die Dicke (d) der jeweils zugehörigen Lage (3, 4) ist.

5. Kühlelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste und der zweite Kanal (8, 6) ätztechnisch hergestellt sind.

6. Kühlelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lagen (3, 4) aus Kupfer Cu bestehen.

7. Bauelement mit einem Kühlelement nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, auf dem ein wenigstens eine Laserdiode enthaltender Laserchip (12) an­ geordnet ist.