EP3440748A1 - Impingement cooling device for a laser disc and associated laser disc module - Google Patents

Impingement cooling device for a laser disc and associated laser disc module

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Publication number
EP3440748A1
EP3440748A1 EP17713274.3A EP17713274A EP3440748A1 EP 3440748 A1 EP3440748 A1 EP 3440748A1 EP 17713274 A EP17713274 A EP 17713274A EP 3440748 A1 EP3440748 A1 EP 3440748A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
plate
cooling device
support
recesses
cooling liquid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17713274.3A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Alexander Killi
Vincent Kuhn
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Trumpf Laser GmbH
Original Assignee
Trumpf Laser GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Trumpf Laser GmbH filed Critical Trumpf Laser GmbH
Publication of EP3440748A1 publication Critical patent/EP3440748A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/04—Arrangements for thermal management
    • H01S3/0407—Liquid cooling, e.g. by water
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/473—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids
    • H01L23/4735—Jet impingement
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/04—Arrangements for thermal management
    • H01S3/0405—Conductive cooling, e.g. by heat sinks or thermo-electric elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01S3/04—Arrangements for thermal management
    • H01S3/042—Arrangements for thermal management for solid state lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/0602—Crystal lasers or glass lasers
    • H01S3/0604—Crystal lasers or glass lasers in the form of a plate or disc

Definitions

  • the invention relates to an impingement cooling device for a laser disk, with a particular disc-shaped support plate, on the front side of the laser disc can be fastened, with a support structure, on the front side, the back of the support plate is fixed, and with an impingement cooling for cooling the support plate by means of a cooling liquid wherein the support structure comprises a plurality of cooling liquid supply lines, from which the cooling liquid in the direction of the back of the support plate, in particular perpendicular to the back of the support plate exits, and a plurality of cooling liquid return lines, as well as a laser disk module with such a baffle cooling device.
  • Such an impingement cooling device has become known, for example, from US 2014/0 190 665 A1.
  • laser discs are glued to disc-shaped heat sinks (disc carrier) made of CVD diamond, which are cooled on the back by impingement flow.
  • the thermomechanical properties of the wafer carrier now determine the thermal lensing effect of the laser disk.
  • the impact cooling device disclosed in the aforementioned US 2014/060 665 A1 has a single recess adjacent to the rear side of the carrier plate and radially extending return lines.
  • a laser disk is mounted on a carrier plate which simultaneously forms a resonator mirror of a laser resonator.
  • a cooling liquid emerging from a nozzle opening impinges against the self-supporting rear side of the carrier plate, which is cooled thereby.
  • US Pat. No. 6,339,605 B1 discloses cooling for a laser disk mounted on a copper substrate.
  • the copper substrate is traversed by a cooling liquid, which is passed into microchannels of the copper substrate, which are open to the laser disk.
  • the back of the laser disk is thus cooled by the coolant flowing through the microchannels.
  • US 2007/0297469 A1 discloses a cooling system for a laser disk, which is mounted on a support plate made of diamond or sapphire. Within the carrier plate, near-surface microchannels extend for a cooling liquid.
  • the present invention is based on the object, in an impingement cooling device of the type mentioned to achieve a higher stiffness of the support plate with almost the same thermal resistance of the support plate, without having to increase the thickness of the (diamond) support plate.
  • a backing plate e.g., diamond material
  • a stiffening back support structure e.g., tungsten carbide or aluminum nitride
  • the recesses of the support structure may be open either to the back of the support plate, so that the cooling liquid directly against the back of the Support plate bounces (direct heat transfer of the support plate in the cooling liquid), or be closed to the back of the support plate out, so that the cooling liquid bounces against a bottom of the support plate. In the latter case, the direct contact between the cooling liquid and a solder located between the support plate and the support structure is avoided, thereby reducing the risk of corrosion.
  • the backing plate is formed of diamond material (e.g., CVD diamond or polycrystalline diamond composite (PDC)) and more particularly has a thickness of at most 5mm, preferably at most 3mm, more preferably at most 2mm.
  • the diamond material offers high thermal conductivity and at the same time enough inherent rigidity to prevent the shape of the front-mounted laser disk from being significantly affected by the backside cooling structures.
  • the carrier plate and the support structure are soldered, glued, sintered or connected to one another by so-called bonding, ie by a mechanically strong, rigid connection between two solids without the formation of an intermediate layer.
  • the back of the carrier plate is fixed to the front of a distributor plate having the recesses, the back of the distributor plate being attached to a support body having the supply and return lines.
  • the support body is formed of ceramic or hard metal and in particular has a thickness of at least 1 cm, preferably between 2cm and 10cm on.
  • the recesses extend as passage openings to the rear of the distributor plate.
  • the distributor plate may also have upstream of its recesses nozzle openings, which are aligned in the direction of the back of the carrier plate, in particular at right angles to the back of the carrier plate.
  • the distributor plate may be formed either from diamond material or, as is preferred, from ceramic or hard metal (eg tungsten carbide or aluminum nitride) and in particular have a thickness of at least 0.3 mm, preferably at least 0.5 mm.
  • the recesses of the distributor plate may be open towards the rear side of the carrier plate, in particular extending as passage openings from the front side to the rear side of the distributor plate, so that the cooling fluid impacts against the rear side of the carrier plate, or be closed by a bottom of the distributor plate, so that the coolant splashes against the bottom of the distributor plate.
  • a nozzle plate with nozzle openings which connect the leads of the support body respectively with the recesses of the distributor plate and in the direction of the back of the support plate, in particular at right angles to the back of the support plate, aligned, and with through holes, which connect the recesses of the distributor plate with the return lines arranged.
  • the nozzle plate is formed of diamond material (e.g., CVD or PDC diamond), ceramic or cemented carbide (e.g., tungsten carbide or aluminum nitride), and more preferably has a thickness of at least 0.3mm, preferably at least 0.5mm.
  • the individual components of the support structure are soldered to one another depending on the material pairing, e.g. by brazing on copper and / or silver, or glued, sintered or gebonded.
  • the rear side of the carrier plate has the recesses and is fastened to the front side of a support body which has the feed lines and return lines.
  • a carrier plate made of CVD diamond can be provided, for example, by laser processing on the back with the recesses for impinging the impact flow and then a shaft made of, for example, tungsten carbide with brazing solder on the structured back. Subsequently, the required supply and return lines can be introduced by spark erosion in the tungsten carbide.
  • the support body can also be composed of individual laser-cut perforated disks, which are soldered together to form a stack and whose soldering rather aligned with each other to form in the stack through feed and return lines.
  • the support body is preferably formed of ceramic or cemented carbide (e.g., tungsten carbide or aluminum nitride) and has a thickness of at least 0.5cm, preferably between 0.5cm and 10cm, in order to sufficiently increase the rigidity of the support plate.
  • ceramic or cemented carbide e.g., tungsten carbide or aluminum nitride
  • the supply and return lines are formed in the support body through passageways which are introduced side by side into the support body, e.g. are bored.
  • the supply lines in the support body each formed by a separate tube (for example, nozzle needle), which is arranged to form a (ring) gap in a passageway of the support body.
  • the return lines in the support body are each formed by the existing between the passageway and pipe (ring) gap.
  • the supply line of only a single return line is ring-shaped or partially ring-shaped, resulting in the case of an annular return line in a homogeneous spatial cooling distribution.
  • the return conduits may each be formed by a separate tube (e.g., nozzle needle) in a passageway of the support body and the inlets respectively through the passageway between the passageway and the tube
  • each of the supply lines of several return lines in particular point-symmetrical to the supply line, surrounded, wherein the return lines in turn depart from that recess of the distributor plate, in which the feed line surrounded by them opens.
  • each supply line is associated with a plurality of return lines, resulting in a homogeneous spatial cooling distribution.
  • the supply and return lines run parallel to one another in the longitudinal direction of the support structure, ie in the case of a support body in its thickness direction.
  • the invention also relates to a laser disk module having a baffle cooling device configured as above and having a laser disk which is fastened to the front side of the carrier plate of the baffle cooling device.
  • FIGS. 1 a, 1 b show a first exemplary embodiment of the impingement cooling device according to the invention for a laser disk in the mounted state (FIG. 1 a) and in an exploded view (FIG. 1 b);
  • FIG. 2 shows a schematic longitudinal section through the impingement cooling device of FIG. 1 in the region of a supply line arranged between two return lines;
  • FIG. 3 shows a second embodiment of the impingement cooling device according to the invention in a schematic longitudinal section analogous to FIG. 2;
  • FIG. 4 shows a third embodiment of the impingement cooling device according to the invention in a schematic longitudinal section analogous to FIG. 2;
  • FIG. 5 shows a fourth exemplary embodiment of the impingement cooling device according to the invention in a schematic longitudinal section analogous to FIG. 2.
  • baffle cooling device 1 is used for cooling a laser disk 2 of a disk laser (not shown) by means of a cooling liquid.
  • the laser disk 2 is formed of laser active reinforcing material and may, for example, a Yb: YAG, Yb: LuAG, Yb: YAG, Yb: YLF, Yb: Lu 2 0 3 , Yb: LuAG, Yb: CALGO, Nd: YAG or Nd: YVO 4 crystal with a thickness of about 50 pm to about 500 ⁇ m.
  • the impingement cooling device 1 comprises a disk-shaped support plate 3, on the front side 3a of which the laser disk 2 is fastened, and a rear support structure 4 on which the rear side 3b of the support plate 3 is fastened.
  • the support structure 4 has a disk-shaped distributor plate 5, a disk-shaped nozzle plate 6 and a cylindrical support body (support block) 7 with a diameter of about 25- 40 mm.
  • the rear side 3b of the carrier plate 3 is fixed to the front side 5a of the distributor plate 5, the rear side 5b of which is in turn secured to the front side 6a of the nozzle plate 6.
  • the rear side 6b of the nozzle plate 6 is fixed to the front side 7a of the support body 7.
  • the carrier plate 3 is made of a diamond material, e.g. CVD diamond or polycrystalline diamond composite (PDC), which has a high thermal conductivity and at the same time a sufficiently high inherent rigidity in order to avoid a significant influence on the shape of the mounted on the front side 3a laser disc 2 by backside cooling structures.
  • the support plate 3 is only about 2-4mm thick.
  • the distributor plate 5 has a plurality of recesses 8 which are open towards the rear side 3b of the carrier plate 3 as well as to the front side 6a of the nozzle plate 6, thus extending as through-openings from the front side 5a to the rear side 5b of the distributor plate 5.
  • the distributor plate 5 may also be formed of a diamond material (e.g., CVD or PDC diamond) or alternatively ceramic or cemented carbide (e.g., tungsten carbide or aluminum nitride) to optimize cooling performance.
  • a diamond material e.g., CVD or PDC diamond
  • ceramic or cemented carbide e.g., tungsten carbide or aluminum nitride
  • the distributor plate 5 is only approx.
  • the nozzle plate 6 is formed of ceramic or hard metal and has a plurality of small nozzle openings 9 and a plurality of through channels 10, wherein each nozzle opening 9 is surrounded by a plurality of feedthrough channels 10.
  • the nozzle openings 9 are each directed at right angles to the back of the support plate 3.
  • the nozzle plate 6 is only about 0.5 mm thick.
  • the support body 7 is formed of ceramic or hard metal (eg tungsten carbide or aluminum nitride) and has a plurality of cooling liquid supply lines and return lines 11, 12 formed as passage channels with a line diameter of 0.3-5 mm (preferably 3 mm) parallel extend to each other in the thickness direction of the support body 7.
  • each supply line 1 1 is surrounded by several, here by way of example six return lines 12.
  • Each feed line 1 1 opens via one of the nozzle openings 9 of the nozzle plate 6 in one of the recesses 8 of the distributor plate 5. From each recess 8 in turn go through the passage channels 10 of the nozzle plate 5 from those six return lines 12, which the opening into this recess 8 Surrounding supply line 1 1.
  • the support body 7 is between 0.5cm to 10cm thick.
  • soldering, bonding, sintering or bonding processes are provided, depending on the material pairing.
  • a solder attention must be paid to compatibility between the solder and the cooling circuit with regard to corrosion.
  • brazing alloys based on copper and / or silver are used.
  • cooling liquid 13 flows into the impingement cooling device 1 via the supply line 1 1 of the support body 7 to the nozzle openings 9 of the nozzle plate 5 a. Since the opening cross-section of the nozzle opening 9 is smaller than the line cross-section of the supply line 1 1, the cooling liquid 13 exits the nozzle opening 9 accelerated in the recess 8 and bounces there against the back of the support plate 3 3b, which is thereby cooled.
  • This impingement cooling is designated 14 in FIG.
  • the bounced cooling liquid 13 then flows within the Recess 8 radially on the outside and on the through channels 10 of the nozzle plate 6 in the return lines 12 of the support body 7 a.
  • the impingement cooling device 1 shown in FIG. 3 differs only in that here the recess 8 of the distributor plate 5 is closed towards the back 3b of the carrier plate 3 through a bottom 17 of the distributor plate 5.
  • the cooling liquid 13 bounces against the bottom 17 of the distributor plate 3, so that the carrier plate 3 is not cooled directly by the cooling liquid 13, but indirectly via the bottom 17 of the distributor plate 3.
  • the direct contact between the cooling liquid 13 and a solder located between the carrier plate 3 and distributor plate 3 is thereby avoided and the risk of corrosion is reduced.
  • the impact cooling device 1 shown in FIG. 4 differs in that here the rear side 3b of the support plate 3 has the recess 8 'which is open toward the front side 7a of the support body 7 and is fastened directly to the front side 7a of the support body 7 is.
  • the supply line 1 1 opens into the recess 8 of the support plate 3, from which in turn the return lines 12 depart.
  • the cooling liquid 13 exits from the supply line 1 1 directly into the recess 8 and bounces there against the back 3b of the support plate 3, which is thereby cooled.
  • the recess 8 ' is introduced, for example, by laser processing in the back 3b of the support plate 3.
  • This structured back 3b of the support plate 3 is then soldered to the front side 7a of the support body 7 with brazing material.
  • the required supply and return lines 1 1, 12 are introduced into the supporting body 7 by spark erosion.
  • the support body 7 may be composed of individual laser cut perforated discs, which are soldered together in a stack and their holes are aligned with each other to form the continuous supply and return lines 1 1, 12 in the stack.
  • the impingement cooling device 1 shown in Fig. 5 differs only in that here the supply line 1 1 in the support body 7 by a separate, free-standing pipe 14 (eg stainless steel) is formed in a passage 15 of the support body 7 below Forming an annular gap 16 is arranged, and in the support body 7 only a single return line 12 extends, which is formed by the present between the pipe 14 and passage 15 annular gap 16.
  • the tube 14 extends with its one, free end up to the recess 8 'zoom in and is fixed at its other, fixed end to the back of the support body 7.
  • the distributor plate 5 of FIG. 3 or the carrier plate 3 of FIG. 4 can be used.

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Abstract

In an impingement cooling device (1) for a laser disc (2), having a, more particularly disc-shaped, carrier plate (3), on the front side (3a) of which the laser disc (2) can be secured, a supporting structure (4), on the front side of which the rear side (3b) of the carrier plate (3) is secured, and an impingement cooling arrangement (14) for cooling the carrier plate (3) by means of a cooling liquid (13), wherein the supporting structure (4) has a plurality of cooling liquid feed lines (11), from which the cooling liquid (13) emerges in the direction of the rear side (3b) of the carrier plate (3), in particular at right angles with respect to the rear side (3b) of the carrier plate (3), and a plurality of cooling liquid return lines (12), according to the invention provision is made for the feed and return lines (11, 12) to run parallel to one another in the longitudinal direction of the supporting structure (4), and for the supporting structure (4) to have, in its region adjoining the rear side (3b) of the carrier plate (3), a plurality of cutouts (8) or for the rear side (3b) of the carrier plate (3) to have a plurality of cutouts (8') open towards the supporting structure (4), wherein the cooling liquid feed lines (11) lead into the plurality of cutouts (8; 8') and the cooling liquid return lines (12) lead away from the plurality of cutouts (8; 8').

Description

Prallkühlvorrichtunq für eine Laserscheibe und zugehöriges Laserscheibenmodul  Impact cooling device for a laser disc and associated laser disc module
Die Erfindung betrifft eine Prallkühlvorrichtung für eine Laserscheibe, mit einer insbesondere scheibenförmigen Trägerplatte, auf deren Vorderseite die Laser- scheibe befestigbar ist, mit einer Stützstruktur, an deren Vorderseite die Rückseite der Trägerplatte befestigt ist, und mit einer Prallkühlung zum Kühlen der Trägerplatte mittels einer Kühlflüssigkeit, wobei die Stützstruktur mehrere Kühlflüssigkeit- Zuleitungen, aus denen die Kühlflüssigkeit in Richtung auf die Rückseite der Trägerplatte, insbesondere rechtwinklig zur Rückseite der Trägerplatte, austritt, und mehrere Kühlflüssigkeit-Rückleitungen aufweist, sowie auch ein Laserscheibenmodul mit einer solchen Prallkühlvorrichtung. The invention relates to an impingement cooling device for a laser disk, with a particular disc-shaped support plate, on the front side of the laser disc can be fastened, with a support structure, on the front side, the back of the support plate is fixed, and with an impingement cooling for cooling the support plate by means of a cooling liquid wherein the support structure comprises a plurality of cooling liquid supply lines, from which the cooling liquid in the direction of the back of the support plate, in particular perpendicular to the back of the support plate exits, and a plurality of cooling liquid return lines, as well as a laser disk module with such a baffle cooling device.
Eine derartige Prallkühlvorrichtung ist beispielsweise durch die US 2014 / 0 190 665 A1 bekannt geworden. Üblicherweise werden Laserscheiben auf scheibenförmige Wärmesenken (Scheibenträger) aus CVD-Diamant geklebt, die rückseitig per Prallströmung gekühlt werden. Im Wesentlichen bestimmen nun die thermomechanischen Eigenschaften des Scheibenträgers die thermische Linsenwirkung der Laserscheibe. Dies führt zu hohen Anforderungen an Wärmeleitfähigkeit und Steifigkeit des Scheibenträgers, der daher aus CVD-Diamant ausgeführt wird, und bei höheren Laserleistungen zu dickeren Diamantscheiben, was mit hohen Herstellkosten verbunden ist. Mit anderen Worten wird höhere Steifigkeit bei nahezu gleichem Wärmewider- stand durch immer dickere Diamantscheiben erreicht. Such an impingement cooling device has become known, for example, from US 2014/0 190 665 A1. Usually, laser discs are glued to disc-shaped heat sinks (disc carrier) made of CVD diamond, which are cooled on the back by impingement flow. Essentially, the thermomechanical properties of the wafer carrier now determine the thermal lensing effect of the laser disk. This leads to high demands on thermal conductivity and stiffness of the disk carrier, which is therefore made of CVD diamond, and at higher laser powers to thicker diamond wheels, which is associated with high production costs. In other words, higher stiffness is achieved with almost the same thermal resistance by means of ever thicker diamond disks.
Die aus der eingangs genannten US 2014 / 0 190 665 A1 bekannte Prallkühlvorrichtung weist eine einzige, an die Rückseite der Trägerplatte angrenzende Aussparung und radial verlaufende Rückleitungen auf. The impact cooling device disclosed in the aforementioned US 2014/060 665 A1 has a single recess adjacent to the rear side of the carrier plate and radially extending return lines.
Bei der aus der WO 201 1/130897 A1 bekannten Prallkühlvorrichtung ist eine Laserscheibe auf einer Trägerplatte montiert, die gleichzeitig einen Resonatorspiegel eines Laserresonators bildet. Eine aus einer Düsenöffnung austretende Kühlflüssigkeit prallt gegen die selbsttragende Rückseite der Trägerplatte, die dadurch gekühlt wird. In the case of the baffle cooling device known from WO 201 1/130897 A1, a laser disk is mounted on a carrier plate which simultaneously forms a resonator mirror of a laser resonator. A cooling liquid emerging from a nozzle opening impinges against the self-supporting rear side of the carrier plate, which is cooled thereby.
Aus der EP 1 213 801 A2 ist eine Kühleinrichtung bekannt, bei der der laseraktive Festkörper an seiner mit einer Deckschicht versehenen Rückseite direkt mit Kühlwasser gekühlt wird. From EP 1 213 801 A2 a cooling device is known, in which the laser-active solid is cooled directly on its provided with a cover layer back with cooling water.
Aus US 6,339,605 B1 ist eine Kühlung für eine auf einem Kupfer-Substrat montierte Laserscheibe bekannt. Das Kupfer-Substrat wird von einer Kühlflüssigkeit durchströmt, die bis in Mikrokanäle des Kupfer-Substrats geleitet wird, welche zur Laserscheibe hin offen sind. Die Rückseite der Laserscheibe wird somit von der die Mikrokanäle durchströmenden Kühlflüssigkeit gekühlt. US Pat. No. 6,339,605 B1 discloses cooling for a laser disk mounted on a copper substrate. The copper substrate is traversed by a cooling liquid, which is passed into microchannels of the copper substrate, which are open to the laser disk. The back of the laser disk is thus cooled by the coolant flowing through the microchannels.
Weiterhin ist aus der US 2007/0297469 A1 eine Kühlung für eine Laserscheibe bekannt, die auf einer Trägerplatte aus Diamant oder Saphir montiert ist. Innerhalb der Trägerplatte verlaufen oberflächennahe Mikrokanäle für eine Kühlflüssigkeit. Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, bei einer Prallkühlvorrichtung der eingangs genannten Art eine höhere Steifigkeit der Trägerplatte bei nahezu gleichem Wärmewiderstand der Trägerplatte zu erreichen, ohne dafür die Dicke der (Diamant)Trägerplatte erhöhen zu müssen. Furthermore, US 2007/0297469 A1 discloses a cooling system for a laser disk, which is mounted on a support plate made of diamond or sapphire. Within the carrier plate, near-surface microchannels extend for a cooling liquid. The present invention is based on the object, in an impingement cooling device of the type mentioned to achieve a higher stiffness of the support plate with almost the same thermal resistance of the support plate, without having to increase the thickness of the (diamond) support plate.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Zu- und Rücklei- tungen parallel zueinander in Längsrichtung der Stützstruktur verlaufen, und dass die Stützstruktur in ihrem an die Rückseite der Trägerplatte angrenzenden Bereich mehrere Aussparungen oder die Rückseite der Trägerplatte mehrere zur Stützstruktur hin offene Aussparungen aufweist, wobei die Kühlflüssigkeit-Zuleitungen in die mehreren Aussparungen münden und die Kühlflüssigkeit-Rückleitungen von den mehreren Aussparungen abgehen. Erfindungsgemäß erlauben eine Trägerplatte (z.B. aus Diamantwerkstoff) und eine von der Kühlflüssigkeit durchflossene, versteifende rückseitige Stützstruktur (z.B. aus Wolframcarbid oder Aluminiumnitrid) die Beibehaltung des geringen Wärmewiderstands einer Diamantwärmesenke. Da der Wärmewiderstand der Stützstruktur die Temperatur der Laserscheibe nicht beeinflusst, können hier Materialien mit hoher Steifigkeit und mit relativ hohem Wärmewiderstand eingesetzt werden. This object is achieved in that the supply and return lines parallel to each other in the longitudinal direction of the support structure, and that the support structure has in its adjacent to the back of the support plate area a plurality of recesses or the back of the support plate a plurality of recesses open towards the support structure wherein the cooling liquid supply lines open into the plurality of recesses and the cooling liquid return lines depart from the plurality of recesses. In accordance with the present invention, a backing plate (e.g., diamond material) and a stiffening back support structure (e.g., tungsten carbide or aluminum nitride) flowed through by the cooling fluid allow the low thermal resistance of a diamond heat sink to be maintained. Since the thermal resistance of the support structure does not affect the temperature of the laser disc, materials with high rigidity and with relatively high thermal resistance can be used here.
FEM-Rechnungen haben gezeigt, dass eine ca. 2 mm dicke Trägerplatte aus CVD-Diamant und eine rückseitige Stützstruktur aus Wolframcarbid einen etwa gleichgroßen mechanischen Widerstand gegen ein thermisch induziertes Durch- biegen der Laserscheibe aufweisen wie eine ca. 10 mm dicke, rückseitig nicht abgestützte Trägerplatte aus CVD-Diamant. Weiterhin haben die FEM-Rechnungen gezeigt, dass eine ca. 2 mm dicke Trägerplatte aus polykristallinem Diamant- Komposit (PDC) und eine rückseitige Stützstruktur aus Wolframcarbid einen etwa gleichgroßen mechanischen Widerstand gegen ein thermisch induziertes Durch- biegen der Laserscheibe aufweisen wie eine ca. 3-4 mm dicke, rückseitig nicht abgestützte Trägerplatte aus CVD-Diamant. FEM calculations have shown that an approx. 2 mm thick CVD diamond backing plate and a tungsten carbide back support structure have approximately the same mechanical resistance to thermally induced bending of the laser disk as an approx. 10 mm thick, non-supported back surface Support plate made of CVD diamond. Furthermore, the FEM calculations have shown that an approx. 2 mm thick polycrystalline diamond composite (PDC) support plate and a tungsten carbide back support structure have approximately the same mechanical resistance to thermally induced bending of the laser disk as an approx -4 mm thick, non-supported backing plate made of CVD diamond.
Die Aussparungen der Stützstruktur können entweder zur Rückseite der Trägerplatte hin offen sein, so dass die Kühlflüssigkeit direkt gegen die Rückseite der Trägerplatte prallt (unmittelbarer Wärmeübergang der Trägerplatte in die Kühlflüssigkeit), oder aber zur Rückseite der Trägerplatte hin geschlossen sein, so dass die Kühlflüssigkeit gegen einen Boden der Trägerplatte prallt. Im letzteren Fall wird der direkte Kontakt zwischen der Kühlflüssigkeit und einem zwischen Trägerplatte und Stützstruktur befindlichen Lot vermieden und dadurch die Gefahr von Korrosion verringert. The recesses of the support structure may be open either to the back of the support plate, so that the cooling liquid directly against the back of the Support plate bounces (direct heat transfer of the support plate in the cooling liquid), or be closed to the back of the support plate out, so that the cooling liquid bounces against a bottom of the support plate. In the latter case, the direct contact between the cooling liquid and a solder located between the support plate and the support structure is avoided, thereby reducing the risk of corrosion.
Vorzugsweise ist die Trägerplatte aus Diamantwerkstoff (z.B. CVD-Diamant oder polykristallines Diamant-Komposit (PDC)) gebildet und weist insbesondere eine Dicke von höchstens 5mm, bevorzugt höchstens 3mm, besonders bevorzugt höchstens 2mm, auf. Der Diamantwerkstoff bietet hohe Wärmeleitfähigkeit und gleichzeitig genug Eigensteifigkeit, um zu verhindern, dass die Form der vorderseitig montierten Laserscheibe durch die rückseitigen Kühlstrukturen signifikant beeinflusst wird. Die Trägerplatte und die Stützstruktur sind je nach Materialpaa- rung aneinander gelötet, geklebt, gesintert oder durch sogenanntes Bonden, also durch eine mechanisch belastbare, starre Verbindung zwischen zwei Festkörpern ohne Bildung einer Zwischenschicht, miteinander verbunden. Preferably, the backing plate is formed of diamond material (e.g., CVD diamond or polycrystalline diamond composite (PDC)) and more particularly has a thickness of at most 5mm, preferably at most 3mm, more preferably at most 2mm. The diamond material offers high thermal conductivity and at the same time enough inherent rigidity to prevent the shape of the front-mounted laser disk from being significantly affected by the backside cooling structures. Depending on the material pairing, the carrier plate and the support structure are soldered, glued, sintered or connected to one another by so-called bonding, ie by a mechanically strong, rigid connection between two solids without the formation of an intermediate layer.
Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist die Rückseite der Trägerplatte an der Vorderseite einer Verteilerplatte befestigt, welche die Aussparungen aufweist, wobei die Rückseite der Verteilerplatte an einem Stützkörper befestigt ist, der die Zu- und Rückleitungen aufweist. Vorzugsweise ist der Stützkörper aus Keramik oder Hartmetall gebildet und weist insbesondere eine Dicke von mindestens 1 cm, bevorzugt zwischen 2cm und 10cm, auf. Vorteilhafterweise erstrecken sich die Aussparungen als Durchgangsöffnungen bis zur Rückseite der Verteilerplatte. Alternativ kann die Verteilerplatte aber auch stromaufwärts ihrer Aussparungen Düsenöffnungen aufweisen, die in Richtung auf die Rückseite der Trägerplatte, insbesondere rechtwinklig zur Rückseite der Trägerplatte, ausgerichtet sind. Die Verteilerplatte kann entweder aus Diamantwerkstoff oder, was be- vorzugt ist, aus Keramik oder Hartmetall (z.B. Wolframcarbid oder Aluminiumnitrid) gebildet sein und insbesondere eine Dicke von mindestens 0,3mm, bevorzugt mindestens 0,5mm, aufweisen. Die Aussparungen der Verteilerplatte können zur Rückseite der Trägerplatte hin offen sein, insbesondere sich als Durchgangsöffnungen von der Vorderseite bis zur Rückseite der Verteilerplatte erstrecken, so dass die Kühlflüssigkeit gegen die Rückseite der Trägerplatte prallt, oder aber durch einen Boden der Verteilerplatte geschlossen sein, so dass die Kühlflüssigkeit gegen den Boden der Verteilerplatte prallt. In particularly preferred embodiments of the invention, the back of the carrier plate is fixed to the front of a distributor plate having the recesses, the back of the distributor plate being attached to a support body having the supply and return lines. Preferably, the support body is formed of ceramic or hard metal and in particular has a thickness of at least 1 cm, preferably between 2cm and 10cm on. Advantageously, the recesses extend as passage openings to the rear of the distributor plate. Alternatively, however, the distributor plate may also have upstream of its recesses nozzle openings, which are aligned in the direction of the back of the carrier plate, in particular at right angles to the back of the carrier plate. The distributor plate may be formed either from diamond material or, as is preferred, from ceramic or hard metal (eg tungsten carbide or aluminum nitride) and in particular have a thickness of at least 0.3 mm, preferably at least 0.5 mm. The recesses of the distributor plate may be open towards the rear side of the carrier plate, in particular extending as passage openings from the front side to the rear side of the distributor plate, so that the cooling fluid impacts against the rear side of the carrier plate, or be closed by a bottom of the distributor plate, so that the coolant splashes against the bottom of the distributor plate.
In einer Weiterbildung ist zwischen der Verteilerplatte und dem Stützkörper eine Düsenplatte mit Düsenöffnungen, welche die Zuleitungen des Stützkörpers jeweils mit den Aussparungen der Verteilerplatte verbinden und in Richtung auf die Rückseite der Trägerplatte, insbesondere rechtwinklig zur Rückseite der Trägerplatte, ausgerichtet sind, und mit Durchgangsöffnungen, welche die Aussparungen der Verteilerplatte mit den Rückleitungen verbinden, angeordnet. Durch die Düsenöffnung wird die Kühlflüssigkeit beschleunigt gegen die Rückseite der Trägerplatte geprallt. Vorzugsweise ist die Düsenplatte aus Diamantwerkstoff (z.B. CVD- oder PDC-Diamant), Keramik oder Hartmetall (z.B. Wolframcarbid oder Aluminiumnitrid) gebildet und weist insbesondere eine Dicke von mindestens 0,3mm, bevorzugt mindestens 0,5mm, auf. Vorzugsweise sind die einzelnen Komponenten der Stützstruktur je nach Materialpaarung jeweils aneinander gelötet, z.B. mittels Hartlot auf Kupfer-und/oder Silberbasis, oder aber geklebt, gesintert oder gebonded. In a development, between the distributor plate and the support body, a nozzle plate with nozzle openings, which connect the leads of the support body respectively with the recesses of the distributor plate and in the direction of the back of the support plate, in particular at right angles to the back of the support plate, aligned, and with through holes, which connect the recesses of the distributor plate with the return lines arranged. Through the nozzle opening, the cooling liquid is accelerated against the back of the support plate bounced. Preferably, the nozzle plate is formed of diamond material (e.g., CVD or PDC diamond), ceramic or cemented carbide (e.g., tungsten carbide or aluminum nitride), and more preferably has a thickness of at least 0.3mm, preferably at least 0.5mm. Preferably, the individual components of the support structure are soldered to one another depending on the material pairing, e.g. by brazing on copper and / or silver, or glued, sintered or gebonded.
Bei anderen besonders bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist vorge- sehen, dass die Rückseite der Trägerplatte die Aussparungen aufweist und an der Vorderseite eines Stützkörpers befestigt ist, der die Zuleitungen und Rückleitungen aufweist. Eine Trägerplatte aus CVD-Diamant kann z.B. durch Laserbearbeitung rückseitig mit den Aussparungen zum Auftreffen der Prallströmung versehen sein und dann ein Schaft aus z.B. Wolframcarbid mit Hartlot auf die strukturierte Rückseite aufgelötet werden. Anschließend können die benötigten Zu- und Rückleitungen per Funkenerosion in das Wolframcarbid eingebracht werden. Alternativ kann der Stützkörper auch aus einzelnen laserzugeschnittenen Lochscheiben zusammengesetzt sein, die zu einem Stapel zusammengelötet sind und deren Lö- eher miteinander fluchten, um im Stapel durchgehende Zu- und Rückleitungen auszubilden. In other particularly preferred embodiments of the invention, it is provided that the rear side of the carrier plate has the recesses and is fastened to the front side of a support body which has the feed lines and return lines. A carrier plate made of CVD diamond can be provided, for example, by laser processing on the back with the recesses for impinging the impact flow and then a shaft made of, for example, tungsten carbide with brazing solder on the structured back. Subsequently, the required supply and return lines can be introduced by spark erosion in the tungsten carbide. Alternatively, the support body can also be composed of individual laser-cut perforated disks, which are soldered together to form a stack and whose soldering rather aligned with each other to form in the stack through feed and return lines.
Der Stützkörper ist bevorzugt aus Keramik oder Hartmetall (z.B. Wolframcarbid oder Aluminiumnitrid) gebildet und weist eine Dicke von mindestens 0,5cm, bevorzugt zwischen 0,5cm und 10cm, auf, um die Steifigkeit der Trägerplatte in ausreichendem Maß zu erhöhen. The support body is preferably formed of ceramic or cemented carbide (e.g., tungsten carbide or aluminum nitride) and has a thickness of at least 0.5cm, preferably between 0.5cm and 10cm, in order to sufficiently increase the rigidity of the support plate.
In einer Ausführungsvariante der Erfindung sind die Zu- und Rückleitungen im Stützkörper durch Durchgangskanäle gebildet, die nebeneinander in den Stützkörper eingebracht, z.B. gebohrt sind. In einer hierzu alternativen Ausführungsvariante sind die Zuleitungen im Stützkörper hingegen jeweils durch ein separates Rohr (z.B. Düsennadel) gebildet, das unter Ausbildung eines (Ring)Spalts in einem Durchgangskanal des Stützkörpers angeordnet ist. Die Rückleitungen im Stützkörper sind jeweils durch den zwischen Durchgangskanal und Rohr vorhandenen (Ring)Spalt gebildet. In diesem Fall ist die Zuleitung von nur einer einzigen Rückleitung ring- oder teilringförmig umgeben, was im Fall einer ringförmigen Rückleitung in einer homogenen räumlichen Kühlungsverteilung resultiert. Alternativ können auch umgekehrt die Rückleitungen jeweils durch ein separates Rohr (z.B. Düsennadel) in einem Durchgangskanal des Stützkörpers und die Zuleitungen jeweils durch den zwischen Durchgangskanal und Rohr vorhandenen In one embodiment of the invention, the supply and return lines are formed in the support body through passageways which are introduced side by side into the support body, e.g. are bored. In an alternative embodiment, the supply lines in the support body, however, each formed by a separate tube (for example, nozzle needle), which is arranged to form a (ring) gap in a passageway of the support body. The return lines in the support body are each formed by the existing between the passageway and pipe (ring) gap. In this case, the supply line of only a single return line is ring-shaped or partially ring-shaped, resulting in the case of an annular return line in a homogeneous spatial cooling distribution. Alternatively, conversely, the return conduits may each be formed by a separate tube (e.g., nozzle needle) in a passageway of the support body and the inlets respectively through the passageway between the passageway and the tube
(Ring)Spalt gebildet sein. (Ring) gap formed.
Vorzugsweise ist jede der Zuleitungen von mehreren Rückleitungen, insbesondere punktsymmetrisch zur Zuleitung, umgeben, wobei die Rückleitungen wiederum von derjenigen Aussparung der Verteilerplatte abgehen, in welche die von ihnen umgebene Zuleitung mündet. Mit anderen Worten sind jeder Zuleitung mehrere Rückleitungen zugeordnet, was in einer homogenen räumlichen Kühlungsverteilung resultiert. Aber auch eine inhomogene räumliche Kühlungsverteilung, z.B. aufgrund nur einer Rückleitung pro Zuleitung, kann eingesetzt werden, insbesondere wenn das Material der Trägerplatte eine ausreichend hohe Wärmespreizung innerhalb der Trägerplatte erlaubt. Vorteilhafterweise verlaufen die Zu- und Rückleitungen parallel zueinander in Längsrichtung der Stützstruktur, also im Falle eines Stützkörpers in dessen Dickenrichtung. Die Erfindung betrifft auch ein Laserscheibenmodul mit einer wie oben ausgebildeten Prallkühlvorrichtung und mit einer Laserscheibe, die an der Vorderseite der Trägerplatte der Prallkühlvorrichtung befestigt ist. Preferably, each of the supply lines of several return lines, in particular point-symmetrical to the supply line, surrounded, wherein the return lines in turn depart from that recess of the distributor plate, in which the feed line surrounded by them opens. In other words, each supply line is associated with a plurality of return lines, resulting in a homogeneous spatial cooling distribution. But even an inhomogeneous spatial cooling distribution, eg due to only one return line per supply line, can be used, in particular if the material of the carrier plate allows a sufficiently high heat spread within the carrier plate. Advantageously, the supply and return lines run parallel to one another in the longitudinal direction of the support structure, ie in the case of a support body in its thickness direction. The invention also relates to a laser disk module having a baffle cooling device configured as above and having a laser disk which is fastened to the front side of the carrier plate of the baffle cooling device.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Further advantages and advantageous embodiments of the subject invention will become apparent from the description, the claims and the drawings. Likewise, the features mentioned above and the features listed further can be used individually or in combination in any combination. The embodiments shown and described are not to be understood as exhaustive enumeration, but rather have exemplary character for the description of the invention.
Es zeigen: Show it:
Fign. 1 a, 1 b ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Prallkühlvor- richtung für eine Laserscheibe im montierten Zustand (Fig. 1a) und in einer Explosionsdarstellung (Fig. 1 b); FIGS. 1 a, 1 b show a first exemplary embodiment of the impingement cooling device according to the invention for a laser disk in the mounted state (FIG. 1 a) and in an exploded view (FIG. 1 b);
Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch die Prallkühlvorrichtung von Fig. 1 im Bereich einer zwischen zwei Rückleitungen angeordneten Zuleitung;  FIG. 2 shows a schematic longitudinal section through the impingement cooling device of FIG. 1 in the region of a supply line arranged between two return lines; FIG.
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Prallkühlvorrichtung in einem schematischen Längsschnitt analog zu Fig. 2;3 shows a second embodiment of the impingement cooling device according to the invention in a schematic longitudinal section analogous to FIG. 2;
Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Prallkühlvorrichtung in einem schematischen Längsschnitt analog zu Fig. 2; und4 shows a third embodiment of the impingement cooling device according to the invention in a schematic longitudinal section analogous to FIG. 2; and
Fig. 5 ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Prallkühlvorrichtung in einem schematischen Längsschnitt analog zu Fig. 2. 5 shows a fourth exemplary embodiment of the impingement cooling device according to the invention in a schematic longitudinal section analogous to FIG. 2.
In der folgenden Figurenbeschreibung werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet. Die in Fign. 1a und 1 b gezeigte Prallkühlvorrichtung 1 dient zum Kühlen einer Laserscheibe 2 eines Scheibenlasers (nicht gezeigt) mittels einer Kühlflüssigkeit. Die Laserscheibe 2 ist aus laseraktivem Verstärkungsmaterial gebildet und kann beispielsweise ein Yb:YAG-, Yb:LuAG-, Yb:YAG-, Yb:YLF-, Yb:Lu203-, Yb:LuAG-, Yb:CALGO-, Nd:YAG- oder Nd:YV04-Kristall mit einer Dicke von ca. 50pm bis ca. 500μιη sein. In the following description of the figures identical reference numerals are used for identical or functionally identical components. The in Fign. 1a and 1b shown baffle cooling device 1 is used for cooling a laser disk 2 of a disk laser (not shown) by means of a cooling liquid. The laser disk 2 is formed of laser active reinforcing material and may, for example, a Yb: YAG, Yb: LuAG, Yb: YAG, Yb: YLF, Yb: Lu 2 0 3 , Yb: LuAG, Yb: CALGO, Nd: YAG or Nd: YVO 4 crystal with a thickness of about 50 pm to about 500 μm.
Die Prallkühlvorrichtung 1 umfasst eine scheibenförmige Trägerplatte 3, auf deren Vorderseite 3a die Laserscheibe 2 befestigt ist, und eine rückseitige Stützstruktur 4, an der die Rückseite 3b der Trägerplatte 3 befestigt ist. Die Stützstruktur 4 weist eine scheibenförmige Verteilerplatte 5, eine scheibenförmige Düsenplatte 6 und einen zylindrischen Stützkörper (Stützblock) 7 mit einem Durchmesser von ca. 25- 40mm auf. Die Rückseite 3b der Trägerplatte 3 ist an der Vorderseite 5a der Verteilerplatte 5 befestigt, deren Rückseite 5b wiederum an der Vorderseite 6a der Düsenplatte 6 befestigt ist. Die Rückseite 6b der Düsenplatte 6 ist an der Vorderseite 7a des Stützkörpers 7 befestigt. The impingement cooling device 1 comprises a disk-shaped support plate 3, on the front side 3a of which the laser disk 2 is fastened, and a rear support structure 4 on which the rear side 3b of the support plate 3 is fastened. The support structure 4 has a disk-shaped distributor plate 5, a disk-shaped nozzle plate 6 and a cylindrical support body (support block) 7 with a diameter of about 25- 40 mm. The rear side 3b of the carrier plate 3 is fixed to the front side 5a of the distributor plate 5, the rear side 5b of which is in turn secured to the front side 6a of the nozzle plate 6. The rear side 6b of the nozzle plate 6 is fixed to the front side 7a of the support body 7.
Die Trägerplatte 3 ist aus einem Diamantwerkstoff, z.B. aus CVD-Diamant oder polykristallinem Diamant-Komposit (PDC), gebildet, der eine hohe Wärmeleitfähig- keit und gleichzeitig eine ausreichend hohe Eigensteifigkeit aufweist, um eine signifikante Beeinflussung der Form der auf der Vorderseite 3a montierten Laserscheibe 2 durch rückseitige Kühlstrukturen zu vermeiden. Bevorzugt ist die Trägerplatte 3 lediglich ca. 2-4mm dick. Die Verteilerplatte 5 weist mehrere sowohl zur Rückseite 3b der Trägerplatte 3 als auch zur Vorderseite 6a der Düsenplatte 6 hin offene Aussparungen 8 auf, die sich also als Durchgangsöffnungen von der Vorderseite 5a bis zur Rückseite 5b der Verteilerplatte 5 erstrecken. Die Verteilerplatte 5 kann zur Optimierung des Kühlverhaltens ebenfalls aus einem Diamantwerkstoff (z.B. CVD- oder PDC- Diamant) oder alternativ aus Keramik oder Hartmetall (z.B. Wolframcarbid oder Aluminiumnitrid) gebildet sein. Bevorzugt ist die Verteilerplatte 5 lediglich ca. The carrier plate 3 is made of a diamond material, e.g. CVD diamond or polycrystalline diamond composite (PDC), which has a high thermal conductivity and at the same time a sufficiently high inherent rigidity in order to avoid a significant influence on the shape of the mounted on the front side 3a laser disc 2 by backside cooling structures. Preferably, the support plate 3 is only about 2-4mm thick. The distributor plate 5 has a plurality of recesses 8 which are open towards the rear side 3b of the carrier plate 3 as well as to the front side 6a of the nozzle plate 6, thus extending as through-openings from the front side 5a to the rear side 5b of the distributor plate 5. The distributor plate 5 may also be formed of a diamond material (e.g., CVD or PDC diamond) or alternatively ceramic or cemented carbide (e.g., tungsten carbide or aluminum nitride) to optimize cooling performance. Preferably, the distributor plate 5 is only approx.
0,5mm dick. Die Düsenplatte 6 ist aus Keramik oder Hartmetall gebildet und weist mehrere kleine Düsenöffnungen 9 und mehrere Durchgangskanäle 10 auf, wobei jede Düsenöffnung 9 von mehreren Durchführungskanälen 10 umgeben ist. Die Düsenöffnungen 9 sind jeweils rechtwinklig auf die Rückseite der Trägerplatte 3 gerichtet. Bevorzugt ist die Düsenplatte 6 lediglich ca. 0,5 mm dick. 0.5mm thick. The nozzle plate 6 is formed of ceramic or hard metal and has a plurality of small nozzle openings 9 and a plurality of through channels 10, wherein each nozzle opening 9 is surrounded by a plurality of feedthrough channels 10. The nozzle openings 9 are each directed at right angles to the back of the support plate 3. Preferably, the nozzle plate 6 is only about 0.5 mm thick.
Der Stützkörper 7 ist aus Keramik oder Hartmetall (z.B. Wolframcarbid oder Aluminiumnitrid) gebildet und weist mehrere als Durchgangskanäle ausgebildete Kühlflüssigkeit-Zuleitungen und -Rückleitungen 11 , 12 mit einem Leitungsdurch- messer von 0,3-5mm (bevorzugt 3 mm) auf, die parallel zueinander in der Dickenrichtung des Stützkörpers 7 verlaufen. Dabei ist jede Zuleitung 1 1 von mehreren, hier beispielhaft sechs Rückleitungen 12 umgeben. Jede Zuleitung 1 1 mündet über eine der Düsenöffnungen 9 der Düsenplatte 6 in eine der Aussparungen 8 der Verteilerplatte 5. Von jeder Aussparung 8 gehen wiederum über die Durch- gangskanäle 10 der Düsenplatte 5 diejenigen sechs Rückleitungen 12 ab, welche die in diese Aussparung 8 mündende Zuleitung 1 1 umgeben. Bevorzugt ist der Stützkörper 7 zwischen 0,5cm bis 10cm dick. The support body 7 is formed of ceramic or hard metal (eg tungsten carbide or aluminum nitride) and has a plurality of cooling liquid supply lines and return lines 11, 12 formed as passage channels with a line diameter of 0.3-5 mm (preferably 3 mm) parallel extend to each other in the thickness direction of the support body 7. In this case, each supply line 1 1 is surrounded by several, here by way of example six return lines 12. Each feed line 1 1 opens via one of the nozzle openings 9 of the nozzle plate 6 in one of the recesses 8 of the distributor plate 5. From each recess 8 in turn go through the passage channels 10 of the nozzle plate 5 from those six return lines 12, which the opening into this recess 8 Surrounding supply line 1 1. Preferably, the support body 7 is between 0.5cm to 10cm thick.
Zur Verbindung der einzelnen Komponenten 3, 5-7 der Prallkühlvorrichtung 1 sind je nach Materialpaarung Lötungen, Klebungen, Sinterungen oder Bondprozesse vorgesehen. Bei der Lotauswahl muss auf eine Kompatibilität zwischen Lot und Kühlkreislauf in Bezug auf Korrosion geachtet werden. Vorzugsweise werden daher - und auch wegen ihrer starken Haftung, hohen Festigkeit und Steifigkeit - Hartlote auf Kupfer-und/oder Silberbasis verwendet. For connection of the individual components 3, 5-7 of the impingement cooling device 1, soldering, bonding, sintering or bonding processes are provided, depending on the material pairing. When choosing a solder, attention must be paid to compatibility between the solder and the cooling circuit with regard to corrosion. Preferably, therefore, and also because of their strong adhesion, high strength and rigidity, brazing alloys based on copper and / or silver are used.
Wie in Fig. 2 lediglich schematisch für eine einzige Zuleitung 1 1 und zwei Rückleitungen 12 gezeigt ist, strömt Kühlflüssigkeit 13 in die Prallkühlvorrichtung 1 über die Zuleitung 1 1 des Stützkörpers 7 bis zu den Düsenöffnungen 9 der Düsenplatte 5 ein. Da der Öffnungsquerschnitt der Düsenöffnung 9 kleiner als der Leitungs- querschnitt der Zuleitung 1 1 ist, tritt die Kühlflüssigkeit 13 aus der Düsenöffnung 9 beschleunigt in die Aussparung 8 aus und prallt dort gegen die Rückseite 3b der Trägerplatte 3, die dadurch gekühlt wird. Diese Prallkühlung ist in Fig. 2 insgesamt mit 14 bezeichnet. Die abgeprallte Kühlflüssigkeit 13 strömt dann innerhalb der Aussparung 8 radial auch außen weiter und über die Durchgangskanäle 10 der Düsenplatte 6 in die Rückleitungen 12 des Stützkörpers 7 ein. As shown in Fig. 2 only schematically for a single supply line 1 1 and two return lines 12 is shown, cooling liquid 13 flows into the impingement cooling device 1 via the supply line 1 1 of the support body 7 to the nozzle openings 9 of the nozzle plate 5 a. Since the opening cross-section of the nozzle opening 9 is smaller than the line cross-section of the supply line 1 1, the cooling liquid 13 exits the nozzle opening 9 accelerated in the recess 8 and bounces there against the back of the support plate 3 3b, which is thereby cooled. This impingement cooling is designated 14 in FIG. The bounced cooling liquid 13 then flows within the Recess 8 radially on the outside and on the through channels 10 of the nozzle plate 6 in the return lines 12 of the support body 7 a.
Von Fig. 2 unterscheidet sich die in Fig. 3 gezeigte Prallkühlvorrichtung 1 lediglich dadurch, dass hier die Aussparung 8 der Verteilerplatte 5 zur Rückseite 3b der Trägerplatte 3 hin durch einen Boden 17 der Verteilerplatte 5 hin geschlossen ist. Die Kühlflüssigkeit 13 prallt gegen den Boden 17 der Verteilerplatte 3, so dass die Trägerplatte 3 nicht direkt durch die Kühlflüssigkeit 13, sondern indirekt über den Boden 17 der Verteilerplatte 3 gekühlt wird. Der direkte Kontakt zwischen der Kühlflüssigkeit 13 und einem zwischen Trägerplatte 3 und Verteilerplatte 3 befindlichen Lot wird dadurch vermieden und die Gefahr von Korrosion verringert. From FIG. 2, the impingement cooling device 1 shown in FIG. 3 differs only in that here the recess 8 of the distributor plate 5 is closed towards the back 3b of the carrier plate 3 through a bottom 17 of the distributor plate 5. The cooling liquid 13 bounces against the bottom 17 of the distributor plate 3, so that the carrier plate 3 is not cooled directly by the cooling liquid 13, but indirectly via the bottom 17 of the distributor plate 3. The direct contact between the cooling liquid 13 and a solder located between the carrier plate 3 and distributor plate 3 is thereby avoided and the risk of corrosion is reduced.
Von den Fign. 2 und 3 unterscheidet sich die in Fig. 4 gezeigte Prallkühlvorrichtung 1 dadurch, dass hier die Rückseite 3b der Trägerplatte 3 die Aussparung 8', die zur Vorderseite 7a des Stützkörpers 7 hin offen ist, aufweist und unmittelbar an der Vorderseite 7a des Stützkörpers 7 befestigt ist. Die Zuleitung 1 1 mündet in die Aussparung 8 der Trägerplatte 3, von der wiederum die Rückleitungen 12 abgehen. Die Kühlflüssigkeit 13 tritt aus der Zuleitung 1 1 unmittelbar in die Aussparung 8 aus und prallt dort gegen die Rückseite 3b der Trägerplatte 3, die dadurch ge- kühlt wird. From the Fign. 2 and 3, the impact cooling device 1 shown in FIG. 4 differs in that here the rear side 3b of the support plate 3 has the recess 8 'which is open toward the front side 7a of the support body 7 and is fastened directly to the front side 7a of the support body 7 is. The supply line 1 1 opens into the recess 8 of the support plate 3, from which in turn the return lines 12 depart. The cooling liquid 13 exits from the supply line 1 1 directly into the recess 8 and bounces there against the back 3b of the support plate 3, which is thereby cooled.
Die Aussparung 8' wird beispielsweise durch Laserbearbeitung in die Rückseite 3b der Trägerplatte 3 eingebracht. Diese strukturierte Rückseite 3b der Trägerplatte 3 wird dann mit Hartlot auf die Vorderseite 7a des Stützkörpers 7 aufgelötet. Ab- schließend werden die benötigten Zu- und Rückleitungen 1 1 , 12 per Funkenerosion in den Stützkörper 7 eingebracht. Alternativ kann der Stützkörper 7 auch aus einzelnen laserzugeschnittenen Lochscheiben zusammengesetzt sein, die zu einem Stapel zusammengelötet sind und deren Löcher miteinander fluchten, um die durchgehenden Zu- und Rückleitungen 1 1 , 12 im Stapel auszubilden. The recess 8 'is introduced, for example, by laser processing in the back 3b of the support plate 3. This structured back 3b of the support plate 3 is then soldered to the front side 7a of the support body 7 with brazing material. Finally, the required supply and return lines 1 1, 12 are introduced into the supporting body 7 by spark erosion. Alternatively, the support body 7 may be composed of individual laser cut perforated discs, which are soldered together in a stack and their holes are aligned with each other to form the continuous supply and return lines 1 1, 12 in the stack.
Von Fig. 2 unterscheidet sich die in Fig. 5 gezeigte Prallkühlvorrichtung 1 lediglich dadurch, dass hier die Zuleitung 1 1 im Stützkörper 7 durch ein separates, freistehendes Rohr 14 (z.B. aus Edelstahl) gebildet ist, das in einem Durchgangskanal 15 des Stützkörpers 7 unter Ausbildung eines Ringspalts 16 angeordnet ist, und im Stützkörper 7 nur eine einzige Rückleitung 12 verläuft, die durch den zwischen Rohr 14 und Durchgangskanal 15 vorhandenen Ringspalt 16 gebildet ist. Das Rohr 14 reicht mit seinem einen, freien Ende bis an die Aussparung 8' heran und ist an seinem anderen, festen Ende an der Rückseite des Stützkörper 7 befestigt. Alternativ kann auch die Verteilerplatte 5 der Fig. 3 oder die Trägerplatte 3 der Fig. 4 eingesetzt werden. From Fig. 2, the impingement cooling device 1 shown in Fig. 5 differs only in that here the supply line 1 1 in the support body 7 by a separate, free-standing pipe 14 (eg stainless steel) is formed in a passage 15 of the support body 7 below Forming an annular gap 16 is arranged, and in the support body 7 only a single return line 12 extends, which is formed by the present between the pipe 14 and passage 15 annular gap 16. The tube 14 extends with its one, free end up to the recess 8 'zoom in and is fixed at its other, fixed end to the back of the support body 7. Alternatively, the distributor plate 5 of FIG. 3 or the carrier plate 3 of FIG. 4 can be used.

Claims

Patentansprüche claims
1 . Prallkühlvorrichtung (1) für eine Laserscheibe (2), aufweisend 1 . Impingement cooling device (1) for a laser disc (2), comprising
eine insbesondere scheibenförmige Trägerplatte (3), auf deren Vorderseite (3a) die Laserscheibe (2) befestigbar ist,  a particular disk-shaped carrier plate (3), on the front side (3a) of which the laser disk (2) can be fastened,
eine Stützstruktur (4), an deren Vorderseite die Rückseite (3b) der Trägerplatte (3) befestigt ist, und  a support structure (4) on the front side of which the rear side (3b) of the support plate (3) is fastened, and
eine Prallkühlung (14) zum Kühlen der Trägerplatte (3) mittels einer Kühlflüssigkeit (13),  an impingement cooling (14) for cooling the carrier plate (3) by means of a cooling liquid (13),
wobei die Stützstruktur (4) mehrere Kühlflüssigkeit-Zuleitungen (1 1), aus denen die Kühlflüssigkeit (13) in Richtung auf die Rückseite (3b) der Trägerplatte (3), insbesondere rechtwinklig zur Rückseite (3b) der Trägerplatte (3), austritt, und mehrere Kühlflüssigkeit-Rückleitungen (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet,  wherein the support structure (4) a plurality of cooling liquid supply lines (1 1), from which the cooling liquid (13) in the direction of the back (3b) of the support plate (3), in particular at right angles to the back (3b) of the support plate (3) emerges , and a plurality of cooling liquid return lines (12), characterized
dass die Zu- und Rückleitungen (1 1 , 12) parallel zueinander in Längsrichtung der Stützstruktur (4) verlaufen, und  that the supply and return lines (1 1, 12) extend parallel to each other in the longitudinal direction of the support structure (4), and
dass die Stützstruktur (4) in ihrem an die Rückseite (3b) der Trägerplatte (3) angrenzenden Bereich mehrere Aussparungen (8) oder die Rückseite (3b) der Trägerplatte (3) mehrere zur Stützstruktur (4) hin offene Aussparungen (8') aufweist, wobei die Kühlflüssigkeit-Zuleitungen (1 1 ) in die mehreren Aussparungen (8; 8') münden und die Kühlflüssigkeit-Rückleitungen (12) von den mehreren Aussparungen (8; 8') abgehen.  in that the support structure (4) has a plurality of recesses (8) or the rear side (3b) of the carrier plate (3) a plurality of recesses (8 ') open towards the support structure (4) in its region adjoining the rear side (3b) of the carrier plate (3). wherein the cooling liquid supply lines (1 1) into the plurality of recesses (8; 8 ') open and the cooling liquid return lines (12) from the plurality of recesses (8, 8') depart.
2. Prallkühlvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (8) der Stützstruktur (4) zur Rückseite (3b) der Trägerplatte (3) hin offen sind. 2. Impact cooling device according to claim 1, characterized in that the recesses (8) of the support structure (4) to the back (3b) of the support plate (3) are open towards.
3. Prallkühlvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (8) der Stützstruktur (4) zur Rückseite (3b) der Trägerplatte (3) hin geschlossen sind. 3. baffle cooling device according to claim 1, characterized in that the recesses (8) of the support structure (4) to the back (3b) of the support plate (3) are closed towards.
4. Prallkühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (3) aus Diamantwerkstoff gebildet ist und insbesondere eine Dicke von höchstens 5mm, bevorzugt höchstens 3mm, besonders bevorzugt höchstens 2mm, aufweist. 4. impingement cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier plate (3) is formed of diamond material and in particular a thickness of at most 5mm, preferably at most 3mm, more preferably at most 2mm.
5. Prallkühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite (3b) der Trägerplatte (3) an der Vorderseite (5a) einer Verteilerplatte (5) befestigt ist, welche die Aussparungen (8) aufweist, und dass die Rückseite (5b) der Verteilerplatte (5) an einem Stützkörper (7) befestigt ist, der die Zu- und Rückleitungen (1 1 , 12) aufweist. 5. Impact cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the back (3b) of the support plate (3) on the front side (5a) of a distributor plate (5) is fixed, which has the recesses (8), and that the back ( 5b) of the distributor plate (5) is fastened to a support body (7) which has the supply and return lines (1 1, 12).
6. Prallkühlvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (8) der Verteilerplatte (5) zur Rückseite (3b) der Trägerplatte (3) hin offen sind, insbesondere sich als Durchgangsöffnungen von der Vorderseite (5a) bis zur Rückseite (5b) der Verteilerplatte (5) erstrecken, und die Kühlflüssigkeit (13) gegen die Rückseite (3b) der Trägerplatte (3) prallt. 6. impact cooling device according to claim 5, characterized in that the recesses (8) of the distributor plate (5) to the back (3b) of the support plate (3) are open, in particular as through holes from the front (5a) to the back (5b ) of the distributor plate (5) extend, and the cooling liquid (13) against the back (3b) of the support plate (3) bounces.
7. Prallkühlvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (8) der Verteilerplatte (5) zur Rückseite (3b) der Trägerplatte (3) hin durch einen Boden (17) der Verteilerplatte (5) geschlossen sind und die Kühlflüssigkeit (13) gegen den Boden (17) der Verteilerplatte (5) prallt. 7. impact cooling device according to claim 5, characterized in that the recesses (8) of the distributor plate (5) to the back (3b) of the support plate (3) through a bottom (17) of the distributor plate (5) are closed and the cooling liquid (13 ) against the bottom (17) of the distributor plate (5) bounces.
8. Prallkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkörper (7) aus Keramik oder Hartmetall gebildet ist und insbesondere eine Dicke von mindestens 0,5cm, bevorzugt zwischen 0,5cm und 10cm, aufweist. 8. baffle cooling device according to one of claims 5 to 7, characterized in that the supporting body (7) is formed of ceramic or hard metal and in particular has a thickness of at least 0.5 cm, preferably between 0.5 cm and 10 cm.
9. Prallkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Verteilerplatte (5) und dem Stützkörper (7) eine Düsenplatte (6) mit Düsenöffnungen (9), welche die Zuleitungen (1 1 ) des Stützkörpers (7) jeweils mit den Aussparungen (8) der Verteilerplatte (5) verbinden und in Richtung auf die Rückseite (3b) der Trägerplatte (3), insbesondere rechtwinklig zur Rückseite (3b) der Trägerplatte (3), ausgerichtet sind, und mit Durchgangsöffnungen (10), welche die Aussparungen (8) der Verteilerplatte (5) mit den Rückleitungen (12) verbinden, angeordnet ist. 9. impingement cooling device according to one of claims 5 to 8, characterized in that between the distributor plate (5) and the support body (7) has a nozzle plate (6) with nozzle openings (9), which the supply lines (1 1) each of the support body (7) with the recesses (8) of the distributor plate (5) and in the direction of the back (3b) of the support plate (3), in particular at right angles to the back (3b) of the support plate (3) are aligned, and with through openings (10), which connect the recesses (8) of the distributor plate (5) with the return lines (12) is arranged.
10. Prallkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerplatte (5) und/oder die Düsenplatte (6) aus Diamantwerkstoff, Keramik oder Hartmetall gebildet ist und insbesondere eine Dicke von mindestens 0,3mm, bevorzugt mindestens 0,5mm, aufweist. 10. impingement cooling device according to one of claims 5 to 9, characterized in that the distributor plate (5) and / or the nozzle plate (6) made of diamond material, ceramic or hard metal is formed and in particular a thickness of at least 0.3mm, preferably at least 0, 5mm, has.
11. Prallkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite (3b) der Trägerplatte (3) die Aussparungen (8') aufweist und an der Vorderseite (7a) eines Stützkörpers (7) befestigt ist, der die Zuleitungen (1 1) und Rückleitungen (12) aufweist. 11. Impact cooling device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the rear side (3b) of the support plate (3) has the recesses (8 ') and on the front side (7a) of a support body (7) is attached, which the leads (1 1) and return lines (12).
12. Prallkühlvorrichtung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkörper (7) aus Keramik oder Hartmetall gebildet ist und insbesondere eine Dicke von mindestens 0,5cm, bevorzugt zwischen 0,5cm und 10cm, aufweist. 12. baffle cooling device according to claim 1 1, characterized in that the supporting body (7) is formed of ceramic or hard metal and in particular a thickness of at least 0.5 cm, preferably between 0.5 cm and 10 cm.
13. Prallkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zu- und Rückleitungen (1 1 , 12) im Stützkörper (7) durch Durchgangskanäle gebildet sind. 13. baffle cooling device according to one of claims 5 to 12, characterized in that the supply and return lines (1 1, 12) in the support body (7) are formed by passage channels.
14. Prallkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitungen (1 1 ) im Stützkörper (7) jeweils durch ein separates Rohr (14), das in einem Durchgangskanal (15) des Stützkörpers (7) angeordnet ist, und die Rückleitungen (12) im Stützkörper (7) jeweils durch einen Spalt (16) gebildet sind, der zwischen Durchgangskanal (15) und Rohr (14) vorhanden ist, oder umgekehrt. 14. Impact cooling device according to one of claims 5 to 13, characterized in that the supply lines (1 1) in the support body (7) each by a separate tube (14) which is arranged in a passageway (15) of the support body (7), and the return conduits (12) in the support body (7) are each formed by a gap (16) provided between the passageway (15) and tube (14), or vice versa.
15. Prallkühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (3) und die Stützstruktur (4) und/oder die einzelnen Komponenten (5-7) der Stützstruktur (4) jeweils aneinander gelötet, geklebt, gesintert oder gebonded sind. 15. Impact cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier plate (3) and the support structure (4) and / or the individual components (5-7) of the support structure (4) are each soldered, glued, sintered or gebonded ,
16. Prallkühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Zuleitungen (11) von mehreren Rückleitun- gen (12) umgeben ist, die von derjenigen Aussparung (8; 8') der Verteilerplatte (5) abgehen, in welche die von ihnen umgebene Zuleitung (1 1 ) mün- det. 16. An impingement cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that each of the supply lines (11) is surrounded by a plurality of return lines (12) which depart from that recess (8; 8 ') of the distributor plate (5) into which the the supply line (1 1) surrounded by them.
17. Laserscheibenmodul (20) mit einer Prallkühlvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit einer Laserscheibe (2), die an der Vorderseite (3a) der Trägerplatte (3) der Prallkühlvorrichtung (1) befestigt ist. 17. Laser disk module (20) with an impingement cooling device (1) according to one of the preceding claims and with a laser disk (2) which is fixed to the front side (3a) of the support plate (3) of the impingement cooling device (1).
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