相變散熱裝置的製作方法

2023-05-08 14:15:01 1

專利名稱：相變散熱裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種散熱裝置，特別涉及一種用於大功率雷射器的相 變散熱裝置。
背景技術：
高功率半導體雷射器迭陣和高功率全固態雷射器以其廣闊的應用前 景和巨大的潛在市場而成為各國竟相追逐的熱點。目前高功率半導體激 光器迭陣所面臨的主要問題是雷射器的低性能，即雷射器的功率、效率、 可靠性和穩定性、 一致性差等問題，這在很大程度上限制了其實際應用。 雷射器的性能除跟外延材料有關以外，還跟雷射器的熱耗散有關，由於 轉換效率等因素，發光器件的集成導致熱富集，熱富集將造成雷射器有 源區結溫升高，從而降低雷射器的光電轉換效率，使雷射器的中心波長 發生溫漂，此外，雷射器結溫過高將會在有源區引入缺陷。因此高功率 半導體雷射器迭陣器件性能的穩定性和可靠性與結溫有直接的關係。通
常情況下，高功率半導體雷射器迭陣的工作結溫低於25(TC時，雷射器 可獲得最大的光電轉換效率；工作結溫低於50(TC時，雷射器可穩定的 工作；而當工作結溫高於500°C時，雷射器的性能將很快變壞甚至失效。 因此要獲得高穩定性高可靠性高功率半導體雷射器迭陣就必須設計製作 高效率的散熱系統。無源熱沉因其熱容量的限制而僅實用於小功率雷射 器；有源大通道、小通道熱沉其熱阻也相對較高，適用於中等功率雷射器。而現有的微通道冷卻熱沉主要針對微電子集成設計的，它採用多塊 厚度均勻的薄金屬片疊合封圍而成，金屬片間熱接觸差，所能承受的水 壓低，導熱效果不好，此外這種微通道冷卻熱沉在製備高功率半導體激 光器迭陣和全固態雷射器時，由於它不能直接冷卻單個的雷射器陣列條， 因此熱沉表面的溫度會隨著冷卻液流動的方向逐漸升高，使得雷射器受 熱不均，影響雷射器的一致性，這對於雷射器的應用極為不利。
目前熱效應是制約雷射器功率提高的一個主要因素。 一方面雷射介 質的熱透鏡效應導致諧振腔工作區偏移，另 一方面雷射介質的熱退偏效 應導致雷射器在類似調Q偏振工作方式下損耗加大。合理地設計泵浦和 不同形狀的雷射介質的冷卻結構是解決雷射器器件熱效應問題所帶來的 光束質量下降的有效途徑。目前常見的側泵浦方式下棒狀雷射介質冷卻
的方式有兩種 一種是採用玻璃套液體冷卻，另外一種是利用熱沉傳導 冷卻。對於在惡劣環境下工作的雷射器，如軍用、航天用的雷射器，液 冷的雷射器結構複雜，可靠性相對較低。而熱沉傳導的雷射器結構相對 簡單、可靠性高，更適宜在上述場合下工作。
此外，在半導體泵浦的雷射器中，傳統的雷射器幾乎全部使用水來 循環冷卻，這不可避免的存在冷水機體積龐大、溫度控制不夠精準且一 般只能設置一個溫度、能耗大、噪音大等問題。目前，對半導體雷射器 的散熱一般採用熱沉、散熱片和片狀微通道，是分離的部件，有的將兩 者焊接到一起，對於小功率器件這種散熱方式可滿足要求，但是對於高功率半導體雷射器這種分離散熱或兩者的組合散熱方式，散熱效果不理 相
總之，目前的各種散熱裝置散熱效率較低，對於大功率雷射器，無 法高效率地降低雷射器工作溫度，且散熱也並不均勻，從而導致大功率 雷射器發光效率降低、輸出功率降低、光束質量下降、穩定性降低、工 作壽命減小。如果採用水循環冷卻等方式，則存在體積大且不環保等更 多問題。
發明內容
因此，本實用新型的任務是提供一種相變冷卻散熱裝置；
本實用新型的另 一 目的是提供一種大功率雷射器和雷射器陣列。
一方面，本實用新型提供了相變冷卻散熱裝置，包括蒸發室和冷凝室， 以及用於將被散熱物體發出的熱量傳導至蒸發室的導熱端，所述導熱端包 括吸熱組件，所述吸熱組件包覆於被散熱物體的四周。
上述裝置中，所述導熱端還包括散熱組件，所述蒸發室內裝有相變工 作介質，所述散熱組件的至少 一部分浸泡於所述相變工作介質中。
上述裝置中，還包括用於控制冷凝室溫度的溫度控制裝置。
進一步地，所述溫度控制裝置可以使用製冷壓縮機或半導體製冷晶片 等，也可將兩者組合使用，進一步提升散熱效率。上述裝置中，所述冷凝室與所述蒸發室通過導管連接，所述導管上可 以設有截流閥。
上述裝置中，包括多根連接所述冷凝室與所述蒸發室的導管，且所述 導管之間可以各自獨立，也可相互連通。
上述裝置中，所述散熱組件外表面設有散熱鰭片，散熱鰭片可以為螺 紋狀或鋸齒狀。
上述裝置中，所述吸熱組件側剖面為楔形或矩形。
組成的混合介質。
上述裝置尤其適用於對雷射器或雷射器陣列中發熱元件的散熱。
另一方面，本實用新型提供了一種雷射器，包括發熱元件和用於降低 發熱元件溫度的散熱裝置，所述散熱裝置使用上述的相變散熱裝置。
所述發熱元件為雷射晶體、半導體雷射晶片等泵浦源及非線性光學晶 體等。
採用上述技術方案的相變散熱裝置，具有溫控精準、結構簡單、散熱 效率高、散熱均勻、可靠性好、應用範圍廣泛等優點，成功地改善了用於 大功率雷射器的雷射晶體、非線性光學晶體或半導體雷射晶片等大功率光 學元件的散熱效果，使其散熱均勻且散熱效率提高，從而有效地提高了大功率雷射器的發光效率、光輸出功率、光束質量及工作壽命，使雷射器的 性能更為穩定可靠。而且，散熱裝置結構相對簡單使得大功率雷射器的體 積得以有效的縮小，噪音減小，能源環保，更具有規模化生產的實際價值。 此外，散熱裝置由於其各種優點，可適用於更為廣泛的範圍。


以下，結合附圖來詳細說明本實用新型的實施例，其中 圖1-圖4為相變散熱裝置的四種吸熱組件的示意圖5為相變散熱裝置的另一種吸熱組件側視圖6為內部包有吸熱組件的散熱組件的側剖面示意圖7為相變散熱裝置的側剖面示意圖8為用於列陣的相變散熱裝置的整體示意圖。
具體實施方式

以下結合附圖和實施例對本實用新型進行詳細地說明。
圖1-圖4為相變散熱裝置中的四種吸熱組件結構的示意圖。
圖1-圖2為兩種四稜台型吸熱組件，其橫截面分別為長方形和正方 形，圖3和圖4為兩種圓臺型吸熱組件，其橫截面為圓形，如圖1-圖4 所示， 一皮散熱物體101四周^C吸熱組件所包;f隻，可以快速有效地將產生的 熱量傳導出去，其中，圖1-圖3的被散熱物體分別為片狀、棒狀和塊狀， 圖4的需散熱物體也為塊狀。如圖lb-圖4b所示，由於吸熱組件側剖面 為楔形，所以能夠利用外部機械應力增加導熱接觸面。當然，吸熱組件也可為柱狀或其他合適的形狀。吸熱組件的材料採用導熱率高的材料，優選 為鋁合金等不易氧化的導熱材料。
圖1-圖4所示的吸熱組件結構適用於單點泵浦和多點泵浦的雷射器 或雷射器列陣。以上截面形狀和設計可以根據光學元件或其他被散熱器件 的不同需要而進行適當改變。
圖5給出了具有另一種側剖面形狀的吸熱組件，這種分段的側面502 與501和503具有不同傾斜度，其形狀有利於穩步而精準的固定此結構的 具體位置，且該不^見則受力面結構仍可以產生初4戒應力。
圖1-圖5給出的各種吸熱組件外表形狀，其目的都是為了便於對吸 熱組件施加應力，從而增加吸熱組件與內部光學元件和外部散熱組件的熱 接觸，提高導熱效率，本領域技術人員應當理解，在上述教導的基礎上， 可以設計出各種便於施加應力的吸熱組件結構，都應在本實用新型權利要 求保護的範圍之內。
圖6給出一種散熱組件內部包有吸熱組件的導熱端的剖面圖，被散熱 的光學元件601的表面鍍有或包裹有導熱材料608以增加熱傳導，圓臺型 吸熱組件602包覆在光學元件601的四周，再將吸熱組件602嵌入散熱組 件603。散熱組件603對稱設有散熱鰭片606,在吸熱組件602的頂部設 有接口 605,該接口可以與光路中其他光學元件連接並使光束通過，吸熱 組件602底部設有壓圈604,在壓圈604的擠壓下，^^得吸熱組件602與 光學元件601之間，以及散熱組件603的楔形內壁與吸熱組件602楔形外 壁之間，始終保持一定的應力，提高彼此的熱接觸。散熱組件的兩開口端可以按雷射器的實際設計要求進行封閉處理，也可保持全部開放。此外，
還可在散熱組件603內壁和/或吸熱組件602外壁上鍍導熱材料層607以 增加熱傳導效率。導熱材料層6 07可以為金或者其他不易被氧化的熱的良 導體材料。其中，導熱材料608和導熱材料層607也可以根據實際需要選 擇不進行鍍制。
圖7為相變散熱裝置的側剖面示意圖，包括導熱端、蒸發室和冷凝室， 其中，導熱端的結構與圖6相同，散熱組件714可以完全浸泡或者半浸泡 在蒸發室705內的相變工作介質707中，蒸發室705通過導管708與冷凝 室706連通，導管708在蒸發室的開口對準蒸發室705內放置的散熱組件 714，以便冷卻後的液體能流回到散熱組件714外表面上，所述冷凝室706 的散熱端設有散熱片712,所述散熱片712的上方設有半導體製冷晶片(簡 稱TEC) 710，在半導體製冷晶片710和冷凝室的散熱片712之間還可以 填充金屬或導熱矽膠711。上述導管708可以為單根，也可以為多根，多 根導管可以各自獨立，也可以彼此連通。導管可以是螺紋管、微肋管、收 縮管，或多孔表面管，其形狀可以為矩形、圓形或多邊形等。此外，還可 以在冷凝室706的中間部分設有一個隔熱部分709，用於防止來自外界的 幹擾或溫度幹擾並將多根導管708設置在隔熱部分709的兩側，用來進 行相變流通。隔熱部分709也可以去掉，這種情況下可以仍然採用多個導 管，也可以改為釆用一個整體導管。
圖7的散熱裝置中，散熱鰭片704除了可以加大熱傳導面積外，而且 構成了微槽群蒸發器，利用毛細效應，提升微槽內的液面，從而增加相變工作介質707的表面積，加快相變速度，提高散熱效率。蒸發室705和冷 凝室706採用耐壓材料，如金屬等，形成密封腔體，且內部抽成真空。散 熱組件714的外表面和冷凝室706的內表面可以鍍有惰性導熱材料，如導 熱塑料、導熱陶瓷等；蒸發室705和導管708的內表面可以鍍隔溫材料如 聚四氟乙烯等；相變工作介質707應當採用熱容大、相變潛熱大的有機或 無才幾溶液，如溴化鋰溶液、水、乙醇等，也可以為由兩種或兩種以上的冷 卻工作介質組成的混合介質；被散熱元件701外部鍍有的導熱材料702 可以選擇銦箔、導熱矽脂、金或銀等導熱率高的材料；整個散熱裝置除去 散熱端外的其他外部均覆蓋有隔熱材料，如聚氨酯，以保證整個裝置在工 作時不會與環境發生熱交換，確保效率。當使用的相變工作介質能對散熱 組件的外壁表面、蒸發室表面、導管表面和冷凝室表面材料產生腐蝕作用 時，則需要在可能發生腐蝕的器件表面鍍上或噴塗上熱阻小的防腐蝕材料 層。此外，相變可以為氣液相變，也可以為氣固相變。
為了能夠控制冷凝室內的溫度，還可以使用製冷壓縮機等控制裝置取 代半導體製冷晶片，或者採用半導體製冷晶片與製冷壓縮機相結合的應 用，來控制冷凝室和蒸發室內的溫度，從而精確的控制相變工作介質的沸 點，達到精確控制被散熱元件工作溫度的目的。在導管上還可以設有氣體 或液體的截流閥，用於控制蒸發室與冷凝室之間的壓強差。另外，還可以 使用如外加液體循環冷卻或傳統空氣冷卻等方式。
上述散熱裝置在工作時，首先，將塊狀雷射晶體以金箔包裹，再在 包裹有金箔的雷射晶體表面鍍一層銦膜，以使雷射晶體更好的導熱，將吸
ii熱組件從中間打開，按圖4所示將雷射晶體放入吸熱組件中，吸熱組件內 空腔的形狀應根據雷射晶體量身而制，使雷射晶體正好嵌入，吸熱組件內 壁與雷射晶體表面完全接觸，從而使導熱效果最佳。其中，吸熱組件的材 料可以為鋁合金等不易氧化的導熱材料。在吸熱組件的外表面和散熱組件 的內表面鍍上金膜，然後將內部裝有雷射晶體的吸熱組件裝入散熱組件 中，吸熱組件頂部的接口可以與光路中其他光學元件連接並使光束通過， 吸熱組件底部設有壓圈，在壓圈的擠壓下，使得吸熱組件與雷射晶體之間， 以及散熱組件的內壁與吸熱組件外壁之間，始終保持一定的應力，提高彼
此的熱接觸。散熱組件上的散熱鰭片的間距為0. 3毫米，高度為2毫米。 這些鰭片可構成微槽群蒸發器。將散熱組件放置於蒸發室中，在蒸發室內 注入溴化鋰水溶液作為相變工作介質。這樣，散熱組件全部浸泡在溶液中， 以實現完全的熱接觸。蒸發室的上部有多個導管與冷凝室連接。冷凝室的 上部散熱端的散熱片也做成鰭片狀，鰭片高4毫米，間距3毫米，鰭片結 構仍是為了增大散熱面積及加強散熱效果。在冷凝室的中間部分設有一個 隔熱部分，用於防止來自外界的幹擾，在隔熱部分的兩側的多根導管，是 蒸汽和液體的公用通道，用來進行相變流通。冷凝室頂端通過導熱矽膠或 矽脂711與半導體製冷晶片的冷端外表面緊貼在一起，半導體製冷晶片的 熱端外表面則與 一風冷鋁合金散熱片也通過導熱矽膠或矽脂緊貼在一起。 上述導熱矽膠也可以採用金屬來代替。除散熱端外的其餘外表面均被包以 l釐米厚的聚氨酯隔熱材料，以保證這套系統在工作時，不會與環境發生 熱交換，確保效率。溴化鋰水溶液是一種具有較高汽化潛熱的液體工作介質，將散熱組件完全浸泡在溴化鋰水溶液中，從而在散熱鰭片所構成的相 變加熱區域裡形成高強度的蒸發和沸騰，溶劑水變成蒸汽以帶走雷射晶體 產生的部分熱量。當部分水以蒸汽形式被蒸發後，散熱鰭片所構成的微槽 群內的溴化鋰溶液的濃度上升，變成溴化鋰濃溶液。冷卻後的液體水由於 重力通過導管流回蒸發室內，滴落在鰭片所形成的相變加熱區，對溴化鋰 濃溶液產生稀釋作用，從而再帶走部分熱量。
在上述相變散熱系統中，吸熱組件中的塊狀雷射晶體採用圖4所示
方式放置要比圖3所示結構更佳，原因是以圖4所示方式放置光學元件，
光學元件受力更為均勻，受到外部影響更小，系統更具有穩定性。
對於端面泵浦雷射器來說，對溫度控制精度要求高且需有不同基準溫 度，如果採用相變冷卻方式對雷射器內的雷射晶體、非線性光學晶體、半 導體雷射晶片等光學元件進行冷卻則是非常合適的。
與傳統的雷射器元件散熱方式相比，此種相變冷卻裝置的蒸發室中 的相變工作介質能夠對內腔裝有光學元件的導熱端進行浸泡或半浸泡， 實現散熱組件與相變工作介質的充分接觸，保證了對光學元件的均勻散 熱，從而使雷射器獲得很好的一致性，提高雷射器的整體發光效率、光 輸出功率及工作壽命。當在同一個相變蒸發室中按照一定的順序排列多
個內部裝有光學元件的導熱端，如圖IO所示，構成雷射器列陣時，則可 使雷射器集中散熱，使得雷射器的整體體積減小，光輸出功率加大。而 且，這種相變散熱方式不需另外加裝冷卻工作介質驅動裝置，使得整個 散熱系統的體積更小，製造成本更加低廉，結構更加可靠。特別適於作為大功率泵浦源的全固體雷射器和大功率的半導體雷射器，也可應用於 機載、軍用等惡劣工作條件下以簡單熱傳導方式工作的半導體雷射器和 固體雷射器。
由於雷射晶體和半導體雷射晶片等光學元件的散熱問題，普通的大功
率雷射器的輸出功率只能達到幾瓦，而使用上述圖9所示的相變散熱裝
置，在不改變雷射器的體積和成本的情況下，雷射器的輸出功率可以達到 上百瓦，實現了雷射器輸出功率的飛躍，並且由於散熱效率高，可以使光 學晶體始終保持在較低的溫度下，提高了發光效率和工作壽命，由此可見， 本實用新型的相變散熱裝置是一種強力相變散熱機構，對改善雷射晶體、 非線性光學晶體、半導體雷射晶片等光學元件的散熱問題，尤其是大功率 雷射器的散熱問題及提高光學晶體的發光效率、工作壽命有明顯改進，從 而能夠得到高光束質量的雷射輸出。
上述的結構可以用於單個光學元件，或者同一光學元件的列陣，也可 以將在同一光路中前後相連的需要散熱的幾個光學元件置於同一個散熱 裝置中，進行集中散熱。
上面結合具體的實施例對本實用新型的技術方案進行了詳盡的說明 和解釋，本領域的技術人員應當理解，上述實施例並非對本實用新型保護 範圍的限制，本實用新型的保護範圍以權利要求為準。
權利要求1. 一種相變散熱裝置，其特徵在於，包括蒸發室和冷凝室，以及用於將被散熱物體發出的熱量傳導至蒸發室的導熱端，所述導熱端包括吸熱組件，所述吸熱組件包覆於被散熱物體的四周。
2. 根據權利要求1所述的相變散熱裝置，其特徵在於，所述導熱端還包括散熱組件，所述蒸發室內裝有相變工作介質，所述散熱組件的至少一部 分浸泡於所述相變工作介質中。
3. 根據權利要求1所述的相變散熱裝置，其特徵在於，還包括用於控制 冷凝室溫度的溫度控制裝置。
4. 根據權利要求1所述的相變散熱裝置，其特徵在於，所述溫度控制裝 置為半導體製冷晶片或製冷壓縮機或者兩者的組合。
5. 根據權利要求1所述的相變散熱裝置，其特徵在於，所述冷凝室與所 述蒸發室通過至少 一根導管連接，所述導管上設有截流閥。
6. 根據權利要求1所述的相變散熱裝置，其特徵在於，所述散熱組件外 表面設有散熱鰭片。
7. 根據權利要求1所述的相變散熱裝置，其特徵在於，所述吸熱組件側 剖面為楔形或矩形。
8. —種雷射器，其特徵在於，包括發熱元件和用於降低發熱元件溫度的 散熱裝置，所述散熱裝置為權利要求1-7所述的相變散熱裝置。
9. 根據權利要求8所述的雷射器，其特徵在於，所述發熱元件為雷射晶 體、半導體雷射晶片和非線性光學晶體。
10. —種雷射器陣列，其特徵在於，包括發熱元件和用於降低發熱元件溫 度的散熱裝置，所述散熱裝置為權利要求1-7所述的相變散熱裝置。
11. 根據權利要求10所述的雷射器陣列，其特徵在於，所述發熱元件為激 光晶體、半導體雷射晶片和非線性光學晶體。
專利摘要本實用新型提供一種相變散熱裝置和雷射器，所述相變散熱裝置包括蒸發室和冷凝室，以及用於將被散熱物體發出的熱量傳導至蒸發室的導熱端，所述導熱端包括吸熱組件，所述吸熱組件包覆於被散熱物體的四周；採用上述技術方案，具有結構簡單、散熱效率高、散熱均勻、可靠性好、應用範圍廣泛等優點，可用於大功率雷射器的雷射晶體、非線性光學晶體或半導體雷射晶片等大功率光學元件的散熱，使其散熱均勻且散熱效率提高，從而有效地提高了大功率雷射器的發光效率、光輸出功率、光束質量及工作壽命，使雷射器的性能更為穩定可靠；此外，散熱裝置結構相對簡單且適用範圍廣，使得大功率雷射器的體積得以有效的縮小，能源環保，更具有規模化生產的實際價值。
文檔編號H01S5/00GK201260024SQ20072019109
公開日2009年6月17日 申請日期2007年12月29日 優先權日2007年12月29日
發明者濤 房, 勇 畢, 斌 王, 許江珂, 賈中達, 光 鄭, 閔海濤 申請人:北京中視中科光電技術有限公司;中國科學院光電研究院