微通道散热耦合热电制冷激光器温控结构及其温控方法

技术领域

本发明涉及激光器领域，具体涉及一种可更换针尖的微通道散热耦合热电制冷激光器温控结构。

背景技术

激光器是军事、高精度加工必不可少的设备,是各国重点发展的武器装备。激光器主要由泵浦源、激光介质和谐振腔组成。其中对于泵浦源的有效散热是激光器安全稳定运行的重要保障。当前针对激光器的主要冷却方法有如下几种：

强制风冷：强制风冷是目前最为广泛使用的散热方式,通常利用铝或铜制散热片增加对流面积,再以风扇进行强制对流气冷而达到散热的效果。散热片的设计与风扇的配合决定了这种散热方式散热效果的好坏。此种散热方式的优点是装置简单,成本低。强制气冷换热系数大致在20~100W/（m

境温度的影响很大,很难为激光器提供一个稳定的工作环境。同时泵浦源处热流密度较大，需要快速将热量导出，强制风冷很难达到。

单项强制水冷方式：常规尺寸的液体单相强制对流冷却,是一种可靠的冷却技术,己在各种电子、光电子器件的冷却中得到了广泛的应用。采取单相强制水冷散热方式,对流换热系数大致范围是1000-15000 W/（m

喷雾冷却：喷雾冷却技术是借助高压气体或高压泵将液体通过喷嘴雾化后,喷射到发热体表面,依靠射流冲击、强对流及液滴相变等带走大量的热量从而实现发热体的冷却。近年来国内外的学者在该领域进行了很多的实验研究和理论研究,研究结果表明,用水作为冷却工质,其临界热流密度可达1000 W/cm

现有技术中针对激光器的主要冷却结构还存在以下缺点：

1、随着电子设备功率增长，单相流循环冷却逐渐难以应对高热流密度工况下的热管理需求。

2、现有设备有在激光器发热量最大的部件采用浸没相变冷却的方式，但该方案直接浸没冷却实际不能达到很高的换热系数，而当激光器工作时，其瞬时功率过高，发热量过大，此时可能会出现膜态沸腾，导热换热系数严重降低。因此采用此种相变冷却方式依然不能解决高功率的激光器散热问题。

3、射流冲击冷却可提供较强的换热能力，但在实际应用场景中，喷射在壁面上的液膜厚度不均，射流喷洒的大部分工质无法在换热过程中汽化，而是保持液态。处于液态的冷却工质无法利用相变过程的潜热带走热量，换热效率较低。且与换热表面接触的工质沸腾后，会被未能汽化的冷却液阻挡，气泡难以排开，导致换热能力下降。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种微通道散热耦合热电制冷激光器温控结构，给高功率激光系统提供冷却能力，解决激光器泵浦源中的高功率散热，达到对激光器泵浦源的温控管理。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：微通道散热耦合热电制冷激光器温控结构，包括：水冷板，水冷板内设置有液冷流道，冷却板上设置有与液冷流道连接的冷却液进口和冷却液出，冷却液进口与冷却质泵连接，水冷板上设置有对接块，对接块内设置有若干条中空的冷却微通道；泵浦源，泵浦源的导热底座设置在水冷板上，且导热底座的下部与水冷板吻合对接，对接块嵌入导热底座下部的对接槽中；TEC热电制冷模块，TEC热电制冷模块设置在导热底座和水冷板之间，且TEC热电制冷模块两侧分别与导热底座和水冷板面接触。

本发明一个较佳实施例中，导热底座的上设置有若干条中通的散热微通道。

本发明一个较佳实施例中，散热微通道或/和冷却微通道与冷却质泵连接。

本发明一个较佳实施例中，冷却质泵提供冷却工质，冷却工质采用的是去离子水或者冷凝液。

本发明一个较佳实施例中，导热底座的断面结构为H形结构，导热底座的上部的安装通槽内设置有若干个激光器，激光器的外围设置有若干个与激光器连接的半导体芯片。

本发明一个较佳实施例中，导热底座上设置有若干个向外延伸的安装凸块，安装凸块上设置有若干个与水冷板固定组装的安装组件。

本发明一个较佳实施例中，TEC热电制冷模块设置在导热底座的对接槽和水冷板的对接块之间，且TEC热电制冷模块两侧分别与对接槽以及对接块面接触。

本发明一个较佳实施例中，TEC热电制冷模块的冷端与导热底座的下部接触，TEC热电制冷模块的热端与对接块接触。

本发明一个较佳实施例中，微通道散热耦合热电制冷激光器温控结构的温控方法，包括以下步骤：

步骤一，启动激光器，开始电光转化，启动冷却质泵，冷却质泵驱动冷却工质进入水冷板进行冷却降温；启动TEC热电制冷模块开始热电制冷；外围风机启动，对泵浦源以及冷却质泵引出的液冷管路进行强制风冷对流；

步骤二，泵浦源上的半导体芯片运行后，冷却质泵对冷却微通道以及散热微通道导入冷却工质，进行过热区局部降温。

步骤三，冷却质泵将冷却微通道以及散热微通道和水冷板连接的导流冷却工质的循环管路通过外围风机强制风冷对流散热。

本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明的有益效果：

本发明提供微通道散热耦合热电制冷激光器温控结构，利用热电制冷对泵浦源局部热点进行辅助散热或精准温控，整体依靠微通道进行散热，热电制冷使其增加一个新的散热通道，后利用水循环和风冷实现热量向环境中释放。将热电制冷技术应用于解决激光泵浦源的局部热点问题，使激光泵浦源无局部高温点，温度更加均匀。将热电制冷技术用于解决激光泵浦源的高温、温度不均性等问题，均应在本专利保护范围之内。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明优选实施例的系统结构正视示意图；

图2是本发明优选实施例的系统结构轴视示意图；

图3是本发明优选实施例的工作流程图；

图4是本发明优选实施例的控制原理流程图；

其中，1-水冷板，11-对接块，12-冷却微通道，2-TEC热电制冷模块，21-散热微通道，3-泵浦源，30-导热底座，31-激光器，32-半导体芯片。

具体实施方式

现在结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、底、顶等)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

如图1~4所示，微通道散热耦合热电制冷激光器温控结构，包括：水冷板1，水冷板1内设置有液冷流道，冷却板上设置有与液冷流道连接的冷却液进口和冷却液出，冷却液进口与冷却质泵连接，水冷板1上设置有对接块11，对接块11内设置有若干条中空的冷却微通道12；泵浦源3，泵浦源3的导热底座30设置在水冷板1上，且导热底座30的下部与水冷板1吻合对接，对接块11嵌入导热底座30下部的对接槽中；TEC热电制冷模块2，TEC热电制冷模块2设置在导热底座30和水冷板1之间，且TEC热电制冷模块2两侧分别与导热底座30和水冷板1面接触。TEC热电制冷模块2的冷端与导热底座30的下部接触，TEC热电制冷模块2的热端与对接块11接触。

导热底座30的上设置有多条中通的散热微通道21。导热底座30的断面结构为H形结构，导热底座30的上部的安装通槽内设置有若干个激光器31，激光器31的外围设置有若干个与激光器31连接的半导体芯片32。导热底座30上设置有若干个向外延伸的安装凸块，安装凸块上设置有若干个与水冷板1固定组装的安装组件。TEC热电制冷模块2设置在导热底座30的对接槽和水冷板1的对接块11之间，且TEC热电制冷模块2两侧分别与对接槽以及对接块11面接触。

散热微通道21和冷却微通道12与冷却质泵连接。冷却质泵提供冷却工质，冷却工质采用的是去离子水或者冷凝液。在微通道散热耦合热电制冷激光器温控结构的外围设置有与其对应的外围风机，外围风机能对微通道散热耦合热电制冷激光器温控结构进行强制风冷。

实施例二

如图1~图4所示，微通道散热耦合热电制冷的激光器31温控结构的温控方法，包括以下步骤：

步骤一，启动激光器31，开始电光转化，启动冷却质泵，冷却质泵驱动冷却工质进入水冷板1进行冷却降温；启动TEC热电制冷模块2开始热电制冷；外围风机启动，对泵浦源3以及冷却质泵引出的液冷管路进行强制风冷对流；

步骤二，泵浦源3上的半导体芯片32运行后，冷却质泵对冷却微通道12以及散热微通道21导入冷却工质，进行过热区局部降温。

步骤三，冷却质泵将冷却微通道12以及散热微通道21和水冷板1连接的导流冷却工质的循环管路通过外围风机强制风冷对流散热。

本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明的有益效果：

本发明提供微通道散热耦合热电制冷的激光器31温控结构，利用热电制冷对泵浦源3局部热点进行辅助散热或精准温控，整体依靠微通道进行散热，热电制冷使其增加一个新的散热通道，后利用水循环和风冷实现热量向环境中释放。将热电制冷技术应用于解决激光泵浦源3的局部热点问题，使激光泵浦源3无局部高温点，温度更加均匀。将热电制冷技术用于解决激光泵浦源3的高温、温度不均性等问题，均应在本专利保护范围之内。

工作原理：

微通道冷却；微通道冷却技术是在更窄的通道内通入冷却液体，进行强制液冷换热，相比于传统液冷技术，微通道冷却比传统的散热方式有更好的散热效果，更能满足高功率激光器31的散热需求，而且它的体积更小。高热通量、沟槽形状、通道尺寸均对其性能具有显著的影响。热电制冷；热电制冷又称为热电制冷，是一种基于塞贝克效应的制冷技术，具有体积小、可靠性强、操作简单等优点，在热电制冷激光器31中很常用。用热电制冷器（TEC）对热电制冷激光器31进行散热时，将热电制冷芯片的冷端同热沉或芯片直接相连接，而热端通过对流的形式将热沉以及TEC自身的热量散发出去。通过优化结构参数和制冷性能系数可以进一步提升制冷效果。热电制冷的制冷速度非常快，但是制冷效率非常低，通常用于低功率热电制冷激光器31制冷系统。TEC为热电制冷器 (Thermo Electric Cooler)是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。所谓珀尔帖效应，是指当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端吸热，一端放热的现象。重掺杂的N型和P型的碲化铋主要用作TEC的半导体材料，碲化铋元件采用电串联，并且是并行发热。TEC包括一些P型和N型对（组），它们通过电极连在一起，并且夹在两个陶瓷电极之间；当有电流从TEC流过时，电流产生的热量会从TEC的一侧传到另一侧，在TEC上产生热侧和冷侧。当微通道运用到激光散热，特别是针对激光泵浦源3时，微通道受限于实际加工工艺等实际问题，微通道离热源比较远，而热源热流密度较大时，微通道与热源之间的导热热阻比较大，也限制了微通道技术在实际中的应用。同时微通道无法实现对激光泵浦源3的精准控温，难以进一步提高激光器31的热管理温控制冷。单一的热电制冷的制冷效率低，应用于大功率的散热时，其散热能力有限，主要表面为热流密度不高。同时热端温度较高，对于将热量由热端散入环境这一过程有了更高的要求。

本发明通过微通道承担大部分的散热能力，对于局部高温部分、局部需要控温精准的部件，使用热电制冷技术，对局部温度进行按需控制。通过微通道和热电制冷的耦合散热结构，既可以面对激光器31的大功率散热问题，解决了热电制冷热流密度受限，长时间难以利用在激光器31散热上的行业难题；同时在激光器31的局部位置采用热电制冷技术，可解决局部的高温热点，也可实现对某一特定区域的精准控温，解决了微通道技术在激光器31热管理上的技术弱点。通过上述方案，可以进一步实现对激光器31的精准温控。

给高功率激光系统提供冷却能力，解决激光器31泵浦源3中的高功率散热，以期达到对激光器31泵浦源3的精准温控管理。同时该方案配合了相应的水循环系统及风冷散热系统。采用热电制冷微通道耦合技术其换热系数远大于现有的风冷散热和单相的强制对流换热。现有技术均无将热电制冷微通道耦合散热结构应用于激光散热系统。本发明利用热电制冷来制冷对泵浦源3的局部热点部分，进行强化热量传递，同时热电制冷的制冷片热端采用了微通道散热技术，可有效保证导热体制冷片的制冷效率，即可以更好的保证泵浦源3的稳定运行。

以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。