CN112670804A - 一种用于激光晶体多层逆流式复合微通道散热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于激光晶体多层逆流式复合微通道散热器，包括：激光晶体和上、下两组结构相同的微通道散热器；微通道散热器为多层式复合结构，包括：两层微通道层、两层歧管层和盖板层。歧管层为不同的微通道层分配液体，使得两层微通道层之间的流体不干涉。结构整体宽度与激光晶体在泵浦光通光方向上的宽度相当，满足在激光晶体宽度方向布置有激光***其他组件而形成的狭窄空间的限制。两层微通道结构之间为一体化结构，层间传热效果好，整体散热功率高。两层微通道内的工质流动方向互为逆流式，提高了晶体表面温度均匀性。上下两组微通道散热器共同工作，在激光晶体上下两侧同时吸热，解决了在受限空间内小尺寸激光晶体内的高功率散热问题。

Description

一种用于激光晶体多层逆流式复合微通道散热器

技术领域

本发明属于激光应用技术领域，尤其涉及一种用于激光晶体多层逆流式复合微通道散热器。

背景技术

随着对固体激光器功率需求的不断提升，激光晶体的散热问题已成为限制其功率升级的瓶颈。尤其对于板条激光器而言，激光晶体的体积小，功率高，在较小的晶体表面上，输出热流密度可达500～1000W。晶体温度升高会导致激光器的工作状态改变，如光束质量下降、转化效率变低等，严重时会造成激光器输出功率下降、晶体炸裂等，要使激光器在大功率泵浦条件下依然保持良好的特性就必须强化激光晶体的散热能力。因此，激光晶体散热器设计首先要考虑高效的散热结构，减小传热温差，保证激光晶体能在较优的低温度范围工作。

另一方面，散热器结构设计要考虑晶体温度分布的均匀性。沿泵浦光方向，激光晶体内热流分布呈指数变化，较大的温度梯度使得热应力显著，常常引起的断裂。散热器结构设计要充分考虑晶体内的非均匀热流分布，强化高功率热流区域的带热能力，减小晶体表面温度分布差异。

此外，激光晶体散热器对整体结构布置有特殊要求。一般对于大功率板条激光器而言，泵浦光源为半导体激光器叠阵，经过透镜整形后，汇聚入射到晶体端面上。如果通光方向的散热器尺寸过大，大大超过晶体本身的宽度，就会直接遮挡了部分泵浦光。同时，考虑到谐振腔腔镜的放置，镜片之间给予晶体散热器布置的空间非常有限，散热器设计要充分考虑空间条件。

鉴于上述因素限制，现有的激光晶体散热器，如自然对流热沉冷却式、大通道水冷式等结构，不能满足有限空间内激光晶体上高功率散热要求。此外，激光器***用于空间载荷条件下，还要考虑散热器受微重力、变重力及振动过程的影响等，载荷重量限制也要求散热器结构进一步紧凑化、小型化。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种用于激光晶体多层逆流式复合微通道散热器，以满足小表面高功率激光晶体的散热需求。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种用于激光晶体多层逆流式复合微通道散热器，包括：激光晶体、上微通道散热器和下微通道散热器；

上微通道散热器和下微通道散热器为结构相同的微通道散热器；激光晶体的上下散热面分别与上微通道散热器和下微通道散热器的底部吸热面结合。

在上述用于激光晶体多层逆流式复合微通道散热器中，微通道散热器为多层式复合结构，包括：下微通道层、上微通道层、下歧管层、上歧管层和盖板层；

下微通道层、上微通道层、下歧管层、上歧管层和盖板层由下至上依次设置，并紧密配合；

下微通道层底面为吸热面，与激光晶体结合；

下歧管层为上微通道层提供流体工质的进出口通道A；

上歧管层为下微通道层提供流体工质的进出口通道B。

在上述用于激光晶体多层逆流式复合微通道散热器中，下微通道层内部设有微通道结构A，上微通道层内部设有微通道结构B；其中，微通道结构A和微通道结构B内通有流体工质，且流体工质在微通道结构A和微通道结构B内的流动方向为互逆式。

在上述用于激光晶体多层逆流式复合微通道散热器中，微通道结构A和微通道结构B的尺寸相同，均满足如下条件：

微通道结构A和微通道结构B的截面长宽比均满足：1:1～1:30；

在激光晶体的宽度方向：微通道结构A和微通道结构B的长度均满足：激光晶体宽度的1～10倍。

在上述用于激光晶体多层逆流式复合微通道散热器中，盖板层上设有如下进出口：下微通道层工质进口、下微通道层工质出口、上微通道层工质进口和下微通道层工质出口。

在上述用于激光晶体多层逆流式复合微通道散热器中，

微通道结构A两侧设有进出口集箱A；进出口通道A设有扩展槽A；

微通道结构B两侧设有进出口集箱B，进出口通道B设有扩展槽B；

上微通道层两边开有一对通槽A；

下歧管层两边开有一对通槽B，上歧管层中部开有一对通孔。

在上述用于激光晶体多层逆流式复合微通道散热器中，盖板层的四个总进出口与下微通道层、上微通道层、下歧管层、上歧管层内通道的连接关系为：

下微通道层工质进口与上歧管层的进出口通道B及扩展槽B相连通，并通过下歧管层上的通槽B、上微通道层上的通槽A最终与下微通道层上的进出口集箱A相连接；上微通道层工质进口通过上歧管层上的通孔、下歧管层的扩展槽A和进出口通道A与上微通道层的进出口集箱B相连接。

在上述用于激光晶体多层逆流式复合微通道散热器中，微通道散热器的多层结构间的配合接触面为平整面，各层结构间采用焊料熔焊密封方式或胶连密封方式，形成一体化结构。

在上述用于激光晶体多层逆流式复合微通道散热器中，微通道散热器的各层结构间的配合面分别设置有一子母槽，用于两层结构之间的定位、焊接和密封；各层结构间的配合面设置的子母槽为独立式结构，防止密封后不同通道之间流体工质互相渗漏。

在上述用于激光晶体多层逆流式复合微通道散热器中，

下微通道层的侧边延长段形成侧耳结构A，侧耳结构A上开有螺栓孔A；盖板层的侧边延长段形成侧耳结构B，侧耳结构B上开有螺栓孔B；

在微通道散热器的各层结构在连接密封后，下微通道层与盖板层之间通过螺栓孔A和螺栓孔B采用螺栓进行连接，实现对激光晶体多层逆流式复合微通道散热器的整体加固。

本发明具有以下优点：

(1)本发明公开了一种用于激光晶体多层逆流式复合微通道散热器，采用上、下两组结构相同的通道散热器，为激光晶体上下两侧散热。散热器最下层为两层微通道结构，工质流过微通道内部，流体工质的属性和流动工作参数可根据整体散热量、空间环境选取，实现微通道内工质单相流动或两相流动。微通道散热器可为全金属结构，比如铜，本身具有较好的传热能力。两层微通道之间通过金属焊剂熔焊连结，形成一体化结构，有效降低层间的传热热阻，使上微通道层内的流体工质依然有较好的吸热能力。下微通道层的下部实心金属部分具有一定厚度，与激光晶体接触后可提高横向热扩散范围，更好地利用长通道结构，提升工质整体吸热量。此外，以上设计，使得本发明有很高的散热能力，满足小表面高功率激光晶体的散热需求。

(2)本发明公开了一种用于激光晶体多层逆流式复合微通道散热器，内部微通道结构和进出口布置均对称，可将两层微通道内的工质流动设置为相反的方向，该逆流式设计减弱了单层微通道在流动长度上，散热器表面温度逐步升高的缺点，能够有效减小底层吸热面上的沿工质流动方向温度差异。此外，下微通道层的下部实心金属部分对热量沿着晶体通光方向(即垂直于流动方向)的扩展也有显著效果。因此，本发明能够在各方向上显著提高传热及表面温度的均匀性。

(3)本发明公开了一种用于激光晶体多层逆流式复合微通道散热器，整体宽度与激光晶体宽度相当。由于在激光晶体宽度方向经常布置有激光***其他组件，比如谐振腔腔镜等，间距固定，使得散热器该方向能够扩展的空间非常有限。因此本发明的长条形结构，紧凑化、小型化，实现了受限空间内的高功率散热。

(4)本发明公开了一种用于激光晶体多层逆流式复合微通道散热器，其五层结构熔焊、密封后进一步采用螺栓加固，上、下两组微通道散热器与晶体粘结后，同样通过侧耳和螺栓进一步加固，从而消除结构在地面、空间载荷条件下由于长期热膨胀、压力冲击及外部振动引起的结构松动、工质泄露等风险。

附图说明

图1是本发明实施例中一种用于激光晶体多层逆流式复合微通道散热器的结构示意图；

图2是本发明实施例中一种微通道散热器各层结构的实施效果图；

图3是本发明实施例中一种下微通道层的结构示意图；

图4是本发明实施例中一种上微通道层的结构示意图；

图5是本发明实施例中一种下歧管层的结构示意图；

图6是本发明实施例中一种上歧管层的结构示意图；

图7是本发明实施例中一种盖板层的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。

本发明的核心思想之一在于：提供一种用于激光晶体多层逆流式复合微通道散热器，包括：激光晶体和上、下两组结构相同的微通道散热器，激光晶体顶面和底面分别与两组微通道散热器的吸热面结合；其中，微通道散热器为多层式复合结构，包括：两层微通道层、两层歧管层、盖板层。微通道层内部均布置有微通道结构，歧管层为不同的微通道层分配液体，使得两层微通道层之间的流体不干涉。盖板层为总进出口层，相应的进出口分别与歧管层流体通道相连接。结构的整体宽度与激光晶体在泵浦光通光方向上的宽度相当，满足在激光晶体宽度方向布置有激光***其他组件而形成的狭窄空间的限制。两层微通道结构之间通过焊料铺焊，形成一体化结构，层间传热效果好，整体散热功率高。两层微通道内的工质流体流动方向互为逆流式，减弱底层吸热面上的温度梯度，提高激光晶体表面温度均匀性。上下两组微通道散热器共同工作，在激光晶体上下两侧同时吸热，解决了在受限空间内小尺寸激光晶体内的高功率散热问题。

如图1～图7，在本实施例中，该用于激光晶体多层逆流式复合微通道散热器，包括：激光晶体1、上微通道散热器201和下微通道散热器202。其中，上微通道散热器201和下微通道散热器202为结构相同的微通道散热器；激光晶体1的上下散热面分别与上微通道散热器201和下微通道散热器202的底部吸热面结合。

优选的，对于单一微通道散热器有：微通道散热器为多层式复合结构，具体可以包括：下微通道层3、上微通道层4、下歧管层5、上歧管层6和盖板层7。其中，下微通道层3、上微通道层4、下歧管层5、上歧管层6和盖板层7由下至上依次设置，并紧密配合；下微通道层3底面为吸热面，与激光晶体1结合。需要说明的是，微通道层的数量可以根据实际情况(如散热量变化)设置为一层或多层(如本实施例设置的两层：下微通道层3和上微通道层4)。相应的，歧管层的数量依据微通道层的数据进行调整，并为不同的微通道层分配流体工质，也即，歧管层的数量可以根据实际情况(如散热量变化)设置为一层或多层(如本实施例设置的两层：下歧管层5和上歧管层6)。

优选的，下歧管层5为上微通道层4提供流体工质的进出口通道A20；上歧管层6为下微通道层3提供流体工质的进出口通道B23。

在本实施例中，下微通道层3内部设有微通道结构A14，上微通道层4内部设有微通道结构B17。其中，微通道结构A14和微通道结构B17内通有流体工质，且流体工质在微通道结构A14和微通道结构B17内的流动方向为互逆式。

在本实施例中，微通道结构A14和微通道结构B17的尺寸可以相同也可以不相同，但均需满足如下条件：a、当微通道结构A14和微通道结构B17截面为矩形时，矩形的截面长宽比均满足：1:1～1:30。b、当微通道结构A14和微通道结构B17的截面为异形结构(如梯形、三角形和圆弧形等)时，异形结构截面的等效长宽比均满足：1:1～1:30。c、在激光晶体1的宽度方向：微通道结构A14和微通道结构B17的走向相同(平行直线、曲线或折线)，间距为均匀或非均匀布置，但长度均满足：激光晶体1宽度的1～10倍。

在本实施例中，盖板层7上设有若干总进出口，按实际用途分为：下微通道层工质进口8、下微通道层工质出口9、上微通道层工质进口10和下微通道层工质出口11。进一步的，微通道结构A14两侧设有进出口集箱A15；进出口通道A20设有扩展槽A21；微通道结构B17两侧设有进出口集箱B18，进出口通道B23设有扩展槽B24；上微通道层4两边开有一对通槽A19；下歧管层5两边开有一对通槽B22，上歧管层6中部开有一对通孔25。

优选的，盖板层7的四个总进出口与下微通道层3、上微通道层4、下歧管层5、上歧管层6内通道的连接关系为：下微通道层工质进口8与上歧管层6的进出口通道B23及扩展槽B24相连通，并通过下歧管层5上的通槽B22、上微通道层4上的通槽A19最终与下微通道层3上的进出口集箱A15相连接；上微通道层工质进口10通过上歧管层6上的通孔25、下歧管层5的扩展槽A21和进出口通道A20与上微通道层4的进出口集箱B18相连接。可见，在本实施例中，

下微通道层工质进口8和下微通道层工质出口9为下微通道层3供液、实现流体工质循环：下微通道层工质进口8和下微通道层工质出口9与上歧管层6上的进出口通道B23及扩展槽B24相连通；流体工质流入后，穿过下歧管层5上的通槽B22、上微通道层4上的通槽A19，进入下微通道层3上的进出口集箱A15，进而流入下微通道层3内部的微通道结构内，从另一侧流出。上微通道层工质进口10和下微通道层工质出口11为上微通道层4供液、实现流体工质循环：上微通道层工质进口10和下微通道层工质出口11与上歧管层6上的通孔25相连通，通过下歧管层5的扩展槽A21和进出口通道A20最终与上微通道层4的进出口集箱B18相连接，流体工质流入后，穿过上歧管层6进入上微通道层4的内部微通道结构内，从另一侧流出。

可见，本发明以流体工质和两层微通道结构为换热主体，采用逆流式方式，能够实现较高的传热效率和带热能力。同时本发明具有紧凑化、小型化等优点，可满足激光晶体通光方向上的空间限制要求。

在本实施例中，微通道散热器的多层结构间的配合接触面为平整面，各层结构间可以采用焊料熔焊密封方式或胶连密封方式，形成一体化结构。

在本实施例中，微通道散热器的各层结构间的配合面分别设置有一子母槽12，用于两层结构之间的定位、焊接和密封；各层结构间的配合面设置的子母槽为独立式结构，防止密封后不同通道之间流体工质互相渗漏。

在本实施例中，下微通道层3的侧边延长段形成侧耳结构A161，侧耳结构A161上开有螺栓孔A131；盖板层7的侧边延长段形成侧耳结构B162，侧耳结构B162上开有螺栓孔B132。其中，在微通道散热器的各层结构在连接密封后，下微通道层3与盖板层7之间通过螺栓孔A131和螺栓孔B132采用螺栓进行连接，实现对激光晶体多层逆流式复合微通道散热器的整体加固。

综上所述，本发明公开了一种用于激光晶体多层逆流式复合微通道散热器，采用上、下两组结构相同的微通道散热器，为激光晶体上下两侧散热。通道散热器最下层为两层微通道结构，两层微通道之间通过金属焊剂熔焊连结，形成一体化结构。将两层微通道内的工质流动设置为相反的方向，减弱了单层微通道在流动长度上吸热表面温度逐步升高的特征，有效减小底层吸热面上的沿工质流动方向温度差异。下微通道层的下部实心金属部分对热量沿着晶体通光方向(即垂直于流动方向)的扩展也有显著效果。使得激光晶体表面在各方向上有较好的温度均匀性。单侧微通道散热器五层结构之间熔焊、密封后，进一步采用螺栓加固，从而消除结构在地面、空间载荷条件下由于长期热膨胀、压力冲击及外部振动引起的结构松动、工质泄露等风险。结构的整体宽度与激光晶体宽度相当，满足在激光晶体通光方向上的结构限制，整体实现了受限空间内的高功率散热。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种用于激光晶体多层逆流式复合微通道散热器，其特征在于，包括：激光晶体(1)、上微通道散热器(201)和下微通道散热器(202)；

上微通道散热器(201)和下微通道散热器(202)为结构相同的微通道散热器；激光晶体(1)的上下散热面分别与上微通道散热器(201)和下微通道散热器(202)的底部吸热面结合。

2.根据权利要求1所述的用于激光晶体多层逆流式复合微通道散热器，其特征在于，微通道散热器为多层式复合结构，包括：下微通道层(3)、上微通道层(4)、下歧管层(5)、上歧管层(6)和盖板层(7)；

下微通道层(3)、上微通道层(4)、下歧管层(5)、上歧管层(6)和盖板层(7)由下至上依次设置，并紧密配合；

下微通道层(3)底面为吸热面，与激光晶体(1)结合；

下歧管层(5)为上微通道层(4)提供流体工质的进出口通道A(20)；

上歧管层(6)为下微通道层(3)提供流体工质的进出口通道B(23)。

3.根据权利要求2所述的用于激光晶体多层逆流式复合微通道散热器，其特征在于，下微通道层(3)内部设有微通道结构A(14)，上微通道层(4)内部设有微通道结构B(17)；其中，微通道结构A(14)和微通道结构B(17)内通有流体工质，且流体工质在微通道结构A(14)和微通道结构B(17)内的流动方向为互逆式。

4.根据权利要求3所述的用于激光晶体多层逆流式复合微通道散热器，其特征在于，微通道结构A(14)和微通道结构B(17)的尺寸相同，均满足如下条件：

微通道结构A(14)和微通道结构B(17)的截面长宽比均满足：1:1～1:30；

在激光晶体(1)的宽度方向：微通道结构A(14)和微通道结构B(17)的长度均满足：激光晶体(1)宽度的1～10倍。

5.根据权利要求2所述的用于激光晶体多层逆流式复合微通道散热器，其特征在于，盖板层(7)上设有如下进出口：下微通道层工质进口(8)、下微通道层工质出口(9)、上微通道层工质进口(10)和下微通道层工质出口(11)。

6.根据权利要求5所述的用于激光晶体多层逆流式复合微通道散热器，其特征在于，

微通道结构A(14)两侧设有进出口集箱A(15)；进出口通道A(20)设有扩展槽A(21)；

微通道结构B(17)两侧设有进出口集箱B(18)，进出口通道B(23)设有扩展槽B(24)；

上微通道层(4)两边开有一对通槽A(19)；

下歧管层(5)两边开有一对通槽B(22)，上歧管层(6)中部开有一对通孔(25)。

7.根据权利要求6所述的用于激光晶体多层逆流式复合微通道散热器，其特征在于，盖板层(7)的四个总进出口与下微通道层(3)、上微通道层(4)、下歧管层(5)、上歧管层(6)内通道的连接关系为：

下微通道层工质进口(8)与上歧管层(6)的进出口通道B(23)及扩展槽B(24)相连通，并通过下歧管层(5)上的通槽B(22)、上微通道层(4)上的通槽A(19)最终与下微通道层(3)上的进出口集箱A(15)相连接；上微通道层工质进口(10)通过上歧管层(6)上的通孔(25)、下歧管层(5)的扩展槽A(21)和进出口通道A(20)与上微通道层(4)的进出口集箱B(18)相连接。

8.根据权利要求2所述的用于激光晶体多层逆流式复合微通道散热器，其特征在于，微通道散热器的多层结构间的配合接触面为平整面，各层结构间采用焊料熔焊密封方式或胶连密封方式，形成一体化结构。

9.根据权利要求2所述的用于激光晶体多层逆流式复合微通道散热器，其特征在于，微通道散热器的各层结构间的配合面分别设置有一子母槽(12)，用于两层结构之间的定位、焊接和密封；各层结构间的配合面设置的子母槽为独立式结构，防止密封后不同通道之间流体工质互相渗漏。

10.根据权利要求2所述的用于激光晶体多层逆流式复合微通道散热器，其特征在于，

下微通道层(3)的侧边延长段形成侧耳结构A(161)，侧耳结构A(161)上开有螺栓孔A(131)；盖板层(7)的侧边延长段形成侧耳结构B(162)，侧耳结构B(162)上开有螺栓孔B(132)；

在微通道散热器的各层结构在连接密封后，下微通道层(3)与盖板层(7)之间通过螺栓孔A(131)和螺栓孔B(132)采用螺栓进行连接，实现对激光晶体多层逆流式复合微通道散热器的整体加固。

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