[实用新型]风冷式微槽群与热电组合激光器热控制系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及冷却技术领域，是一种激光器器件、电子电气元器件和其它光电子器件的散热与热控制系统，特别是应用于各种小尺寸的、大功率的激光器器件、电子电气元器件和其它光电子器件的终极热沉采用强制风冷散热的毛细微槽群与热电致冷器(TEC)组合热控制系统。

背景技术

大功率激光器是高精度机械加工必不可少的设备，是重要的武器装备，在激光加工、信息和军事等领域中有着广泛而重大的应用价值。然而激光器的激光输出功率的提高受到激光器散热性能与热控制性能优劣的严重制约。一般的闪光泵浦源激光器只有5％的输入能量可转变为激光输出，余者都要转变为热能和其他形式的能量，如输入1kw的电能，只有50w激光输出，而散热要达到900w左右。目前许多高性能大功率激光器器件的发热热流密度都大于10⁶w/m²以上，因此能否解决好散热是大功率激光器发展的关键技术之一。另外一方面，提高激光器的功率除了散热问题外，还必须实现对部件的温度控制。避免激光工作介质的热效应引起光束质量及效率下降。例如，由于激光器工作时激光晶体的温度将升高，如果不进行控制，会引起工作物质发光特性发生变化，激光波长发生偏移，导致激光器阈值升高，效率和激光质量降低。另外，在激光器工作时，激光器器件温度分布的不均匀，将形成温度梯度，温度梯度的存在会使激光介质内部形成折射率梯度和应力分布，引起激光束产生聚焦P双折射和退偏振等热效应，从而降低激光器的光束质量和功率水平。因而在保证散热效果的基础上对激光器实施可靠的热控制手段同样至关重要。以上所述的激光器的散热和热控制问题可以归纳为激光技术中的热管理技术问题，是大功率激光器发展的瓶颈，必须加以解决。目前常规的方法是对器件进行空气或者液体冷却，但这些常规冷却技术根本无法解决上面提出的问题，必须采用新的冷却技术才能满足要求。

另外，随着大规模集成电路(LSI)的发展，高集成度的电子电气元器件的体积发热热流密度的增大趋势非常迅猛。热量的累积将导致器件温度迅速升高，轻则使电子电气元器件功能丧失，重则器件被烧毁，整个电子设备崩溃。因此，配置强有力的散热与热控制系统对维持电子电气元器件的正常运行也至关重要。

目前，应用于激光器器件、电子电气元器件和其它光电子器件的散热与热控制方法主要有以下几种。

(1)直接强制风冷

利用风扇进行直接强制气冷是目前使用最广泛的激光器器件、电子电气元器件和其它光电子器件的散热方式。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该方式散热效果的好坏。特点：装置简单，成本较低。其换热系数大致在20~100W/(m²·℃)之间。该种散热方式效率低、噪音大、功耗高、需占用较大的空间，热控制性能差，单独应用到小尺寸的大功率器件时该方式的散热能力不足。如用于个人电脑CPU散热的强制空气冷却方式，目前最多能处理60W的CPU芯片热量。其散热片与风扇的组合已接近极限负荷的状态。

(2)常规尺寸的液体单相直接强制对流冷却

常规尺寸的液体单相强制对流冷却，是一种被证明了的可靠的传统冷却技术。该冷却方式利用冷却液、导热部件、泵、阀以及连通的循环管路，通过液体的单相强制对流换热方式将发热器件产生的热量，由流通于管路中的液体，携带转移到外部环境中去，以达到降低发热器件温度的效果。其对流换热系数的大致范围为1000~15000W/(m²·℃)。冷却较大功率的激光器器件、电子电气元器件和其它光电子器件其所耗泵功率也较大。其主要缺陷是热控制性能较差，装置复杂，必须克服水循环时的压降，管路易泄漏，易造成电路绝缘等级降低甚至短路等事故，密封性要求非常高。

(3)热管冷却