Brevet FR2800208A1 — publié le 20010427

L'invention concerne un dispositif pour refroidir les diodes laser comprenant des canaux qui sont disposés dans des plans superposés et qui sont traversés par un liquide de refroidissement. Le dispositif peut faire office de dissipateur thermique pour les diodes laser, notamment pour refroidir les barres de diodes laser et les empilements de ces mêmes composants. Il est connu que l'utilisation des diodes laser de grande puissance est toujours liée à la nécessité d'un refroidissement qui peut être réalisé de manière particulièrement efficace sous la forme d'un refroidissement par microcanaux hydrauliques employant de l'eau comme liquide de refroidissement. Des surfaces de dissipation thermique très étendues peuvent ainsi être obtenues avec lesdits dissipateurs thermiques à microcanaux dans lesquels les microcanaux sont ménagés grâce à différentes méthodes dans un matériau ayant une bonne conductivité thermique. Les nombreux dissipateurs thermiques à microcanaux connus contiennent une série de couches structurées jointives dans différents plans fonctionnels, l'objet à refroidir étant appliqué sur une couche de protection supérieure, par exemple par brasage. Outre le recouvrement, la structure des couches comprend également les fonctions d'arrivée et de départ du liquide de refroidissement ainsi que le refroidissement proprement dit par le biais des microcanaux. Selon DE 43 15 580, ces fonctions dans un dissipateur thermique à microcanaux sont ainsi réparties sur cinq couches, par exemple. Dans une plaque à microcanaux ou plaque de distribution, le liquide de refroidissement amené par le biais d'une arrivée est réparti entre les microcanaux qui se trouvent sous la diode laser fixée sur la couche de protection. Le liquide de refroidissement passe à travers des canaux de liaison dans une couche intermédiaire pour être amené dans une plaque collectrice d'où il existe une liaison vers une sortie. Une plaque de base ferme le dessous du dissipateur thermique à microcanaux. La construction modulaire convient, en principe, pour un empilement vertical. Des systèmes empilables sont également décrits dans les brevets américains US 5 105 429 et US 5 105 430, le liquide de refroidissement étant acheminé à travers les empilements dans des passages traversants. Chaque dissipateur thermique à microcanaux de la pile se compose d'une structure multicouches avec des microcanaux dans la couche supérieure et présente une entrée et une sortie raccordées aux passages traversants. Avec le brevet américain US 5 105 430, le liquide de refroidissement ne s'écoule parallèlement au sens d'émission de la lumière de la barre de diodes laser montée, mais transversalement à celui-ci dans le sens de la largeur du dissipateur thermique a microcanaux. Le liquide de refroidissement est amené au centre microcanaux et les quitte dans deux directions. L'inconvénient réside dans la faible vitesse d'écoulement produite dans les microcanaux, car la section des microcanaux agrandie en raison de leur branchement en parallèle par rapport à l'arrivée. Dans le cas de la distribution en plusieurs couches dans DE 197 50 879, les microcanaux affectés au refroidissement sont creusés dans une couche supérieure et une couche inférieure et reliés par des canaux dans une couche de séparation de manière à ce que le liquide de refroidissement traverse tout d'abord les microcanaux dans un plan et ensuite ceux de l'autre plan. L'inconvénient réside là aussi dans la faible vitesse d'écoulement dans les canaux, car la section d'écoulement de la structure des canaux, du fait du modèle en rainures ramifiées et en tenant compte de la couche de séparation, est supérieure à la section de l'entrée ou de la sortie. Une solution selon DE 197 10 716, inspirée de DE 43 15 580, a présenté comme objet de 'duire considérablement la chute de pression subie par le liquide refroidissement lorsqu'il traverse le dissipateur thermique à microcanaux. Pour ce faire la plaque intermédiaire est modifiée par une disposition en couches de manière à obtenir une adaptation successive de la section d'écoulement par une structure en escalier. L'augmentation de taille provoquée par la disposition en couches a des effets particulièrement désavantageux pour les applications où il faut atteindre une densité de puissance superficielle optique élevée en empilant les diodes laser. En conclusion, il faut constater que les mesures d'amélioration de la qualité des dissipateurs thermiques à microcanaux ne sont pas suffisamment satisfaisantes. Il en résulte effets particulièrement négatifs sur les empilements fonctionnant hydrauliquement en parallèle où une augmentation du débit proportionnelle au nombre de dissipateurs thermiques donne lieu à une chute de pression atteignant des proportions inacceptables. En conséquence, le but de l'invention d'augmenter le coefficient de transfert thermique tout en conservant une faible hauteur hors tout du dispositif de manière à ce que les chutes de pression produites assurent egalement un fonctionnement efficace des dissipateurs thermiques fonctionnant hydrauliquement en parallèle. Il faut ici tenir compte du fait que la résistance thermique et la chute de pression ne peuvent pas être optimisées indépendamment l'une de l'autre raison de leur comportement par rapport à la vitesse d'écoulement du liquide de refroidissement. Conformément à l'invention, ce but est obtenu par un dispositif pour refroidir les diodes laser avec des canaux qui sont disposés dans des plans superposés et qui sont traversés par un liquide de refroidissement, en ce que les canaux dans chaque plan sont divisés en groupes branchés en série l'un à la suite de l'autre hydrauliquement, lesquels débouchent dans des éléments de liaison hydraulique communs aux plans superposés pour leur branchement en série. Les groupes de canaux reliés entre eux se composent ici d'un premier groupe avec une arrivée commune et d'un groupe branché en dernier avec une sortie commune pour le liquide de refroidissement. Les arrangements selon l'invention permettent de travailler, avec une section d'écoulement la plus grande possible, en-dehors de la zone de fixation de l'objet à refroidir afin d'éviter les chutes de pression, surface de dissipation thermique ici relativement grande venant compenser la diminution du coefficient de dissipation thermique liée à une réduction de la vitesse d'écoulement. La vitesse d'écoulement produite dans la zone des éléments de liaison hydraulique faisant office de bassin collecteur pour plusieurs canaux est, par contre, plus élevée, la chute de pression partielle qui ne se produit que dans une zone voulue pouvant être prise en compte du fait de l'amélioration du transfert thermique. D'autres effets positifs résultent du fait que les groupes de canaux branchés hydrauliquement en série dans un plan sont traversés chronologiquement par une seule et même portion de produit de refroidissement. Contrairement à un branchement en série des canaux de différentes couches (DE 50 879), un nombre constant de canaux présentant des caractéristiques de refroidissement pratiquement identiques permet de réduire la section d'écoulement. Ainsi, le débit total à travers le dissipateur thermique et la vitesse d'écoulement au niveau de l'arrivée et de la sortie peuvent, par exemple, être 'duits sans que cette diminution soit liée à une réduction de la vitesse d'écoulement dans les canaux, ce qui a un effet particulièrement positif dans le cas de l'empilage nécessaire des dissipateurs thermiques à microcanaux. Un débit maintenu constant, par contre, permet d'augmenter la vitesse d'écoulement et d'améliorer le refroidissement. La disposition des groupes de canaux dans les plans superposés augmente la surface de dissipation thermique et a un effet positif sur l'agrandissement de la section d'écoulement du liquide de refroidissement. Les canaux disposés dans les plans superposés sont avantageusement creusés dans des couches entre lesquelles se trouve couche de séparation comprenant les éléments de liaison hydraulique communs. Les éléments de liaison hydraulique communs aux plans pouvant faire office de canaux de refroidissement supplémentaires, il est avantageux de prévoir leur implantation dans la zone de dissipation thermique principale sous l'objet à refroidir. Pour augmenter la hauteur des canaux, les couches peuvent être configurées multicouches. La disposition des canaux de refroidissement peut être effectuée de différentes manières. Des groupes de canaux peuvent ainsi être formés dans les plans superposes, soit pour des écoulements en parallèle du liquide de refroidissement, soit au moins en fractions d'écoulement du liquide de refroidissement orientées perpendiculairement l'une par rapport à l'autre. La première variante peut encore donner lieu à une variante supplémentaire en ce que les écoulements du liquide de refroidissement peuvent être parallèles au sens de rayonnement de la diode laser ou perpendiculaires à celui-ci. Dans deuxième variante, l'un des écoulements du liquide de refroidissement doit être dirigé dans le sens du rayonnement de la diode laser. Du fait de leur fonction, les couches qui contiennent des groupes de canaux sont recouvertes par de couches de protection. Pour un meilleur étalement de la chaleur, il est avantageux de munir une couche de protection supérieure d'un échelonnement dans la zone de fixation de la diode laser ou de rajouter sur la couche de protection supérieure couche supplémentaire pour fixer la diode laser. La couche supplémentaire peut se terminer à fleur de la couche de protection supérieure ou alors former une marche où la couche de protection fait saillie sous la couche supplémentaire. L'invention sera décrite plus en détail dans ce qui suit ' l'aide des dessins schématiques. Ceux-ci illustrent Figure une vue éclatée d'une série de couches pour un dissipateur thermique à microcanaux où l'arrivée et la sortie se trouvent dans des couches séparées ; Figure un dissipateur thermique à microcanaux modifié selon la figure 1 a avec un branchement direct pour l'arrivée et la sortie du liquide dans les couches séparées ; Figure une vue éclatée d'une série de couches avec entrée et une sortie qui passent toutes deux à travers les couches représentées du dissipateur thermique à microcanaux ; Figure une série de couches selon la figure 1 c où groupes de canaux de chaque plan s'étendent sur plusieurs couches ; Figure une série de couches selon la figure 1 c avec une couche de séparation supplémentaire et une couche supplémentaire pour recevoir les groupes de canaux ; Figure une vue éclatée d'une série de couches pour un dissipateur thermique à microcanaux où les groupes de canaux sont séparés en groupes partiels ; Figure un autre mode de réalisation d'un dissipateur thermique à microcanaux avec des groupes de canaux séparés en groupes partiels ; Figure 3a une vue éclatée d'une série de couches pour un dissipateur thermique à microcanaux avec des canaux orientés perpendiculairement au sens de rayonnement de la diode laser; Figure 3b un autre mode de réalisation d'un dissipateur thermique à microcanaux avec une combinaison de canaux orientés longitudinalement et transversalement au sens de rayonnement de la diode laser ; Figure 4 schéma de circulation pour les dissipateurs thermiques à microcanaux selon les figures 1 a à 3b. Dans le cas des couches d'un dissipateur thermique à microcanaux disposées dans des plans superposés de la figure la, une couche de protection supérieure 1 présente une surface de montage la sur laquelle est montée proche d'un bord de terminaison lb un objet à refroidir illustré, par exemple une diode laser de grande puissance ou des barres de diodes laser. Des microcanaux 2a s'étendent d'une entrée 2A prévue pour l'arrivée d'un liquide refroidissement dans une couche de microcanaux de refroidissement 2, arrivée pour laquelle il existe une liaison par le biais d'une ouverture 1 c vers une source de liquide de refroidissement non illustrée, microcanaux qui, tout comme les autres microcanaux, ne sont représentés que schématiquement et en petit nombre pour des raisons de lisibilité. Les microcanaux 2a forment un premier groupe de canaux auquel un autre groupe de microcanaux 2b est ensuite branché hydrauliquement en série. Pour ce faire, les canaux des deux groupes débouchent dans des éléments de liaison hydraulique sont ménagés dans une couche intermédiaire 3 sous la forme de canaux de liaison 3b. Grâce à leur configuration en rapport avec la technique de refroidissement, les canaux de liaison 3b apportent une contribution importante à l'absorption de la quantité de chaleur à dissiper. Les canaux de liaison 3b servent en même temps d'éléments de liaison hydraulique pour le branchement subséquent en série d'autres groupes de canaux qui existent sous la forme des microcanaux de refroidissement 4a et 4b dans une couche de microcanaux de refroidissement 4 agissant comme couche d'écoulement et qui sont alimentés hydrauliquement en parallèle par rapport aux groupes de canaux dans la couche de microcanaux de refroidissement 2. groupe de canaux formé par les microcanaux 4a est relié à l'entrée 2A par le biais d'un canal de liaison 3a. Alors que le groupe de canaux branchés en série dans la couche de microcanaux de refroidissement 2 du premier groupe est relié à une sortie 4C dans la couche de microcanaux de refroidissement 4 par le biais des canaux 3c dans la couche intermédiaire 3, les microcanaux 4b sont reliés directement à celle-ci. Une couche de protection inférieure 5 dans laquelle est ménagée une ouverture 5a pour l'évacuation du liquide de refroidissement ferme le dissipateur thermique vers le bas. Un liquide refroidissement amené par le biais de l'arrivée 2A passe tout d'abord dans les premiers groupes de canaux dans les couches 2 et 4, à savoir dans les microcanaux 2a un chemin direct et dans les microcanaux 4a par le biais du canal 3a dans la couche intermédiaire 3. Les canaux de liaison 3b étant utilisés en commun par les microcanaux 2a, 2b de la couche de microcanaux de refroidissement 2 et par les microcanaux 4a, 4c de la couche de microcanaux de refroidissement 4, la vitesse d'écoulement du liquide de refroidissement augmente ainsi dans une certaine zone choisie par la disposition des canaux de liaison 3b et, de ce fait, également le transfert thermique qui y a lieu. En conséquence, il est avantageux, comme dans l'exemple illustré, de disposer canaux de liaison 3b dans la zone de la dissipation thermique principale sous la surface de montage 1 a et, de ce fait, sous l'objet à refroidir. Le liquide de refroidissement provenance des microcanaux 2a ou 4a et s'écoulant dans les canaux de liaison 3b est réparti entre les microcanaux 2b ou 4b d'où il s'écoule indirectement par le biais des canaux 3c ou directement dans la sortie 4c. Sur un plan de la technique des fluides, le dissipateur thermique à microcanaux modifié de la figure 1 b est construit de la même manière que le mode de réalisation de la figure la. La zone de fixation de l'objet à refroidir présente ici une forme différente en ce que la surface montage la est décalée en arrière de la largeur d'une marche 1d. La zone du dissipateur thermique qui dépasse de la diode laser de la largeur de la marche a un effet positif sur la dissipation thermique en raison de la dispersion de chaleur qu'elle provoque. La série de couches représentée dans la figure 1c ne comprend pas de canaux 3a et 3c dans la couche intermédiaire 3. A la place sont ménagés des creux 2A, 3A et 4A ainsi que 2C, 3C et dans les couches individuelles 2, 3 et 4, lesquels forment des canaux traversants pour l'entrée 2A-3A-4A et la sortie 2C-3C-4C lorsque les couches 2, 3 et 4 sont assemblées. Sur la couche de protection 1 se trouve une couche l' supplémentaire qui est fabriquée dans un matériau ayant une conductivité thermique supérieure à celle du reste du matériau du dissipateur thermique. L'objet à refroidir est monté sur une surface de montage l'a dont le bord se trouve à proximité d'un bord de terminaison l 'b, lequel est soit à fleur du bord de terminaison lb, soit forme avec celui- ci une marche similaire à celle de la figure lb. La marche est ici formée de telle manière que la couche de protection 1 fait saillie sous la couche supplémentaire l'. Dans autre modification selon la figure I d, au lieu des couches individuelles qui se trouvaient jusqu'à présent dans les plans superposés, deux couches de microcanaux refroidissement 2 et 2' ou 4 et 4' identiques sont ' ' superposées, les éléments structurels dans les couches 2' et 4' ayant été rendus identifiables par un trait complémentaire de la même manière que la désignation des couches. Ces couches assemblées paires minces présentent une hauteur de canal agrandie, ce qui réduit la résistance thermique en raison de la surface de transfert thermique plus grande. Les caractéristiques thermiques du dissipateur thermique à microcanaux trouvent encore améliorées avec des microcanaux plus étroits. La couche à structure en microcanaux 4' prévue en plus dans la série des couches selon la figure 1 e par rapport au mode de réalisation selon la figure 1 c est séparée de la couche à structure en microcanaux 4 par une couche de séparation 3' supplémentaire. La différence hydraulique qui en résulte est déterminée par le fait que le liquide de refroidissement en provenance des canaux 4a se répartit ' présent dans la couche à structure en microcanaux 4 qui se trouve dans le plan central dans les canaux de liaison 3b de la couche de séparation supérieure 3 et dans les canaux de liaison 3'b de la couche de séparation inférieure 3'. Les fractions divisées du liquide de refroidissement se réunissent d'une part avec des fractions du liquide de refroidissement en provenance des microcanaux 2a et d'autre part avec celles en provenance des microcanaux 4'a avant de parvenir dans les différents plans pour traverser les groupes respectifs de canaux branchés hydrauliquement en série. La série de couches en rapport avec la technique de refroidissement représentée sur la figure est modifiée par rapport aux modes de réalisation de la figure 1 c en ce que les groupes de canaux, qui y sont formés par les microcanaux 2a 4a d'un côté et 2b et 4b autre côté, sont séparés en groupes partiels de canaux. Parmi les groupes partiels branchés hydrauliquement en série, les microcanaux 2a' et qui sont reliés aux entrées 2A et 4A, sont tout d'abord reliés aux microcanaux 4a" par le biais d'éléments de liaison hydraulique communs dans la couche intermédiaire 3 sous la forme de canaux de liaison 3b'. A partir de là, les canaux de liaison qui existaient déjà dans le mode de la réalisation de la figure Ic forment raccord vers les microcanaux 2b" et 4b", lesquels sont à leur tour reliés aux microcanaux 2b' et 4b' par biais des canaux de liaison 3b". Les microcanaux 2b' et 4b' débouchent finalement dans les sorties 2C et 4C. La modification selon la figure 2b élimine en partie les éléments de liaison hydraulique. A la place de ceux-ci, les microcanaux 2a" et 4a" dans leur couche de microcanaux de refroidissement 2, 4 respective se convertissent directement en microcanaux 2b" et 4b" avec une inversion du sens d'écoulement. La série de couches selon la figure 3a contient dans les couches de microcanaux refroidissement 2, 4 des microcanaux 2a"', 2b"', 2c"' respectivement 4a"', 4c"' dans lesquels le flux du liquide de refroidissement s'écoule perpendiculairement au sens de rayonnement de la diode laser. Le liquide de refroidissement qui pénètre les entrées 2A, 3A et 4A est tout d'abord acheminé par le biais des microcanaux 2a', 3a' 4a' en direction de la zone de fixation de l'objet à refroidir passe ensuite dans les microcanaux 2a"' et 4a"' par le biais du canal de liaison 3b' qui prolonge le microcanal 3a'. Le liquide de refroidissement se divise ici en deux courants partiels dirigés du centre vers l'extérieur qui débouchent à l'extrémité de canal respectif dans les canaux de liaison communs 3b. Après avoir traversé les microcanaux 2b"' et 4b'", le liquide de refroidissement arrive dans les microcanaux 2c` et 4c"' par le biais d'autres canaux de liaison communs 3b" pour finalement être amené aux sorties 2C, 3C et 4C le biais des canaux de liaison 3b"'. Dans le mode de réalisation selon la figure 3b, du fait de la configuration des microcanaux, la circulation du liquide de refroidissement est dirigée aussi bien dans le sens du rayonnement de la diode laser que perpendiculairement à celui-ci. Chacun des microcanaux 2a' et 4a' sont hydrauliquement branchés en aval par rapport aux microcanaux 2b"" et 4b"" par le biais des canaux de liaison 3b qui se trouvent dans la couche intermédiaire, les microcanaux 2a' et 4a' formant à chaque fois un premier groupe de canaux et les microcanaux 2b"" et 4b"" un autre groupe de canaux. Alors que les canaux du premier groupe présentent une orientation longitudinale par rapport à l'objet à refroidir, le groupe branché en aval y est perpendiculaire. Un dernier groupe de canaux sous la forme des microcanaux 2c' et 4c', qui s'étendent parallèlement au premier groupe, est branché en aval en série avec les microcanaux 2b"" et 4b"" par le biais des canaux de liaison 3b' et raccordé aux sorties 2C, 3C et 4C. Les portions de liquide de refroidissement qui s'écoulent tout d'abord séparément dans les microcanaux 2a' et 4a' se réunissent dans les canaux de liaison 3b dirigés dans le sens longitudinal de la couche de séparation 3 et se séparent ensuite à nouveau dans les microcanaux perpendiculaires 2b"" et 4b" ". Après les canaux 2b"" et 4b"", les portions de liquide de refroidissement se réunissent dans les canaux de liaison 3b' et se séparent finalement dans les microcanaux 2c et 4c' des couches de microcanaux de refroidissement 2 et 4. La figure 4 permet de comprendre plus facilement la circulation du liquide de refroidissement dans les modes de réalisation selon les figures 1 à 3b. Les couches 1, l', 2, 2', 3, 3', 4, 4' et S doivent renfermer des matériaux à très forte conductivité thermique comme, par exemple, du cuivre, diamant, du nitrure de bore ou du carbure de silicium ou être réalisées dans ces matériaux. Pour atteindre un coefficient de dilatation thermique proche de celui du GaAs, ces matériaux peuvent être combinés entre eux dans les mêmes couches ou dans d'autres couches, ou encore avec d'autres matériaux hautement conducteurs de chaleur comme le tungstène, le molybdène ou le nitrure d'aluminium. REVENDICATIONS . Dispositif pour refroidir les diodes laser comprenant des canaux qui sont disposés dans des plans superposés et qui sont traversés par un liquide de refroidissement, caractérisé en ce que les canaux dans chaque plan sont divisés en groupes branchés en série l'un à la suite de l'autre hydrauliquement, lesquels débouchent dans des éléments de liaison hydraulique communs (3b, 3b' 3'b) aux plans superposés hydrauliquement pour leur branchement en série et que groupes de canaux reliés entre eux se composent d'un premier groupe avec une arrivée commune (2A) et groupe branché en dernier avec une sortie commune (4C) pour le liquide de refroidissement. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les canaux disposés dans les plans superposés sont ménagés dans des couches (2, 2' ; 4, 4') entre lesquelles est disposée une couche de séparation (3, 3') comportant les éléments de liaison hydraulique communs (3b, 3b', 3'b). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les éléments de liaison hydraulique sont réalisés sous la forme de canaux en rapport avec la technique de refroidissement et sont disposés dans la zone de dissipation thermique principale. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les groupes de canaux dans les plans superposés sont configurés pour des écoulements en parallèle du liquide refroidissement. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les groupes de canaux sont configurés pour un écoulement du liquide de refroidissement parallèle au sens de rayonnement de la diode laser. 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les groupes de canaux sont configurés pour un écoulement du liquide de refroidissement perpendiculaire au sens de rayonnement de la diode laser. 7. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les groupes de canaux sont configurés au moins en fractions d'écoulement du liquide de refroidissement qui sont orientées perpendiculairement les unes par rapport aux autres, l'un des écoulements du liquide de refroidissement circulant dans le sens du rayonnement de la diode laser. 8. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que les couches dans lesquelles sont contenus les groupes de canaux sont recouvertes par des couches de protection, dont une couche de protection supérieure (1) comporte un échelonnement dans zone de fixation (la, l'a) de la diode laser. 9. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que les couches dans lesquelles sont contenus les groupes de canaux sont recouvertes par des couches de protection 5), dont une couche de protection supérieure (1) comporte une couche supplémentaire ') pour fixer la diode laser. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la couche de protection fait saillie sous la couche supplémentaire en formant une marche (1d). 11. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 10, caractérisé en ce que les couches sont réalisées sous la forme de multicouches pour augmenter la hauteur des canaux. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'au moins l'une des couches renferme des matériaux tels que du diamant, du nitrure d'aluminium, du nitrure de bore, du carbure de silicium, du molybdène, du tungstène ou du cuivre.