ТЕПЛООБМЕННИК ДЛЯ МОЩНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРОВ

Полезная модель относится к полупроводниковой лазерной технике, в частности, к системам охлаждения мощных полупроводниковых лазеров и предназначена для охлаждения активного слоя лазерных линеек и матриц лазерных диодов.
Вследствие сильной зависимости характеристик излучения, надежности и срока функционирования полупроводниковых лазеров от температуры теплообменник является обязательным элементом их конструкции. Для получения высоких значений мощности излучения в непрерывном режиме необходимо использовать многоканальные теплообменники из высокотеплопроводных материалов. Характерным примером конструкции такого теплообменника может служить устройство для охлаждения линеек лазерных диодов, описанное в работе (Апполонов В.В. и др. «Исследование тепловых свойств лазерной диодной линейки на теплообменнике из карбида кремния», Квантовая Электроника, 1997, т.24, №10, с.869). Данное устройство представляет собой корпус в форме прямоугольного параллелепипеда, заполненный решеткой прямых щелевых каналов, ориентированных по нормали к продольной оси линейки, которая закреплена на верхней грани корпуса у самого края. Подобный теплообменник обеспечивает достаточно высокую степень однородности охлаждения линейки и имеет небольшое гидравлическое сопротивление из-за ламинарного режима течения в каналах. Однако, интенсивность теплоотвода, обеспечиваемая подобным
устройством, сильно ограничена вследствие формирования в участках каналов под местом крепления линейки области застоя жидкости, в которой ее скорость много меньше, чем в основной части потока. В случае использования такого теплообменника для решеток лазерных диодов невозможно обеспечить равномерность их охлаждения из-за нагрева потока жидкости вдоль оси каналов
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели и принятым за прототип является микроканальный теплообменник, в конструкции которого использована сдвоенная решетка каналов, которая образована двумя вложенными друг в друга одинаковыми решетками прямых каналов (Патент США №5099910 «Micro channel heat sink with alternating flow directions», 1992). В данном устройстве решетки не сообщаются между собой, и охлаждающая жидкость прокачивается через них во встречных направлениях таким образом, что направление потока в каналах попеременно чередуется. Благодаря тому, что каждое из ребер теплообменника с разных сторон омывается потоками противоположного направления, удается существенно сгладить неоднородность охлаждения вдоль оси каналов. Жидкость подводится и отводится через систему отверстий, расположенных на краях теплообменника, благодаря чему зоны застоя, которые образуются на конечных участках каналов, вынесены на периферию охлаждаемой поверхности.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является обеспечение высокой плотности и однородности теплового потока, отводимого теплообменником от активной области мощных полупроводниковых лазеров.
Поставленная задача решается благодаря использованию новой конфигурации микроканалов теплообменника, которая обеспечивает турбулентный режим протекания потока жидкости в области, непосредственно примыкающей к охлаждаемой поверхности, т.е. к месту крепления лазера.
Данный технический результат при реализации предлагаемой полезной модели достигается тем, что в теплообменник для мощных полупроводниковых лазеров, состоящий из сдвоенной решетки прямых щелевых микроканалов и теплоотводящей пластины, изготовленной из высокотеплопроводного материала, дополнительно введена теплоотводящая решетка прямых щелевых микроканалов, соединенная с теплоотводящей пластиной, ориентированная перпендикулярно сдвоенной решетке прямых щелевых микроканалов, имеющая открытые микроканалы, непосредственно сообщающиеся с микроканалами сдвоенной решетки прямых щелевых микроканалов.
Сущность его поясняется чертежом, на котором представлен фрагмент теплообменника в разрезе, где стрелками показаны направления потоков охлаждающей жидкости. На чертеже указаны сдвоенная решетка 1 (далее гидравлическая) прямых щелевых микроканалов 4 и 5, теплоотводящая решетка 2 прямых щелевых микроканалов 6 и теплоотводящая пластина 3.
Прямые щелевые микроканалы 4 и 5 в гидравлической решетке 1 ориентированы по нормали к теплоотводящей пластине 3. Выход микроканалов 4 и 5 гидравлической решетки 1 соединен с открытыми микроканалами 6 теплоотводящей решетки 2, ребра которой соединены с теплоотводящей пластиной 3. Оси микроканалов гидравлической 1 и теплоотводящей 2 решеток
перпендикулярны. Гидравлическая решетка 1 соединена с каналами подачи и стока охлаждающей жидкости.
В отличие от прототипа, гидравлическая решетка 1 служит преимущественно для подачи/отвода жидкости к/от теплоотводящей решетки 2. Поступая через входные микроканалы 4, охлаждающая жидкость под давление подается в микроканалы 6, а затем перетекает в микроканалы 5, по которым отводится в общий сток. Микроканалы подачи/отвода жидкости 4 и 5 в гидравлической решетке 1 последовательно чередуются. В каждом из микроканалов 6 теплоотводящей решетки 2 поток жидкости имеет периодическую вихревую структуру с периодом порядка расстояния между соседними микроканалами 4. Таким образом, за счет новой организации прокачки жидкости в заявляемой полезной модели ликвидированы застойные участки и достигнута сильная турбуленция потока в теплоотводящей решетке 2, что в совокупности обеспечивает увеличение коэффициента теплоотдачи на стенках ее микроканалов 6, а в конечном счете - интенсификацию теплоотвода от теплоотводящей пластины 3. Учитывая периодичность потока вдоль оси микроканалов 6 теплоотводящей решетки 2, период подрешетки микроканалов подачи жидкости 4 выбран равным периоду упаковки лазерных диодов в лазерных линейках. При креплении лазерной структуры совмещением позиций диодов с выходами микроканалов 4 обеспечена наилучшая однородность охлаждения линейки при оптимальных условиях для каждого из диодов, входящих в ее состав.
Опытный образец предлагаемого устройства был выполнен из меди и испытан в работе с серийной линейкой лазерных диодов (длина - 1 см, ширина -
500 мкм). Последняя крепилась к теплоотводящей пластине 3 с помощью индиевого припоя с толщиной слоя около 5 мкм. Период микроканалов подачи жидкости 4 в гидравлической решетке 1 был выбран равным периоду упаковки диодов в линейке. В качестве охлаждающей жидкости использовалась вода при температуре 20°С. Испытания подтвердили высокую эффективность предложенной конструкции. Во всем интервале рабочих токов диодов тепловое ограничение выходной мощности обнаружено не было.