用于激光器散热的液态金属相变冷板低形变结构及使用方法技术

本发明专利技术公开了一种用于激光器散热的液态金属相变冷板低形变结构及使用方法，结构包括：分布式液态金属散热单元，其包括等间距阵列排布有多个内置相变材料填充腔的冷板填充于所述相变材料填充腔内部用于吸收热量的液态金属，所述相变材料填充腔设于光学元件背后方且位于冷板内部被冷板完全密封；相变膨胀缓冲单元，包括滑动腔、与滑动腔滑动连接并起到对相变材料填充腔中的液态金属产生动密封作用的密封滑动板、设置于滑动腔内部且对密封滑动板起到弹性支撑作用的缓冲弹簧。通过对相变材料填充腔进行分布式放置，提高了冷板的力学强度和冷板利用率；且利用液态金属发生相态转变时的特性，达到了均温、控温和散热的技术效果。果。果。

【技术实现步骤摘要】
用于激光器散热的液态金属相变冷板低形变结构及使用方法


[0001]本专利技术属于激光器热管理
，更具体地，涉及一种用于激光器散热的液态金属相变冷板低形变结构及使用方法。

技术介绍

[0002]激光因具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性等优点，使得激光装备在未来具有较大发展潜力。因受制于光电转化效率的影响，激光装备的光电器件会产生大量热量，热量不及时导出，光电器件的性能将会急剧降低。目前，光电器件的散热方式主要采用风冷和水冷两种形式：风冷因散热量效率低，很难解决高功率激光装备的散热问题；水冷虽然具有效率高、技术成熟的特点，但水冷热管理系统体积过于庞大，限制了激光装备小型化和轻量化的发展。
[0003]为了解决上述技术问题，中国专利技术专利CN 113764963 A公开了一种光纤激光器器件热控管理装置及光纤激光器，包括均温板、冷却模块和第一金属模块；均温板用于设置在光纤激光器器件的第一侧，所述均温板上具有金属模块放置槽，均温板内部具有制冷工质流道，制冷工质流道位于所述金属模块放置槽的至少一侧，制冷工质流道内填充有制冷工质；第一金属模块位于金属模块放置槽内，第一金属模块包括第一液态金属和封装在第一液态金属外部的第一封装部；冷却模块设置在所述均温板的一侧，所述冷却模块用于吸收光纤激光器器件的经所述均温板传导的热量；此外，中国技术专利CN 209625139 U公开了一种降低芯片导冷板接触热阻的装置，包括导冷板和散热片，所述导冷板内部开设有方形槽位，方形槽位内填充液态金属相变热吸收材料，导冷板固定在散热片上。
[0004]上述专利技术方案中，均通过具有高导热性能的液态金属从而对光电器件达到了良好的散热效果，但仍存在如下技术问题：(1)对冷板与液态金属结合的散热方式，对于连续式大面积填充会降低其散热效率，同时会因液态金属昂贵的价格造成制造成本的提高，且对冷板力学强度产生较大削弱；(2)由于液态金属固态时具有较大硬度和强度，而冷板又具有延展性，使得在液态金属凝固时会产生较大的局部应力，液态金属膨胀会让冷板产生局部变形，这会导致光电器件与冷板的接触不良，传热性能急剧下降，甚至导致光电器件损坏；(3)上述专利技术所述的冷却方法不能很好的适应于具有短时高发热特征的高功率激光装备，其发热呈脉冲式和周期性，激光装备的恢复时间明显长于工作时间，若仅采用上述冷却方式，仅能通过实时散热将光学器件的热量带走，无法实现大功率激光装备的制冷设备小型化。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供一种用于激光器散热的液态金属相变冷板低形变结构，通过对相变材料填充腔进行分布式放置，有效提高了冷板的力学强度和液态金属冷板利用率；冷板内部填充导热性能好、单位体积潜热大的相变温度为常温段的液态金属，可对光电器件进行有效控温。通过利用液态金属在恒温下发生相态转变
时具有大潜热的特性，使得其具有良好的吸热、储热、均温能力以及无需外部制冷和驱动装备等优势，由于高功率激光装备具有短时高发热的特征，发热呈脉冲式和周期性，激光装备的恢复时间明显长于工作时间，相变散热技术能利用相变潜热吸收激光装备中的光电器件短时间内释放的大量热量，然后再通过一定时间将热量导出，恢复到初始状态，从而有效达到了均温、控温和散热的技术效果。包括：
[0006]按照本专利技术的一个方面，提供一种用于激光器散热的液态金属相变冷板低形变结构，包括：
[0007]分布式液态金属散热单元，其包括等间距阵列排布有多个内置相变材料填充腔的冷板、填充于所述相变材料填充腔内部用于吸收热量的液态金属，所述冷板竖向放置，所述相变材料填充腔设于光学元件背后方且位于冷板内部被冷板完全密封；
[0008]相变膨胀缓冲单元，包括贯通连接于相变材料填充腔下方的滑动腔、与滑动腔滑动连接并起到对相变材料填充腔中的液态金属产生动密封作用的密封滑动板、设置于滑动腔内部且对密封滑动板起到弹性支撑作用的缓冲弹簧。
[0009]进一步的，所述的一种用于激光器散热的液态金属相变冷板低形变结构，还包括：
[0010]设置于所述冷板内部并置于相变材料填充腔后方的水冷单元，其包括蛇形布置于所述相变材料填充腔后方的流道、设于冷板侧面且分别用于对冷却液进行输入和输出的冷却液进口和冷却液出口，所述相变材料填充腔与流道之间为非连通状态。
[0011]进一步的，所述的流道水平方向穿过各个相变材料填充腔后方且设置于各个相变材料填充腔高度方向的居中位置。
[0012]进一步的，关于所述冷板中间平面前后对称共设有两组用于对光电器件进行散热的液态金属散热单元、相变膨胀缓冲单元和水冷单元。
[0013]进一步的，所述的液态金属为镓锡铟。
[0014]进一步的，所述相变材料填充腔中填充的液态金属体积不超过相变材料填充腔总体积的95％～98％。
[0015]进一步的，所述冷板材料为高导热铜。
[0016]按照本专利技术第二方面，提供一种用于激光器散热的液态金属相变冷板低形变结构的使用方法，包括如下步骤：
[0017]S100:激光装备在工作时光学元件产生的热量经过高导热性能的冷板间接传导至冷板内部的相变材料填充腔，从而被相变材料填充腔内的液态金属所吸收，使得液态金属由凝固状态相变为液态，从而对热量进行暂时性存储；
[0018]S200:当激光设备停止工作时，液态金属由液态相变为凝固状态并将其中的热量进行释放，从而对光学元件进行有效散热；
[0019]S300:由于液态金属由液态相变为凝固状态的过程中，液态金属本身会发生膨胀，从而对相变材料填充腔内壁产生挤压，此时液态金属会对设置于相变材料填充腔下方的密封滑动板进行挤压，从而推动密封滑动板沿滑动腔向下运动，进而推动内置的多个缓冲弹簧被压缩，实现了对液态金属膨胀量的吸收，避免了液态金属膨胀使冷板产生局部变形，导致的光电器件与冷板的接触不良，传热性能急剧下降，甚至导致光电器件损坏的技术问题。
[0020]进一步的，所述步骤S300包括如下步骤：
[0021]S301：根据大功率激光装备周期性工作模式的特性，发热呈脉冲式和周期性，激光
装备的恢复时间明显长于工作时间，当激光装备处于待机状态时，启动水冷单元，将冷却液从冷却液进口输入，从而进入流道，由冷却液出口输出，过程中冷却液会带走液态金属的热量，从而实现高效散热；
[0022]S302：当激光装备处于工作状态时，关闭水冷单元，从而使得液态金属对激光装备所产生的的热量进行临时存储，从而有效避免了若水冷单元实时工作需要更大功率的制冷设备从而对大功率激光装备小型化产生的阻碍。
[0023]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0024]1.本专利技术的一种用于激光器散热的液态金属相变冷板低形变结构，通过对相变材料填充腔进行分布式放置，通过借助弹性元件的自适应性，设计了一种由多个小型弹簧和密封板条组合的动态可调结构，即在相变材料填充腔101底部安装相变膨胀缓本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于激光器散热的液态金属相变冷板低形变结构，其特征在于，包括：分布式液态金属散热单元，其包括等间距阵列排布有多个内置相变材料填充腔(101)的冷板(1)、填充于所述相变材料填充腔(101)内部用于吸收热量的液态金属，所述冷板(1)竖向放置，所述相变材料填充腔(101)设于光学元件背后方且位于冷板(1)内部被冷板(1)完全密封；相变膨胀缓冲单元(2)，包括贯通连接于相变材料填充腔(101)下方的滑动腔(202)、与滑动腔(202)滑动连接并起到对相变材料填充腔(101)中的液态金属产生动密封作用的密封滑动板(201)、设置于滑动腔(202)内部且对密封滑动板(201)起到弹性支撑作用的缓冲弹簧(203)。2.根据权利要求1所述的一种用于激光器散热的液态金属相变冷板低形变结构，其特征在于，还包括：设置于所述冷板(1)内部并置于相变材料填充腔(101)后方的水冷单元(3)，其包括蛇形布置于所述相变材料填充腔(101)后方的流道(301)、设于冷板(1)侧面且分别用于对冷却液进行输入和输出的冷却液进口(303)和冷却液出口(302)，所述相变材料填充腔(101)与流道(301)之间为非连通状态。3.根据权利要求2所述的一种用于激光器散热的液态金属相变冷板低形变结构，其特征在于：所述的流道(301)水平方向穿过各个相变材料填充腔(101)后方且设置于各个相变材料填充腔(101)高度方向的居中位置。4.根据权利要求1～3其中任意一项所述的一种用于激光器散热的液态金属相变冷板低形变结构，其特征在于，还包括：关于所述冷板(1)中间平面前后对称共设有两组用于对光电器件(4)进行散热的液态金属散热单元、相变膨胀缓冲单元(2)和水冷单元(3)。5.根据权利要求4所述的一种用于激光器散热的液态金属相变冷板低形变结构，其特征在于：所述的液态金属为镓锡铟。6.根据权利要求1所述的一种用于激光器散热的液态金属相变冷板低形...

【专利技术属性】
技术研发人员：李强，杨小强，武春风，姜永亮，胡黎明，韩西萌，胡金萌，王旭锋，庞中昊，高政旺，
申请(专利权)人：中国航天三江集团有限公司，
类型：发明
国别省市：