專利名稱：一種光纖耦合模塊的溫控散熱系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光器技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器中且對光纖耦合模塊進(jìn)行溫度控制以達(dá)到良好散熱的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光器是一種以一定半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)而產(chǎn)生受激發(fā)射作用的器件，其由于波長范圍寬，耦合效率高，響應(yīng)速度快、制作簡單、成本低、易于大量生產(chǎn)，且體積小、重量輕、壽命長等優(yōu)點，在通信技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程、軍工技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。到目前為止，半導(dǎo)體激光器已經(jīng)是光纖通信、光纖傳感、光盤記錄存儲、光互連、激光打印和印刷、激光分子光譜學(xué)以及固定激光器泵浦、光纖放大器泵浦中不可替代的重要光源。因此，半導(dǎo)體激光電源的可靠性、穩(wěn)定性也由此顯得格外重要，其中，光纖耦合模塊作為半導(dǎo)體激光器中的重要器件，其對溫度比較敏感，一旦溫度發(fā)生異常變化便會影響到模塊壽命，嚴(yán)重時會影響整個半導(dǎo)體激光器器件的性能，而且該光纖耦合模塊在工作中會產(chǎn)生大量的熱量，因此，如何對其進(jìn)行溫度控制和散熱對整個半導(dǎo)體激光器的品質(zhì)是非常關(guān)鍵的?，F(xiàn)在，小功率的半導(dǎo)體激光器可以采用簡單的被動散熱方式；而大功率的半導(dǎo)體激光器則一般需要冷凍壓縮機去進(jìn)行散熱，但由于冷凍壓縮機體積大、噪音大，且容易受到應(yīng)用環(huán)境的限制，使半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用范圍變窄，并且除此之外還需要制冷劑，對環(huán)境亦存在一定的污染，因此目前已經(jīng)不常采用該種方式。目前，熱電致冷芯片(Thermoelectric Cooling Chip，簡稱TEC)由于體積小、無噪音、無需使用制冷劑、無環(huán)保公害、壽命長，且可倒立或側(cè)立使用，無方向限制，日后幾乎不需維護(hù)等優(yōu)點，特別在風(fēng)冷加致冷片的制冷形式中得到應(yīng)用，該形式具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、容易控制等優(yōu)點，在工程應(yīng)用得到廣泛實施。不過，TEC控制器雖然有較高的效率，可將除TEC以外的器件產(chǎn)生的熱量減到最小，但是風(fēng)冷卻需要大功率的風(fēng)扇和大散熱片，其對電源的空間和重量提出了一定的要求。

發(fā)明內(nèi)容
基于現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的主要目的在于提供一種耦合效率高、散熱好， 且電源空間占用少并且重量輕的光纖耦合模塊的溫控散熱系統(tǒng)。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了下述技術(shù)方案所述溫控散熱系統(tǒng)應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器中，包括熱電致冷芯片、第一熱沉、LD模塊、第二熱沉、水冷塊、溫度開關(guān)、循環(huán)水泵、換熱器以及調(diào)速風(fēng)扇；其中，所述熱電致冷芯片設(shè)置有吸熱面和放熱面，所述第一熱沉和第二熱沉分別安裝在熱電致冷芯片的吸熱面和放熱面，所述溫度開關(guān)安裝在第二熱沉上，所述LD模塊安裝在第一熱沉上，所述水冷塊安裝在第二熱沉上，所述調(diào)速風(fēng)扇上安裝有換熱器，所述循環(huán)水泵分別位于換熱器和水冷快前方。
進(jìn)一步地，所述第一熱沉上設(shè)置有導(dǎo)熱硅脂層。進(jìn)一步地，所以第一熱沉和第二熱沉為紫銅材質(zhì)的散熱片。進(jìn)一步地，所述水冷塊內(nèi)置放有防凍液。進(jìn)一步地，所述水冷塊和第二熱沉之間采用密封圈密封。進(jìn)一步地，還包括熱敏電阻，該熱敏電阻為安裝在第一熱沉上。進(jìn)一步地，所述調(diào)速風(fēng)扇采用熱敏電阻調(diào)速。進(jìn)一步地，所述換熱器為鰭片式。本發(fā)明所述一種光纖耦合模塊的溫控散熱系統(tǒng)具有以下優(yōu)點1)通過采用局部循環(huán)水散熱工藝，TEC制冷片控溫技術(shù)，有效地解決了激光電源體積小、設(shè)計緊湊等問題； 2)通過對光纖耦合模塊工作溫度的監(jiān)測與控制，進(jìn)一步提高了溫控的可靠性，保證了半導(dǎo)體激光器的散熱性能。


圖1為本發(fā)明所述一種光纖耦合模塊的溫控散熱系統(tǒng)的架構(gòu)圖。圖2為本發(fā)明所述一種光纖耦合模塊的溫控散熱系統(tǒng)的水冷塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖以及具體實施例來對本發(fā)明所述一種光纖耦合模塊的溫控散熱系統(tǒng)作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明所述一種光纖耦合模塊的溫控散熱系統(tǒng)采用局部循環(huán)水散熱工藝以及TEC 制冷片控溫技術(shù)。其中，所述TEC是利用塞貝克效應(yīng)來制冷或加熱的半導(dǎo)體P-N結(jié)器件，依靠熱交換，通過一面吸熱另一面散熱實現(xiàn)加熱制冷。在本發(fā)明中，當(dāng)在TEC兩端施加直流電壓時，TEC的一面加熱(散熱)，另一面則制冷(吸熱)；因此，TEC加熱(散熱)的一面被稱為“放熱面”，而其制冷(吸熱)的一面稱為“吸熱面”。實施時，如果把TEC兩端的電壓反相，則吸熱面和放熱面就會互換。在實際使用時，需要控制溫度的物體安裝在吸熱面，而散熱裝置安裝在放熱面。進(jìn)一步，由于實際使用時，TEC電功率幾乎全部轉(zhuǎn)化為熱能QF = UI，其僅在TEC吸熱面熱交換量QJ大于發(fā)熱量QF/2，即假定電功率產(chǎn)生的熱量在兩面平均分配時，且當(dāng)放熱面有效散熱時，TEC吸熱面才能制冷。此時，吸熱面吸熱量QIN = QJ-QF/2，放熱面散熱量 QOUT = QJ+QF/2。在本實施例中，TEC吸熱面或放熱面由TEC電流方向決定，即，TEC此時可看作是一個非線性電阻負(fù)載，電流方向隨電壓方向改變，其中，TEC可以移去的熱量與流過TEC的電流大小有關(guān)，電流越大，則移去的熱量越多。在本發(fā)明中，光纖耦合模塊的溫度可以通過控制流過TEC兩端的電流的大小和方向來進(jìn)行控制。此外，當(dāng)TEC的電流超過某個最大值，TEC就不再制冷而只會發(fā)熱，因此在本發(fā)明中設(shè)置了過溫報警電路，即在TEC吸熱面上設(shè)置熱敏電阻。溫控時，通過精密輸入放大器， 精確地測量光纖耦合模塊實際溫度與目標(biāo)溫度之間的溫差；通過一補償網(wǎng)絡(luò)得到最優(yōu)的穩(wěn)定性和時間特性；以及一高輸出電流，使TEC控制器有較高的效率，從而將除TEC以外器件產(chǎn)生的熱量減到最小。
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假設(shè)，所述半導(dǎo)體激光器的光纖耦合模塊工作在出光功率30W時，將產(chǎn)生約45W的熱量。如果按最低工作設(shè)定溫度20°C計算，由于光纖耦合模塊的bar條到模塊底部的溫差一般為5°C，熱沉溫差一般也為5°C，則需TEC的吸熱面溫度約為10°C ；如果根據(jù)最高工作環(huán)境溫度30°C算，再加上預(yù)容量2V以及機箱與環(huán)境溫度的溫差3°C，則需考慮環(huán)境溫度為 350C ；此時TEC的最高工作溫差為40°C，TEC的極限溫差為60°C，TEC的實際效率為50%， 那么注入TEC的最大功率為45W/(1-40/60) 50% (效率)=270W。在本發(fā)明實施例中，為解決上述注入的270W的熱量，且在與環(huán)境溫差為15°C中進(jìn)行散熱，則需用散熱器件的熱阻為Rth = ΔΤ/Ρ = 15°C /270W = 0. 0555°C /W。而目前一般的散熱器長度為400mm，其在風(fēng)速為4m/s時的熱阻為0. 08°C /W，在風(fēng)速為6m/s時的熱阻為0.055°C /W左右、且0. 055°C /W為臨界值。當(dāng)風(fēng)速為6m/s時，噪聲大、風(fēng)道也難設(shè)計。針對上述問題，本發(fā)明采用局部循環(huán)水散熱工藝，在工藝上吸熱和散熱采用分離式，故風(fēng)道設(shè)計容易，便于實施。參見圖1所示，所述溫控散熱系統(tǒng)包括熱電致冷芯片10、第一熱沉11、LD模塊12、 第二熱沉13、水冷塊14、溫度開關(guān)15、循環(huán)水泵16、換熱器17以及調(diào)速風(fēng)扇18。其中，所述熱電致冷芯片10設(shè)置有吸熱面和放熱面；所述第一熱沉11和第二熱沉 13分別安裝在熱電致冷芯片10的吸熱面和放熱面；所述溫度開關(guān)15安裝在第二熱沉13 上，當(dāng)TEC過溫(60°C)時，溫度開關(guān)斷開，則本發(fā)明所述溫控散熱系統(tǒng)會提示報警，需要等溫度降下來之后再操作，從而達(dá)到過溫保護(hù)的作用；所述LD模塊12安裝在第一熱沉11上； 所述水冷塊14安裝在第二熱沉13上；所述調(diào)速風(fēng)扇18上安裝有換熱器17 ；所述循環(huán)水泵 16分別位于換熱器17和水冷塊14正前方，以便于更好的對熱能進(jìn)行置換。在本實施例中，所述第一熱沉11和第二熱沉13選用導(dǎo)熱良好的紫銅進(jìn)行精密加工，以使得其與LD模塊12以及熱電致冷芯片10有很好的貼合度，實施時，在該第一熱沉11 的表面上涂有導(dǎo)熱硅脂以增加熱傳導(dǎo)。進(jìn)一步地，所述水冷塊14可采用不銹鋼材料，且內(nèi)置有防凍液，見圖2所示，防凍液從圖中A方向進(jìn)入，從圖中B方向出來，充分在水冷塊14中迂回流過，充分轉(zhuǎn)移熱量。實施時，水冷塊14和第二熱沉13之間用密封圈，用螺釘擰緊，防凍液就不會漏出。在本發(fā)明中，所述循環(huán)水泵16的換熱介質(zhì)亦采用防凍液，實施時，該循環(huán)水泵16 中循環(huán)管道內(nèi)防凍液的流動轉(zhuǎn)移熱量，以達(dá)到溫度控制的目的，其中，通過該防凍液可以很好的控制光纖耦合模塊各個部位的熱負(fù)荷，使溫度平滑下降。在本實施例中，在第一熱沉11的與熱電致冷芯片10接觸一面設(shè)置熱敏電阻19，以便于更好的對溫度進(jìn)行控制。進(jìn)一步地，所述調(diào)速風(fēng)扇18可采用熱敏電阻調(diào)速，使在小功率輸出或低環(huán)境溫度下，風(fēng)扇噪聲不至于過大。進(jìn)一步地，在本發(fā)明中，所述換熱器17為鰭片式，故有效散熱面積比純散熱器大， 且可使得熱阻在0. 0550C /W以下的風(fēng)速也不是很高，有效地解決了體積小、設(shè)計緊奏等問題，同樣在工藝和性能方面有著極大的提高。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光纖耦合模塊的溫控散熱系統(tǒng)，應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器中，其特征在于，包括熱電致冷芯片、第一熱沉、LD模塊、第二熱沉、水冷塊、溫度開關(guān)、循環(huán)水泵、換熱器以及調(diào)速風(fēng)扇；其中，所述熱電致冷芯片設(shè)置有吸熱面和放熱面，所述第一熱沉和第二熱沉分別安裝在熱電致冷芯片的吸熱面和放熱面，所述溫度開關(guān)安裝在第二熱沉上，所述LD模塊安裝在第一熱沉上，所述水冷塊安裝在第二熱沉上，所述調(diào)速風(fēng)扇上安裝有換熱器，所述循環(huán)水泵分別位于換熱器和水冷快前方。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種光纖耦合模塊的溫控散熱系統(tǒng)，其特征在于，所述第一熱沉上設(shè)置有導(dǎo)熱硅脂層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種光纖耦合模塊的溫控散熱系統(tǒng)，其特征在于，所以第一熱沉和第二熱沉為紫銅材質(zhì)的散熱片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種光纖耦合模塊的溫控散熱系統(tǒng)，其特征在于，所述水冷塊內(nèi)置放有防凍液。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種光纖耦合模塊的溫控散熱系統(tǒng)，其特征在于，所述水冷塊和第二熱沉之間采用密封圈密封。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種光纖耦合模塊的溫控散熱系統(tǒng)，其特征在于，還包括熱敏電阻，該熱敏電阻為安裝在第一熱沉上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種光纖耦合模塊的溫控散熱系統(tǒng)，其特征在于，所述調(diào)速風(fēng)扇采用熱敏電阻調(diào)速。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種光纖耦合模塊的溫控散熱系統(tǒng)，其特征在于，所述換熱器為鰭片式。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光纖耦合模塊的溫控散熱系統(tǒng)，包括熱電致冷芯片、第一熱沉、LD模塊、第二熱沉、水冷塊、溫度開關(guān)、循環(huán)水泵、換熱器以及調(diào)速風(fēng)扇；其中，所述熱電致冷芯片設(shè)置有熱端和冷端，所述第一熱沉和第二熱沉分別安裝在熱電致冷芯片的冷端和熱端上，所述溫度開關(guān)安裝在第二熱沉上，所述LD模塊安裝在第一熱沉上，所述水冷塊安裝在第二熱沉上，所述調(diào)速風(fēng)扇上安裝有換熱器，所述循環(huán)水泵分別位于換熱器和水冷快前方。本發(fā)明優(yōu)點在于通過采用局部循環(huán)水散熱工藝，TEC制冷片控溫技術(shù)，有效地解決了激光電源體積小、設(shè)計緊奏等問題；通過對光纖耦合模塊工作溫度的監(jiān)測與控制，進(jìn)一步提高了溫控的可靠性，保證了半導(dǎo)體激光器的散熱性能。
文檔編號H01S5/024GK102570289SQ20111013667
公開日2012年7月11日 申請日期2011年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月25日
發(fā)明者張正祥, 樊仲維, 魏星 申請人:北京國科世紀(jì)激光技術(shù)有限公司