TWI896308B - 具有高效散熱器的固態雷射及該高效散熱器 - Google Patents

Abstract

一種具有高效散熱器的固態雷射，包括：複數固態雷射元件；以及一高效散熱器，包括一導熱基板，供前述固態雷射元件導熱安裝；至少一埋設於上述導熱基板的導熱管，內部設置有液態冷媒，並當上述固態雷射元件運作時，藉由上述液態冷媒汽化而將攜帶熱能的上述汽化後的冷媒朝向遠離上述導熱基板移動；至少一設置於上述導熱基板後方的傳熱板；至少一側導熱結合於上述傳熱板的致冷晶片，上述致冷晶片的另一側導熱連結於上述導熱基板；以及複數彼此平行且導熱連結上述導熱管遠離上述導熱基板的散熱鰭片。

Description

具有高效散熱器的固態雷射及該高效散熱器

本發明係一種具有高效散熱器的固態雷射及該高效散熱器。

目前常用的垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)，不僅可以在製作的過程中，就立即測試其品質並且作問題處理，使得產品良率得以控制；更可採用高密度大量批次製造數萬個VCSEL，產出效率絕佳；尤其適合擔任高解析度的影像光源，或者是高亮度的光源。但是，基於雷射發光的共振腔內頻繁且高能量密度的內部反射，無疑會在反射介面造成高密度的光能損耗並轉換為熱能形態累積。

不幸地，這類高發熱元件本身發光效能又明顯受到操作環境溫度所影響，例如以攝氏20度時的發光強度為標準，當操作環境溫度升高，發光強度可能迅速呈類似線性地衰減，到例如攝氏70度就趨近於完全不發光，此種條件干擾，讓這類具有良好光學性能的受溫度影響固態雷射元件在實際應用上飽受限制。一旦光源本身的耗能為數百瓦、千瓦甚至上萬瓦時，有效轉換為光能的比例僅約百分之四十至五十，另外約占百分之五十甚至六十的能量都將轉換為熱能釋放。

目前市面上，常見的降溫方式主要多採用氣冷或水冷，藉由空氣、水或冷媒作為攜帶熱能的媒介，將元件所發的熱能從元件 近旁攜帶到較遠的地方釋放。常用的結構則例如風扇、循環水流管道、金屬散熱片(heat sink)、內部儲放相變化材質的導熱管(heat pipe)、致冷晶片(thermoelectric cooler)等等，以及上述結構的組合運用。當然，如果不考慮能量消耗和體積，還可以採用例如壓縮機等裝置設備。

依照熱傳導方程式，高溫側和低溫側的溫度差，會直接影響熱傳導的效率。換句話說，一旦環境本身溫度就高達攝氏四十至五十度時，一方面元件本身近旁的溫度要設法保持在越接近例如攝氏二十度的理想操作溫度，但另方面卻要把光源所發熱能高效率排除至攝氏四十至五十度的外部環境中，要高效率地排除熱能，又想要避開例如壓縮機等體積龐大的高耗能裝置，就會變成高難度的技術問題。

一種現有的散熱器結構如圖1所示，是導熱管埋設再安裝有發熱元件9的導熱基板中，讓發熱元件9發熱能造成熱導管80內的冷媒汽化，藉由相變化吸收熱能，並且汽化後的冷媒體積膨脹，因此在熱導管80內向圖示右側逸散，並且在右側設置散熱鰭片82，並且在散熱鰭片82和熱導管80之間安裝致冷晶片7，以冷側朝向熱導管80、高溫側朝向散熱鰭片82，協助主動散熱，並讓汽化的冷媒受致冷晶片7冷凝回復液態，經由熱導管80內的例如毛細作用而有部分重新回到左側的導熱管中。當然，如果是冷凝側位於上方，則液化的冷媒更可以藉由重力的作用輔助而返回汽化側。然而，由於VCSEL一類的固態雷射元件90，往往並不是單一運作，當發熱元件9本身是以例如陣列方式配置，被冷凝的冷媒，在熱導管80中向左側移動過程，將會先接觸到排列於右側的發熱元件93，隨即被汽化；則位於圖左方的發熱元 件91被冷卻的效果會迅速降低，使得發熱元件91、92、93...間的實際操作環境溫度不均衡、元件老化和劣化分布隨安裝位置而產生差異。

另一種現有的液冷散熱器結構則如圖2所示，圖上方側和下方側分別有一根冷卻液體的導流管84、86構成一個熱循環，圖以外的左右兩側分別是發熱元件和散熱裝置；每一根導流管分別導熱連接有複數導熱鰭片85、87，且在每一對導熱鰭片85和87之間，分別導熱安裝有一片致冷晶片7，使得用來冷卻的導流管更冷，可以從發熱元件側帶走更多熱能，而攜帶出熱能的熱管可以在沿途吸走更多熱能到外側供散熱裝置排除。然而，每一導熱鰭片85和導流管84、導熱鰭片85和致冷晶片7、致冷晶片7和導熱鰭片87、以及導熱鰭片87和另一導流管86之間，都必須保持良好的導熱連結，這種結構不僅複雜，而且隨著致冷晶片7的數目，如何有效提供電能致冷，也變得更困難，何況相較於排除的熱能，這種結構的電能損耗無疑是龐大的。

因此，如何維持固態雷射等設備的良好操作環境，使其在運作時能提供良好發光效率、均衡發光，且延長使用壽明，尤其在操作過程不要大量耗能，延長設備續航力，都是本領域人士關注焦點。

本發明的一目的在提供一種具有高效散熱器的固態雷射，藉由可配合環境溫度而選擇散熱模式的結構，提升排熱/耗能比，降低固態雷射的總體操作能耗。

本發明的另一目的在提供一種具有高效散熱器的固態雷射，藉由大面積的導熱，使得操作環境溫度分布均勻，維持整體固態雷射的使用壽命及均衡發光。

本發明的再一目的在提供一種具有高效散熱器的固態雷射，藉由高效率的散熱，保持固態雷射在惡劣環境下的操作。

本發明的又一目的在提供一種高效散熱器，具有可選擇的操作模式，提升使用彈性。

本發明的又一目的在提供一種高效散熱器，藉由可選擇的主被動操作模式，降低整體運作能耗。

依上述本案揭露的一種具有高效散熱器的固態雷射，包括：複數固態雷射元件；以及一高效散熱器，包括一導熱基板，供前述固態雷射元件導熱安裝；至少一埋設於上述導熱基板的導熱管，內部設置有液態冷媒，並當上述固態雷射元件運作時，藉由上述液態冷媒汽化而將攜帶熱能的上述汽化後的冷媒朝向遠離上述導熱基板移動；至少一設置於上述導熱基板後方的傳熱板；至少一側導熱結合於上述傳熱板的致冷晶片，上述致冷晶片的另一側導熱連結於上述導熱基板；以及複數彼此平行且導熱連結上述導熱管遠離上述導熱基板的散熱鰭片。由於導熱基板內埋設的導熱管可以被選擇性關閉，因此當環境溫度已經高於一個理想運作溫度時，可以藉由關閉導熱管內的冷媒往返，有效杜絕外部環境的高溫反向干擾雷射運作；相反地，當外部環境處於極低溫環境，也可以藉由致冷晶片反向加熱，讓導熱基板盡速達到適當的運作溫度，尤其當外部環境的溫度適宜，也可以關閉致冷晶片，單純任由導熱管和散熱鰭片被動式散熱，三種運作模式選擇，一方面提升對於環境溫度非場敏感的固態雷射適應環境的可操作彈性；另方面主動被動的選擇和必要時的同步運作，在長時間的操作使用下，可以提升整體的散熱/耗能比，使得運作的效率提升、續航力 有效延長。何況在必要時可以藉多層致冷晶片的疊加選擇運作，讓惡劣環境下的固態雷射可以持續運作，不但提升發光強度，還能延長使用壽命，尤其散熱均勻，使得整體發光強度均勻化。透過本案所揭露之具有高效散熱器的固態雷射，一舉解決上述問題。

1、1’、1”、1'''、1⁽⁴⁾:導熱基板

10’:傳熱片

12''':導熱部

2、2’、2”、2'''、2⁽⁴⁾、22⁽⁴⁾:導熱管

20”:迫緊螺栓

3:液態冷媒

4、4’、4'''、7:致冷晶片

5、5’、5'''、5'''':傳熱板

6、6’、6''''、62⁽⁴⁾、82:散熱鰭片

7''':結合螺栓

7’、7⁽⁴⁾:截斷閥門

80:熱導管

84、86:導流管

85、87:導熱鰭片

9、91、92、93:發熱元件

90:固態雷射元件

圖1為一種現有技術的散熱器示意圖。

圖2為另一種現有技術的散熱器示意圖。

圖3為本發明具有高效散熱器的固態雷射第一較佳實施例的示意圖。

圖4為本發明具有高效散熱器的固態雷射第二較佳實施例的示意圖。

圖5為本發明具有高效散熱器的固態雷射第三較佳實施例的示意圖。

圖6為本發明具有高效散熱器的固態雷射第四較佳實施例的示意圖。

圖7為本發明具有高效散熱器的固態雷射第五較佳實施例的示意圖。

本案相關技術內容、特點及功效，於下述搭配參考圖式之較佳實施例的詳細說明，將可清晰呈現，於各實施例中相同的元件以相似之標號標示。

本案第一較佳實施例的固態雷射如圖3所示，是例釋採用多個例釋為VCSEL的固態雷射元件90安裝於一導熱基板1右側，導熱基板1則被區分為內含導槽的前後兩片半部件，疊合迫緊時，可用以緊密夾制埋設於導熱基板1中的導熱管2。導熱管2內部設置有液態冷媒3，當固態雷射元件90運作時，藉由液態冷媒汽化而將攜帶熱能的汽化後冷媒朝向遠離導熱基板1的左側移動，就可以被動式地順利 將熱能攜離導熱基板1。導熱基板1的左側後方在本例中設置有一片傳熱板5，介於導熱基板1和傳熱板5之間，夾制有至少一片致冷晶片4，當操作環境溫度上升時，致冷晶片4將開始運作，將導熱貼附於導熱基板1的側面驅動降溫，相對地把導熱連接於傳熱板5的側面運作發熱，藉由主動散熱，可以避免一旦外部環境高溫劣化，例如已經在烈日下升溫到攝氏四十度以上，上述被動散熱運作效能減緩甚至失效，造成VCSEL發光驟減甚至衰減到不發光。此外，在傳熱板5的更左側遠離導熱基板1的方向，還設置有複數彼此平行且導熱連結導熱管2的散熱鰭片6，由於本例中的導熱管2一端部是埋設在導熱基板1內，而相反的另一端則埋藏在傳熱板5中，無論是被動式散熱或從致冷晶片4經傳熱板5而來的主動式散熱，都可以藉由導熱管2將熱能釋出給散熱鰭片6，最終排除逸散。

熟悉本技術領域人士可以輕易理解，當外部環境過熱時，還可以增加致冷晶片4和傳熱板5的片數，只要像疊層三明治一樣每一片致冷晶片以接近導熱基板側作為冷側，遠離導熱基板的作為發熱側，就可以從最右側接近發熱元件的方向層層升溫，使得最左側處於一個遠高於環境溫度的高熱溫度，讓系統內熱能易於逸散到環境空氣或外部水流中。此外，即使是固態雷射以外的其他發熱元件，同樣可以藉由本發明的高效散熱器得到主動和/或被動的多重散熱。

當然，傳熱板的設置方式未必要平行於導熱基板，如圖4本發明第二較佳實施例所示，當需要多片致冷晶片4’協同運作時，並不一定要採用疊層級串設置的方式，也可以在導熱基板1’的後側增加多片轉向彎折的傳熱片10’，使得多片致冷晶片4’分別導熱結合彎折 延伸的傳熱板5’，同樣藉由導熱管2’，分別攜帶主動式散熱及被動式散熱兩方的熱能，傳輸給散熱鰭片6’輸出。

相同的，如果外部環境是非常寒冷的情況，致冷晶片都可以反向通電，把熱側朝向導熱基板，冷側朝遠離導熱基板，藉此提供一個溫暖而適合固態雷射元件啟動的操作環境，直到導熱基板進入理想操作溫度，即可停止致冷晶片運作而單純採用被動式散熱；並且在溫度持續升高即將過溫時，將主動式散熱和被動式同步運作。尤其在本實施例中，還可以設置有截斷閥門7’，當外部環境的溫度已經升高到超過理想操作溫度，例如當本系統所安裝的環境都已經升溫超過攝氏70度，則可以截斷導熱管2’內的冷媒通道，藉此阻斷被動式熱傳導，避免外部的高溫反向干擾固態雷射的操作環境，僅保留主動散熱。

再者，導熱管埋設於導熱基板的方式也不侷限於夾制迫緊，如圖5本案第三較佳實施例中，導熱基板1”的端緣成型有複數螺孔，導熱管2”端部埋入導熱基板1”螺孔處，則設置有迫緊螺栓20”，藉此將導熱管的一端部迫緊結合於導熱基板1”。

此外，如圖6本案第四較佳實施例所示，導熱管2'''也可以採用卡扣的方式迫緊導熱結合於導熱基板1'''，其中導熱管2'''接近導熱基板1'''的端部，是埋設於一個例如銅質的卡鉤之中，並且導熱基板1'''的後側形成有傾斜導熱部12'''，導熱部12'''和後方的傳熱板5'''形狀互補，兩者藉由一個結合螺栓7'''迫緊結合，藉此，夾制於傳熱板5'''和導熱部12'''之間的致冷晶片4'''可以將兩側分別和傳熱板5'''和導熱部12'''抵緊導熱結合。

再考量當操作環境惡劣，例如在戶外環境，溫度變化範 圍巨大時，亦可如圖7本案第五較佳實施例，將主動式散熱的導熱管22⁽⁴⁾直接獨立出來，使得被動式散熱的導熱管2⁽⁴⁾和被動式散熱的散熱鰭片6⁽⁴⁾單獨運作，並且在量測到外部環境溫度已經超過可以運作的操作溫度範圍時，藉由截斷閥門7⁽⁴⁾直接關閉；相對地，在傳熱板5⁽⁴⁾後方，則備有主動式散熱的導熱管22⁽⁴⁾及散熱鰭片62⁽⁴⁾，單獨進行主動式散熱，運用兩種不同途徑，有效導出導熱基板1⁽⁴⁾傳來的熱能。

藉由本發明的揭露，使用高效散熱器的固態雷射不僅可以將主動式散熱和被動式散熱個別選擇獨立運作，而且還可以讓主動式散熱反向加熱、或在環境條件適當時讓兩者加總協力運作，有效提升操作的使用彈性，而且考量長時間的環境變化，有效節約散熱所耗費的能量，讓獨立操作的固態雷射裝置續航力提高，有效解決上述技術難題。當然，以上揭露是為易於理解本發明技術，依照本案結構所產生之均等效果及其他變化修飾，皆屬於本案所涵蓋的專利範圍。

1:導熱基板

2:導熱管

3:液態冷媒

4:致冷晶片

5:傳熱板

6:散熱鰭片

90:固態雷射元件

Claims (8)

1. 一種具有高效散熱器的固態雷射，包括：複數固態雷射元件；以及一高效散熱器，包括一導熱基板，供前述固態雷射元件導熱安裝；至少一埋設於上述導熱基板的導熱管，內部設置有液態冷媒，並當上述固態雷射元件運作時，藉由上述液態冷媒汽化而將攜帶熱能的上述汽化後的冷媒朝向遠離上述導熱基板移動；至少一設置於上述導熱基板後方的傳熱板；至少一側導熱結合於上述傳熱板的致冷晶片，上述致冷晶片的另一側導熱連結於上述導熱基板；複數彼此平行且導熱連結上述導熱管遠離上述導熱基板的散熱鰭片；以及前述導熱管遠離前述導熱基板的另一端是導熱結合至前述傳熱板。
2. 如請求項1所述的具有高效散熱器的固態雷射，其中前述導熱基板包括兩片半部件，前述兩片半部件之間形成有至少一供迫緊夾制前述導熱管的導槽。
3. 如請求項1所述的具有高效散熱器的固態雷射，其中前述導熱基板更包括複數轉向彎折的傳熱片，供前述致冷晶片的前述另一側結合。
4. 如請求項1所述的具有高效散熱器的固態雷射，其中前述導熱基板形成有複數螺孔，以及前述導熱管導熱連結前述導熱機板的端部是受到對應前述螺孔的迫緊螺栓迫緊結合進入前述螺孔。
5. 如請求項1所述的具有高效散熱器的固態雷射，其中前述導熱管是被卡扣夾制迫緊結合至前述導熱基板。
6. 如請求項1、2、3、4或5所述的具有高效散熱器的固態雷射，更包括用以截斷前述導熱管中的前述冷媒移動的截斷閥門。
7. 一種高效散熱器，包括一導熱基板，供至少一發熱元件導熱安裝；至少一埋設於上述導熱基板的導熱管，內部設置有液態冷媒，並當上述發熱元件運作時，藉由上述液態冷媒汽化而將攜帶熱能的上述汽化後的冷媒朝向遠離上述導熱基板移動；至少一設置於上述導熱基板後方的傳熱板；至少一側導熱結合於上述傳熱板的致冷晶片，上述致冷晶片的另一側導熱連結於上述導熱基板；複數彼此平行且導熱連結上述導熱管遠離上述導熱基板的散熱鰭片；以及前述導熱管遠離前述導熱基板的另一端是導熱結合至前述傳熱板。
8. 如請求項7所述的高效散熱器，更包括用以截斷前述導熱管中的前述冷媒移動的截斷閥門。