载冷剂及制备方法、冷却结构、半导体激光巴条、热沉系统
阅读说明：本技术 载冷剂及制备方法、冷却结构、半导体激光巴条、热沉系统 (Secondary refrigerant, preparation method, cooling structure, semiconductor laser bar and heat sink system ) 是由 薄勇 朱铎 许家林 彭钦军 陈中正 于 2021-05-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种载冷剂及制备方法、冷却结构、半导体激光巴条、热沉系统,其低温运转半导体激光巴条的所述载冷剂包括按体积计的下述组分：氟化物100份；醇1-50份。该载冷剂具有无腐蚀性、低毒性、安全稳定、导热性优良、液态温域宽等特点,适用于低温运行的半导体激光巴条微通道热沉冷却结构,有效调节半导体激光巴条工作温度,提高半导体激光巴条电光效率。该载冷剂可以使其中的杂质水份凝固点降低至工作温度以下,防止产生冰颗粒堵塞热沉微通道。该载冷剂有一定的电导率,可在工作过程中防止静电荷的累积,避免产生静电打火问题。(The invention discloses a secondary refrigerant, a preparation method, a cooling structure, a semiconductor laser bar and a heat sink system, wherein the secondary refrigerant for operating the semiconductor laser bar at low temperature comprises the following components in volume: 100 parts of fluoride; 1-50 parts of alcohol. The secondary refrigerant has the characteristics of no corrosivity, low toxicity, safety, stability, excellent thermal conductivity, wide liquid temperature range and the like, is suitable for a semiconductor laser bar micro-channel heat sink cooling structure running at low temperature, effectively adjusts the working temperature of a semiconductor laser bar, and improves the electro-optic efficiency of the semiconductor laser bar. The refrigerating medium can reduce the freezing point of impurity moisture in the refrigerating medium to be lower than the working temperature, and prevents ice particles from blocking heat sink micro-channels. The secondary refrigerant has certain conductivity, can prevent the accumulation of static charges in the working process and avoid the problem of static ignition.)
技术领域
本发明属于半导体激光技术领域，尤其涉及一种载冷剂及制备方法、冷却结构、半导体激光巴条、热沉系统。
背景技术
半导体激光，具有效率高、与发光二极管相比线宽窄、全电驱动等优点，具有广泛的应用前景，尤其是在全固态激光器领域，由于其线宽较窄的特点，可有效对准固态激光晶体的泵浦吸收波长，是理想的固态激光泵浦源。由于单个半导体激光器输出功率较低，一般将半导体激光器封装为一维阵列使用，称为半导体激光巴条，并可以组合成二维阵列，称为半导体激光阵列。半导体激光巴条在使用的过程中，不能转换为激光输出的部分功率，将变成废热，使巴条温度显著上升。半导体激光器温度的上升，将严重影响其输出效率，并将使其激光输出的中心波长红移，严重情况下，可能因温度过高损坏激光器。
为使半导体激光巴条有较好的输出效率，在温度控制的过程中，常使其处于低温下工作，温度低于零度。由于微通道堵塞造成局部温升，引起激光半导体巴条功率下降、输出波长不稳定等现象，严重的情况下，单个巴条甚至大面积的阵列会被烧坏。而这些情况的出现，严重威胁到半导体激光巴条或阵列以及利用半导体激光作为泵浦源的固态激光的运行稳定性与可靠性。在低温载冷剂工作过程中，管路及连接处温度较低，空气中的水分易附着在外管壁或连接处液化或结霜，并有可能渗入管路之中，成为杂质冰。而所采用的低温载冷剂，常常为不与水相融的有机物，因此，冰颗粒会保持固体颗粒状态，成为固体杂质堵塞微通道。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是提供一种载冷剂及制备方法、冷却结构、半导体激光巴条、热沉系统以解决现有技术中微通道热沉冷却结构中产生冰颗粒堵塞热沉微通道、静电打火的技术问题。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种低温运转半导体激光巴条的载冷剂，所述载冷剂包括按体积计的下述组分：氟化物100份；醇1-50 份。
进一步地，所述载冷剂包括下述组分：氟化物的体积配比为100份；醇类的体积配比为30份。
进一步地，所述氟化物选自五氟丙烷、六氟丙烷、七氟丙烷、氟利昂中的一种或多种；所述醇类为甲醇、乙醇、乙二醇中的一种或多种。
根据本发明的另一个方面，提供一种上述方案低温运转半导体激光巴条的载冷剂的制备方法，包括：向氟化物中加入醇类。
进一步地，还包括：搅拌，将所述氟化物与所述醇类搅拌均匀。
根据本发明的又一个方面，提供一种微通道热沉冷却结构，通过采用上述方案任一项所述的低温运转半导体激光巴条的载冷剂作为低温载冷剂。
进一步地，所述热微通道的热沉材质为铜或铝。
根据本发明的又一个方面，提供一种半导体激光巴条，包括上述方案任一项所述的微通道热沉冷却结构。
进一步地，所述半导体激光巴条为多个，形成半导体激光巴条阵列。
进一步地，所述半导体激光巴条的增益介质为砷化镓、氮化镓、硫化镉、磷化铟、硫化锌中的一种。
根据本发明的又一个方面，提供一种微热通道热沉系统，通过采用上述方案任一项所述的低温运转半导体激光巴条的载冷剂作为低温载冷剂。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
本发明的低温运转半导体激光巴条的载冷剂具有无腐蚀性、低毒性、安全稳定、导热性优良、液态温域宽等特点，适用于低温运行的半导体激光巴条微通道热沉冷却结构，有效调节半导体激光巴条工作温度，提高半导体激光巴条电光效率。该载冷剂可以使其中的杂质水份凝固点降低至工作温度以下，防止产生冰颗粒堵塞热沉微通道。该载冷剂有一定的电导率，可在工作过程中防止静电荷的累积，避免产生静电打火问题。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的微通道热沉冷却结构的结构示意图。
图2是根据本发明一实施方式的在半导体激光巴条的示意图。
附图标记：
1：载冷剂液池；2：载冷剂流向；3：液氮池；4：液氮流向；5：板式换热器；6：低温运行的半导体激光阵列；7：氮气流向；8：进液口；9：出液口。
图2中的箭头为载冷剂在半导体激光巴条中的流向。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在附图中示出了根据本发明实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
现有技术中，在对半导体激光巴条冷却的过程中，常使用微通道热沉冷却结构。一般将水力当量直径小于1mm的流道称为微通道，而微通道热沉是指含有微通道结构的热沉，它是一种强化换热装置，具有结构紧凑，换热系数高等优点。大功率的半导体激光巴条冷却过程中，需要冷却结构具有较高的换热能力，通常使用微通道热沉作为冷却结构。
为使半导体激光巴条有较好的输出效率，在温度控制的过程中，常使其处于低温下工作，温度低于零度。由于微通道堵塞造成局部温升，引起激光半导体巴条功率下降、输出波长不稳定等现象，严重的情况下，单个巴条甚至大面积的阵列会被烧坏。而这些情况的出现，严重威胁到半导体激光巴条或阵列以及利用半导体激光作为泵浦源的固态激光的运行稳定性与可靠性。在低温载冷剂工作过程中，管路及连接处温度较低，空气中的水分易附着在外管壁或连接处液化或结霜，并有可能渗入管路之中，成为杂质冰。而所采用的低温载冷剂，常常为不与水相融的有机物，因此，冰颗粒会保持固体颗粒状态，成为固体杂质堵塞微通道。
低温运行的半导体激光巴条冷却结构的另一问题在于，低温载冷剂大部分为有机溶剂，且往往较为纯净，因此往往具有相当低的电导率。以五氟丙烷为例，其电导率只有约0.002μS/cm.并且载冷剂在工作时，处于高速流动的状态，这将不可避免地造成静电荷的累积。而较低的电导率决定了低温载冷剂无法及时排除这些累积的静电荷，当静电荷累积到一定程度，局部电场可能击穿半导体激光巴条，在阵列结构中静电电压累加，使问题更为严重。
在本发明一实施例的一个实施方式中，提供一种低温运转半导体激光巴条的载冷剂，所述载冷剂包括按体积计的下述组分：氟化物100份；醇1-50 份。
本发明的低温运转半导体激光巴条的载冷剂具有无腐蚀性、低毒性、安全稳定、导热性优良、液态温域宽等特点，适用于低温运行的半导体激光巴条微通道热沉冷却结构，有效调节半导体激光巴条工作温度，提高半导体激光巴条电光效率。该载冷剂可以使其中的杂质水份凝固点降低至工作温度以下，防止产生冰颗粒堵塞热沉微通道。该载冷剂有一定的电导率，可在工作过程中防止静电荷的累积，避免产生静电打火问题。
在一优选实施例中，所述载冷剂可以包括下述组分：氟化物的体积配比为100份；醇类的体积配比为30份。
在一可选实施例中，所述氟化物为五氟丙烷、六氟丙烷、七氟丙烷、氟利昂中的一种或多种。
在一可选实施例中，所述醇类为甲醇、乙醇、乙二醇中的一种或多种。
在一优选实施例中，所述氟化物为五氟丙烷。
在一优选实施例中，所述醇类为无水乙醇。
在本发明另一实施例的一个实施方式中，提供一种上述方案的低温运转半导体激光巴条的载冷剂的制备方法，可以包括：向氟化物中加入醇。
在一可选实施例中，所述氟化物与所述醇的体积比为100:1-2：1。
在一可选实施例中，还可以包括：搅拌，将所述氟化物与所述醇类搅拌均匀。
在一可选实施例中，所述氟化物为五氟丙烷、六氟丙烷、七氟丙烷、氟利昂中的一种或多种。
在一可选实施例中，所述醇类为甲醇、乙醇、乙二醇中的一种或多种。
图1是根据本发明一实施方式的微通道热沉冷却结构的结构示意图。
如图1所示，在本发明又一实施例的一个实施方式中，提供一种微通道热沉冷却结构，通过采用上述方案任一项所述的低温运转半导体激光巴条的载冷剂作为低温载冷剂。
在一可选实施例中，所述热微通道的热沉材质为铜。
在一可选实施例中，所述热微通道的热沉材质为铝。
图2是根据本发明一实施方式的在半导体激光巴条的示意图。
如图2所示，在本发明又一实施例的一个实施方式中，提供一种半导体激光巴条，可以包括上述方案任一项所述的微通道热沉冷却结构。
本发明低温运转半导体激光巴条的载冷剂由进液口8进入，然后分开，由两路向出液口9流动，最后从出液口9流出。
在一可选实施例中，所述半导体激光巴条为多个，形成半导体激光巴条阵列。
在一可选实施例中，所述半导体激光巴条阵列由多个所述半导体激光巴条串联形成，第N个所述半导体激光巴条的所述出液口9与第N+1个所述半导体激光巴条的所述进液口8连通(N为不小于1的整数)。
在一可选实施例中，所述半导体激光巴条阵列由多个所述半导体激光巴条并联形成，
在一可选实施例中，所述半导体激光巴条的增益介质为砷化镓、氮化镓、硫化镉、磷化铟、硫化锌中的一种。
在本发明又一实施例的一个实施方式中，提供一种微热通道热沉系统，通过采用上述方案任一项所述的低温运转半导体激光巴条的载冷剂作为低温载冷剂。
实施例1
在烧杯中加入五氟丙烷100ml，并加入无水乙醇10ml，用玻璃棒充分搅拌后，测得混合溶液温度为-25℃。
实施例2
在烧杯中加入五氟丙烷100ml，并加入无水乙醇20ml，用玻璃棒充分搅拌后，测得混合溶液温度为-25℃。
实施例3
在烧杯中加入五氟丙烷100ml，并加入无水乙醇30ml，用玻璃棒充分搅拌后，测得混合溶液温度为-25℃。
实施例4
在烧杯中加入五氟丙烷100ml，并加入无水乙醇30ml，用玻璃棒充分搅拌后，测得混合溶液温度为-45℃。
将一组金属片冷却至-45℃，在其上滴液态水并使其结冰，得到一组带冰金属片，并投入以上实施例1-4所述的混合溶液中，得到表1。
表1
实施例5
在烧杯中加入五氟丙烷100g，不加入无水乙醇。
实施例6
在烧杯中加入五氟丙烷97g，无水乙醇3g，并充分搅拌均匀。
实施例7
在烧杯中加入五氟丙烷80g，无水乙醇20g，并充分搅拌均匀。
分别测得实施例5-7的载冷剂的电导率，并分别应用，观测一段时间(长时间运行)，是否出现打火现象，得到表2。
表2
本发明旨在保护一种载冷剂及制备方法、冷却结构、半导体激光巴条、热沉系统，其低温运转半导体激光巴条的所述载冷剂包括按体积计的下述组分：氟化物100份；醇1-50份。本发明的低温运转半导体激光巴条的载冷剂具有无腐蚀性、低毒性、安全稳定、导热性优良、液态温域宽等特点，适用于低温运行的半导体激光巴条微通道热沉冷却结构，有效调节半导体激光巴条工作温度，提高半导体激光巴条电光效率。该载冷剂可以使其中的杂质水份凝固点降低至工作温度以下，防止产生冰颗粒堵塞热沉微通道。该载冷剂有一定的电导率，可在工作过程中防止静电荷的累积，避免产生静电打火问题。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。