CC BY
123
УДК 621.37-714
РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИИ ТЕПЛООТВОДА КАК ЭЛЕМЕНТА ТЕПЛООБМЕННИКА ДЛЯ МОЩНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ДИОДОВ
Н.С. Тархов, Е.А. Гарькавая
В статье приводятся расчеты радиатора для обеспечения теплового режима лазерных диодов при принудительном воздушном охлаждении.
Ключевые слова: лазерные диоды, тепловой режим, естественное и принудительное воздушное охлаждение.
Лазерные диоды (ЛД) представляют собой полупроводниковые лазеры с электрической накачкой, в которых усиление происходит за счет электрического тока, протекающего через р-п переход или (чаще всего) р-ьп структуру. В настоящее время существует большое количество разновидностей лазерных диодов, работающих в самых разных режимах выходной оптической мощности, длины волны, полосы пропускания и других свойств [1,2]. Они находят широкое применение во многих направлениях науки и техники, в том числе в лазерных хирургических аппаратах [3], а область их использования зависит от основных параметров и особенностей.
Высокая надежность полупроводниковых приборов может быть реализована только с учетом зависимости их параметров от теплового режима работы. Мощные ЛД и лазерные диодные линейки, излучающие световую мощность от единиц до десятков ватт в непрерывном режиме, требуют интенсивного отведения тепла от активной области полупроводниковой гетероструктуры. Зависимость параметров полупроводниковых приборов от температуры обусловлена физическими свойствами материала полупроводника. Чем выше температура, тем больше неуправляемые токи, сильнее изменяются электрические параметры и характеристики, выше вероятность возникновения теплового и термоэлектрического пробоя.
Применение теплоотводов для полупроводниковых приборов основано на различных способах рассеивания тепловой энергии - теплопроводности, естественной и принудительной конвекции воздуха и жидкости, испарении жидкостей, кипящих при низкой температуре, плавлении вещества, термоэлектрическом эффекте Пельтье. Основные понятие теплообмена достаточно подробно изложены в [4].
В зависимости от величины рассеиваемой мощности и условий охлаждения рекомендуется применять следующие конструкции теплоотводов: в виде пластины, одно- и двухсторонне оребренный, штыревой, пе-тельно- проволочный, типа «краб», теплоодвод с легкоплавким веществом и др. Рекомендации по конструированию и применению теплоотводов и методы их расчета представлены в [5].
478
В современных ЛД существенен вклад в тепловое сопротивление (коэффициент пропорциональности между мощностью тепловыделения и перегревом его активной области) каждого элемента конструкции, включая гетероструктуру, металлические контакты, слои припоя, обеспечивающие посадку ЛД [6].
Результаты теплового расчета портативного лазерного аппарата с использованием нескольких ЛД WSLD-1470-003-C, выполненных в корпусе C-mount с применением программы на языке программирования Turbo Pascal, для одно- и двухстороннего радиаторов из меди и алюминия штыревой конструкции с профилем штыря в виде усеченного конуса (естественное воздушное охлаждение, выходная мощность до 80 Вт) представлены в [7]. Справочные данные для ЛД: максимальная температура перехода, тепловое сопротивление переход-корпус, тепловое контактное сопротивление (корпус-теплоотвод) взяты из изданий, представленных в списке литературы.
Проведенный расчет показал, что радиатор имеет большие габариты и массу. Обзор современных методов охлаждения для теплоотведения порядка 100 Вт показал высокую эффективность применения тепловых трубок, особенно, когда источник тепловыделения и теплообменник разнесены в пространстве [8]. Таким образом, для обеспечения теплового режима лазерных диодов и эффективной оптимизации массогабаритных показателей узла охлаждения (особенно для портативного исполнения) наиболее предпочтительным является применение тепловых трубок в сочетании с принудительным воздушным охлаждением радиатора.
В связи с этим, с теми же исходными данными выполним расчет для принудительного воздушного охлаждения. Исходными данными являются: мощность, выделяемая охлаждаемыми элементами (8 ЛД) P = 80 Вт; температура среды (воздуха) 0с = 296°К; предельная температура полупроводниковой структуры 0пред = 323°К; средняя температура основа-
2 3
ния радиатора 0р = nn°K; высота H = 5-10" м, толщина 5 = 0,8 -10" м и
3
расстояние между ребрами радиатора b = 1,5- 10- м; коэффициент теплопроводности материала радиатора Хм = 380 Вт/(м°К); размеры радиатора 2 2 вдоль L =10 •Ю- м и поперек B = 10- 10- м ребер; толщина основания радиатора А = 8 -10- м; скорость воздуха в каналах радиатора V = 2 м/сек; число ребер радиатора Z = 44; температура перегрева основания радиатора ир= nn°K; степень черноты радиатора ер = 0,7 (значения nn задаются или вычисляются в процессе расчета).
Схема программы расчета радиатора с принудительным воздушным охлаждением, где приведены расчетные формулы, представлена на рис.1.
Подбор радиатора заключается в определении его геометрических размеров (рис. 2), обеспечивающих заданную температуру перехода ЛД при известной температуре окружающей среды и заданной рассеиваемой мощности.
Вычисление: = 1) Ь- Н
1)Р = 9Р - 9С
0 = 8с+Р/(2 ■ V- Бк ■ р ■ СР)
= УЬ/у N11 = 0,032 • Яе0,8 ак = №д ■ Хв / Ь
т = (2 ■ ак/V 5)1/2 Ppк = Z■Ъы■m■S?■ъ?■ 4(гаН) = Ь ■ 5
еСр = (еР/2}[ 1 +1 / сЬ (щи)]
ал = £р ■ деср, 9С) ■ ф
Бл = 21,[ (7 -1)-(Ь + 5) + 5]+2НЬ-2
рл = ал " 8л'(0ср - ес) Р = РРК + РЛ
0к = 0р + р<гпк + гпр) г = 5К ■ лк • 8К0НТ г = ир/Р
Рис. 1. Схема программы расчета радиатора с принудительным воздушным охлаждением
480
Рис. 2. Конструкция радиатора
Расчет проводится в следующей последовательности:
1. Определяется суммарная площадь сечения каналов между ребра-
3 2
ми 8к=3,2- 10- м . Для центральной установки вентилятора, воздушный поток выходит через две торцевые поверхности и площадь сечения кана-
3 2
лов удваивается и будет равна 6,4-10- м ;
2. Задаются два значения температуры основания радиатора (+40 и +50°С) и определяются температуры перегрева основания радиатора относительно окружающей среды ир = 27 и 17°К;
3. Определяется температура, необходимая для расчета критериев Нуссельта и Рейнольдса, 0 =301,1 °К;
4. Определяются величины критериев Нуссельта и Рейнольдса, необходимые для расчета коэффициента теплоотдачи ребер радиатора, Яе = 1,3104, № =62,5;
5. Определяется коэффициент конвективного теплообмена ребер радиатора ак = 16,2 Вт/(м К);
6. Определяется вспомогательный коэффициент т, т=10,3;
7. Определяется количество тепла, отдаваемое конвекцией с ребер радиатора и площадь поперечного сечения ребра радиатора, Ррк1 =174,8 Вт, Ррк2 = 110 Вт, 8р =810-5 м2;
8. Определяется средняя температура ребра радиатора, 0ср1 =303°К, 0ср2 =295°К;
9. Определяется лучистый коэффициент теплообмена, ал1 =0,13 Вт/м2 К, ал2 = 0,12 Вт/м2 К;
10. Определяется площадь поверхности, излучающей тепловой поток, 8л =0,46 м2;
11. Определяется количество тепла, отдаваемое через излучение, Рл1 =0,42 Вт, Рл2 = 0,06Вт;
12. Определяется общее количество тепла, отдаваемое радиатором при заданной температуре радиатора, Р1 =175,5 Вт, Р2 = 110,5 Вт;
13. Строится тепловая характеристика радиатора (по вертикальной оси откладывается количество тепла отдаваемое радиатором, а по горизонтальной - температура радиатора) и по ней определяется температура перегрева радиатора (для заданной мощности 80Вт), 0р=308°К, ир=12°К;
14. Определяется тепловое сопротивление радиатора, г =0,15 °К/Вт;
15. Определяется температура полупроводниковой структуры 0к =316°К и сравнивается с предельным значением ©пред = 323°К. Полученный результат ниже определенной производителем предельной температуры, т.е. нормальный тепловой режим обеспечивается.
Если рассчитанный теплообменник обеспечивает отвод заданной тепловой мощности, его габаритные размеры и количество ребер не корректируются, в противном случае изменяются исходные данные в сторону увеличения.
По результатам расчета выбран односторонний оребренный тепло-отвод из алюминия размерами 100х100х50мм со следующими параметрами:
- высота ребра радиатора - 5-10" м;
- толщина ребра - 0,8 •Ю-3 м;
- расстояние между ребрами- 1,5- 10-3 м;
- размер радиатора вдоль ребра - 10 -10-2 м;
- размер радиатора поперек ребер- 10- 10-2 м;
-3
- толщина основания радиатора- 8 -10- м;
- число ребер радиатора-44.
В месте установки вентилятора (рис.2) закрепляется вентилятор со скорость продувки воздуха 2 м/с соответствующих габаритных размеров. С противоположной стороны закрепляется тепловая трубка, которая подходит от оптического блока, где установлены ЛД.
Рассчитанный теплообменник обеспечивает отвод тепловой мощности 80 Вт при температуре окружающего воздуха до 23°С, при этом температура полупроводниковой гетероструктуры - 316 °К (43°С) не превышает допустимую для данного ЛД - 323°К (50°С).
Методика позволяет провести практический расчет современных высокоэффективных малогабаритных устройств для отвода тепла.
Список литературы
1. Лазерные диоды и линейки// ЗАО «Полупроводниковые приборы [Электронный ресурс]. URL: www.atcsd.ru/catalog/laser diodes and series (дата обращения: 6.11.2017).
2. Laser Diodes // Catalog-2010 [Электронный ресурс]. URL: www.wavespectrum-laser.com (дата обращения: 6.11.2017).
3. Тучин В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. 2-е изд., испр. и доп. М.:ФИЗМАТЛИТ, 2010. 488 с.
4. Муромцев Д.Ю., Белоусов О.А. Компьютерные технологии для расчёта тепловых режимов и механических воздействий: учебное пособие. Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2012. 88 с.
5. Обеспечение тепловых режимов изделий электронной техники / Чернышов А. А. и др. М.: Энергия, 1980. 216 с.
6. Тер-Мартиросян А.Л., Демидов Д.М., Свердлов М.А., Кулик А.В., Карпов С. Ю. Анализ и оптимизация конструкции теплоотводов для мощных лазерных диодов. Теплоотвод традиционной конструкции / Научное приборостроение. 2013. Т. 23. № 4. С. 40-49.
7. Давыдова Е.А. Обеспечение теплового режима лазерных диодов в портативном хирургическом аппарате / Медицинские приборы и технологии: международный сборник научных статей / под общ. ред. А.З. Гусейнова, Н.Л. Коржука и А.В. Прохорцова. Тула: Изд-во ТулГУ, 2017. Вып. 7. С. 111-116.
8. Тепловые трубки и применение технологий на их основе для охлаждения узлов компьютеров и радиоаппаратуры [Электронный ресурс]. URL: http://elektrosad.ru/Ohlaid/Cooltt1.htm (дата обращения: 24.11.2016).
Тархов Николай Сергеевич, канд. техн. наук, доц., t-ni@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Гарькавая Елена Алексеевна, магистрант, dawilena@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
CALCULA TION OF THE DESIGN OF THE HEA TER AS A HEA TEXCHANGER ELEMENT
FOR POWERFUL LASER DIODES
N.S. Tarhov, E.A. Gar'kavaia
The calculations of the radiator for providing the thermal regime of laser diodes in forced air cooling are given in the article.
Key words: laser diodes, thermal mode, natural andforced air cooling.
Tarhov Nikolay Sergeevich, candidate of technical science, docent, t-ni@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Gar 'kavaia Elena Alekseevna, undergraduate, dawilena@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University
