CN111596514B - 一种激光光源及激光投影设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种激光光源及激光投影设备，包括激光器与激光器散热装置，其中，激光器朝向散热装置的一侧设有热沉，散热装置包括导热层及翅片模块，热沉与导热层接触；导热层包括至少两层导热块，相邻导热块之间设有多个热管，每个热管包括热端、冷端及连接热端与冷端的弯折部，热端分别与相邻导热块连接；翅片模块包括多个相互平行的散热鳍片，冷端分别垂直贯穿散热鳍片。该激光光源采用热传导方式对激光器进行散热，通过设计导热层与热管的接触方式，将热管在导热层中叠层设置，满足了激光器的传热需求；通过弯折热管实现了导热层与散热鳍片最优结合，使激光器的热量快速传导至翅片模块，提高了散热效率，达到了激光器模组小型化的设计目标。

Description

一种激光光源及激光投影设备

技术领域

本申请涉及激光器散热技术领域，尤其涉及一种激光光源及激光投影设备。

背景技术

激光投影设备一般由光源系统、照明系统与镜头系统组成，光源系统中的激光器用于将电能转换为光能，再经由照明系统与镜头系统将激光投影到屏幕上，进行激光画面投影。激光器在将电能转换为光能时，转化效率通常在40％左右，也就是说，剩余60％左右的电能会被转化为热能，使得激光器不断升温。而随着激光器温度升高，激光器发光效率会呈现下降趋势，所以需要对激光器进行降温，以确保激光器的发光效率。

目前激光器的外壳上一般设有热沉，激光器的热量可传导至热沉上，通过降低热沉的温度来降低激光器的温度。针对热沉进行散热的技术主要分为液冷和风冷两类，液冷散热技术利用液体比热容大的特点，冷的液体将激光器温度带走，采用散热结构将热的液体降温后，循环回热沉处进行循环降温；风冷散热技术通常采用铜块对热沉进行吸热，使用高传热系数的热管将铜块和热沉的热量传导到翅片(fin)模块，采用风扇强制对流对翅片模块进行散热。

但是，目前激光投影设备越来越趋向于小型化设计，使得激光器的体积越来越小，激光器上热沉的散热面积也在减小。采用液冷散热对热沉进行散热时，液冷模组占据机器内部空间较大，其在热沉散热面积有限的前提下，对激光器散热效果较差；现有的风冷散热技术中，由于空间结构的限制，导致铜块与热管之间常规的接触方式不能满足导热需求。

发明内容

本申请提供了一种激光光源及激光投影设备，以解决目前散热装置不能满足小型化激光器的导热需求及散热效果较差的技术问题。

为了解决上述技术问题，本申请实施例公开了如下技术方案：

第一方面，本申请实施例公开了一种激光光源，包括激光器及对所述激光器散热的激光器散热装置，其中，

所述激光器朝向所述激光器散热装置的一侧设有热沉，所述激光器散热装置包括导热层及翅片模块，所述热沉与所述导热层接触；

所述导热层包括至少两层导热块，相邻所述导热块之间设有多个热管，每个所述热管包括热端、冷端及连接所述热端与冷端的弯折部，所述热端分别与相邻所述导热块连接；

所述翅片模块包括多个相互平行的散热鳍片，所述冷端分别垂直贯穿所述散热鳍片。

第二方面，本申请实施例还公开了一种激光投影设备，包括照明系统、镜头系统及第一方面所述的激光光源，所述激光光源为所述照明系统提供光束，所述照明系统对所述光束进行调制，并输出至所述镜头系统进行成像。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：

本申请提供的激光光源包括激光器及对激光器散热的激光器散热装置，其中，激光器朝向激光器散热装置的一侧设有热沉，激光器散热装置包括导热层及翅片模块，热沉与导热层接触；导热层包括至少两层导热块，相邻导热块之间设有多个热管，每个热管包括热端、冷端及连接热端与冷端的弯折部，热端分别与相邻导热块连接；翅片模块多个相互平行的散热鳍片，冷端分别垂直贯穿散热鳍片。本申请提供的激光光源中，激光器散热装置采用热传导方式对激光器进行散热，激光器热量通过热沉传导至导热层，导热层再将热量通过热管传导至翅片模块进行散热，从而能够降低激光器温度；且导热层包括至少两层导热块，相邻导热块之间设有多个热管，使得热管在导热层中叠层设置，增加热管的数量，从而满足激光器的导热需求；另外，热管包括弯折部，能够减小散热装置占据的空间，有效地利用狭小的结构空间，使激光器的热量可以快速地传导至翅片模块，翅片模块包括多个散热鳍片，热管的冷端垂直贯穿散热鳍片，使得散热鳍片的温度分布均匀，能够提高散热效率，实现对激光器温度的有效控制，达到激光器模组小型化的设计目标。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种激光光源的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的激光光源中激光器散热装置的爆炸示意图；

图3为本申请实施例提供的激光光源中激光器散热装置中第一导热块的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的激光光源中激光器散热装置中第二导热块的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的激光光源中激光器散热装置中第三导热块的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的激光光源中激光器散热装置中热管的结构示意图；

图7为本申请实施例提供的一种激光投影设备的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

目前，激光投影设备越来越趋向于小型化设计，首先需要光源系统的体积足够小，才可以达到设计目标。激光器作为光源系统的发光部件，为了减小激光器的体积，采用MCL激光器代替传统的Bank激光器。MCL激光器由集成化的半导体芯片代替之前的bank分列式排布，从而大大减小了激光器的占用空间。MCL激光器的体积较小，其上热沉的散热面积也较小，对激光器散热的控制提出了更难的要求。

为了解决上述问题，本申请实施例提供了一种激光光源，该激光光源包括激光器及对激光器散热的激光器散热装置，激光器散热装置采用热传导方式对激光器进行散热，通过设计导热层与热管的接触方式，将热管在导热铜块中叠层设置，通过弯折热管中间部位的角度，实现导热层与翅片模块最优结合，最有效地利用狭小的结构空间，使激光器的热量可以快速地传导到翅片模块，保证激光器热量的快速传递，实现对激光器温度的有效控制，达到激光器模组小型化的设计目标。

如图1所示，本申请实施例提供的激光光源包括激光器91及对激光器91散热的激光器散热装置，其中，

激光器91朝向激光器散热装置的一侧设有热沉92，激光器散热装置包括导热层与翅片模块6，热沉92与导热层接触。即激光器91的热量通过热传导方式传导至热沉92上，热沉92上的热量通过热传导方式传导至导热层上，从而实现了激光器91的传热，降低了激光器91的温度。本申请实施例提供的激光光源中的激光器91为MCL激光器，MCL激光器的PCB板是围绕MCL的外侧设置的，因此MCL激光器的背面是一个较好的平面，可直接将热沉92安装至激光器91的背面。

本示例中，为保证激光光源的密封性，也可在热沉92与激光器91之间增设密封圈等密封件，可避免外界灰尘通过热沉92进入激光器91中；也可将激光器91置于密封壳体内，即密封壳体上开设有入光口，激光器91置于入光口处，热沉92嵌入入光口，将密封壳体密封，且热沉92与激光器91的侧面接触。

导热层包括至少两层导热块，相邻导热块之间设有多个热管，热管的热端分别与相邻导热块连接。具体地，如图2所示，导热层包括第一导热块1与第二导热块3，热沉92与第一导热块1接触；第一导热块1与第二导热块3之间设有第一层热管2，第一层热管2的热端分别与第一导热块1、第二导热块3接触。

第一导热块1的一侧为平面，通过导热硅脂与热沉92接触，激光器的热量从热沉92通过热传导的方式传导至第一导热块1上。具体地，采用铸造方式，材料选择导热系数高的C1100，将第一导热块1加工成型，且第一导热块1的侧面通过四个螺丝锁固与热沉92连接，使得两个平面紧密贴合，提高导热效率。热沉92所在位置处于紧凑的空间之间，第一导热块1与热沉92处于平行关系，与水平方向形成40°-60°角度位置，如此可大大地节省水平方向空间。

第一导热块1的另一侧与第一层热管2的热端接触，第一导热块1上的热量再通过热传导的方式传导至第一层热管2的热端。热管的传热系数高达10⁴数量级，应用热管相变传热的方式，提高热量传导的效率。

具体地，如图3、图4所示，第一导热块1朝向第二导热块3的一侧设有多个第一凹槽11，第二导热块3朝向第一导热块1的一侧设有对应的第二凹槽31，第一凹槽11与第二凹槽31形成安装孔，第一层热管2的热端嵌在安装孔内。第一层热管2与第一导热块1、第二导热块3之间采用凹陷式接触方式，增大了热管与导热块之间的接触面积。可选的，第一导热块1上的第一凹槽11的数量为3个。

通过传热学设计计算，第一层热管2(3根热管)的散热能力不能满足激光器温度控制的要求，因此在第二导热块3的另一侧设置第二层热管4。具体地，第二导热块3背向第一导热块1的一侧设有多个第三凹槽32，第二层热管4的热端嵌在第三凹槽32内。可选的，第二凹槽31与第三凹槽32均为半圆形凹槽结构，使得两层热管与导热层接触的方式为等程导热，经过传热计算得到第一层热管2与第二层热管4之间的最优距离，提高导热效率。

第二导热块3两侧的半圆形凹槽之间的距离相等，形成等长的传热路程，传热路程设计值在3mm-8mm。同时，在第二导热块3两侧加工用于锁固螺钉的通孔，以固定第二导热块3。

翅片模块6包括多个相互平行的散热鳍片，热管的冷端分别垂直贯穿散热鳍片，使得热管冷端均匀分布于散热鳍片之间，使得散热鳍片的温度分布均匀，有利于散热鳍片的热量传递。热管的冷端与散热鳍片的连接方式为焊接，多层热管的热管均匀分布在翅片模块的体积空间之内。

本申请实施例提供的激光光源中激光器的散热原理可为：激光器91产生的热量通过热传导方式传导至热沉92上，热沉92上的热量通过热传导方式传导至第一导热块1上，第一导热块1上的热量通过热传导方式传导至第一层热管2的热端，第一层热管2热端的热量一部分传导至第一层热管2的冷端、一部分传导至第二导热块3上，第二导热块3的热量通过热传导方式传导至第二层热管4的热端，第二层热管4热端的热量传导至第二层热管4的冷端，第一层热管2冷端的热量与第二层热管4冷端的热量均传导至散热鳍片上，通过散热鳍片将热量传递至空气中，从而降低了激光器91的温度。

为了提高导热层的传热效率，导热层还可包括第一导热块1、第二导热块3与第三导热块5，第二层热管4设置在第二导热块3与第三导热块5之间，第二层热管4的热端分别与第二导热块3、第三导热块5接触。第二导热块3的热量可通过热传导的方式传导至第二层热管4上，第二层热管4上的热量可传递出去，同时，第二层热管4上的热量也可通过热传导的方式传导至第三导热块5上，由第三导热块5将热量传递至空气中。也就是说，第三导热块5不仅可以保护、固定第二层热管4，也可提高导热效率。

具体地，如图5所示，第二导热块3背向第一导热块1的一侧设有多个第三凹槽32，第三导热块5朝向第二导热块3的一侧设有对应的第四凹槽51，第三凹槽32与第四凹槽51形成固定孔，第二层热管4的热端嵌在固定孔内。第四凹槽51为半圆形凹槽结构，可增大第二层热管4与第三导热块5之间的接触面积，对第二层热管4起到保护、固定的作用。

本申请实施例中，第二凹槽31与第三凹槽32间隔设置，也就是说，第一层热管2与第二层热管4的位置按照金字塔方式设计，采用间隙布局的方式，以减小第一层热管2与第二层热管4之间的距离，并且使得两侧热管之间的距离均匀分布，使两层热管之间传热距离均匀，有利于提高对于热源的导热效率。

本申请实施例提供的激光光源中激光器的散热原理也可为：激光器91产生的热量通过热传导方式传导至热沉92上，热沉92上的热量通过热传导方式传导至第一导热块1上，第一导热块1上的热量通过热传导方式传导至第一层热管2的热端，第一层热管2热端的热量一部分传导至第一层热管2的冷端、一部分传导至第二导热块3上，第二导热块3的热量通过热传导方式传导至第二层热管4的热端，第二层热管4热端的热量一部分传导至第二层热管4的冷端、一部分传导至第三导热块5上，第三导热块5的热量传递至空气中，第一层热管2冷端的热量与第二层热管4冷端的热量均传导至散热鳍片上，通过散热鳍片将热量传递至空气中，从而极大地降低了激光器91的温度。

本申请实施例提供的激光光源中的激光器散热装置采用多排热管叠层设置，当热沉92的面积较小时，其导热面积也较小，一排热管放置4根(最多4根)的话无法满足导热需求，设计两排热管有以下好处：

a.两排热管可以使用5-6根热管，导热能力大于单排4根热管，能够满足导热需求；

b.两排热管设计节省了水平方向(与热沉92平面水平方向)的空间，因为在水平方向有激光器电子板、定位结构、锁固结构等布置，所以必须节省水平方向空间，多利用垂直方向空间；

c.以往单排热管热端与翅片模块接触的方式单一，两排热管使热端可以在翅片模块中多种方式分布，使翅片模块的温度分布均匀，提高散热效率。

本申请实施例中，热管的热端可通过锡焊接的方式分别固定在第一导热块1、第二导热块3与第三导热块5之间，减小两者之间的接触热阻。且热管的热端头均超出第一导热块1、第二导热块3与第三导热块5侧面6mm-12mm，从而保证第一导热块1、第二导热块3与第三导热块5与热管的热端充分接触，提高导热效率。

将导热层之间的热管数量确定之后，对热管进行弯折工艺加工。即，如图6所示，热管包括热端21、冷端22及连接热端21与冷端22的弯折部23，弯折温度在150°～300°，弯折力介于150N～250N之间。通过弯折热管中间部位的角度，可实现导热层与翅片模块6的最优结合，最有效地利用狭小的结构空间，使激光器的热量可以快速地传导至翅片模块6中，提高导热效率。

可通过热学仿真软件仿真模拟热管弯折角度对激光器温度的影响。激光器的功率设定为100W，风扇转速设定为1000RPM，环温为25℃,设定4中热管弯折角度，分别为角度-1，角度-2，角度-3，角度-4；模拟时忽略辐射传热，设定第一、第二导热块的材质为Cu；形成网格时，金属导热块和热管的级别设定为4level。

参数设定完毕后，对比不同的热管弯折方案对激光器Tm的影响，其结果如表1所示。

表1模拟结果一

由表1的模拟结果可知，热管弯折角度的不同影响激光器的温度，在满足结构空间的前提下，选择热管传热系数的热管弯折方案角度-4，可以最高效率低控制激光器的温度。可选的，热管弯折部23的弯折角度范围为80°～140°。

本申请实施例中，激光器散热装置还包括风扇支架7及固定安装于风扇支架7上的风扇8，风扇支架7固定安装于翅片模块6上，散热鳍片均垂直于风扇支架7。如此，风扇8吹出的冷风吹到散热鳍片上，对散热鳍片进行强制对流，促进热管的冷端与散热鳍片之间的热量传输，将热量迅速地传递到机器外部的大气空间之中，对翅片模块6进行降温处理，对整个散热系统形成一个温差为20°～50°的循环系统。

风扇8对翅片模块6进行强制对流散热，可以加速降低翅片模块6的温度，增大热管的冷端与翅片模块6之间的温差，加速热管冷端与翅片模块之间的热量传输；翅片模块6温度的降低，可降低热管冷端的温度，增大热管冷端与热端之间的温差，加速热管冷端与热端之间的热量传输；热管冷端温度的降低，可降低热管热端的温度，增大导热层与热管之间的温差，加速导热层与热管热端之间的热量传输；热管热端温度的降低，可降低导热层的温度，增大导热层与热沉之间的温差，加速导热层与热沉之间的热量传输；热沉温度的降低，可增大热沉与激光器之间的温差，加速激光器与热沉之间的热量传递，极大地提高了激光器的散热效率。

为了证明本申请提供的激光光源的散热效果更好，通过热学仿真软件仿真模拟双排热管结构与单排热管结构对激光器温度的影响。具体如下：

参数设定：双排热管的数量为N，由于空间结构的限制，单排热管的数量为N-2，激光器的功率设定为100W，风扇转速设定为1000、1600、2400、3000RPM，环温为25℃，模拟时忽略辐射传热，通过计算，此方案热管的总导热率为25000W/m.k，单排热管的导热率为18000W/m.k，金属导热块和热管的级别设定为4level。

参数设定完毕后，模拟两种方案对激光器Tm的影响，结果如表2所示。

表2模拟结果二

根据表2的模拟结果可知，在相同的风扇转速下，在相同的环境温度下，单排热管方案的激光器温度高于双排热管方案，差值的均值为4.2℃。在相同的环境温度下，随着风扇转速提升，风量逐渐增大，两种方案的差异性区域明显，温度变化的百分比从7.63％上升到12.84％，说明在高风量下，双排热管方案使激光器温度下降的速度高于单排热管方案。

本申请实施例提供的激光光源通过激光器散热装置对激光器进行散热，通过设计导热层与热管的接触方式，将热管在导热层中叠层设置，增加了热管的数量，满足了激光器的传热需求；通过弯折热管中间部位的角度，实现了导热层与翅片模块的最优结合，最有效地利用狭小的结构空间，使激光器的热量可以快速地传导至翅片模块，经过风扇的强制对流将热量传递到机器外部，保证了激光器热量的快速传递，实现了对激光器温度的有效控制，达到了激光器模组小型化的设计目标。

基于上述实施例提供的激光光源，如图7所示，本申请实施例还提供了一种激光投影设备，包括照明系统10、镜头系统11与上述实施例提供的激光光源9，激光光源9为照明系统10提供光束，照明系统10对光束进行调制，并输出至镜头系统11，由镜头系统11将激光投影到屏幕上。

采用热传导方式，激光光源中的激光器91产生的热量通过热沉92传导至激光器散热装置的导热层，导热层的热量可通过热传导方式传递至机器外部，实现了对激光器温度的有效控制。另外，该激光光源结构紧凑，其体积空间较小，散热效果好，可广泛应用于导热面积较小的MCL激光器，满足激光投影设备的小型化设计。

需要说明的是，在本说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的电路结构、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种电路结构、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，有语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的电路结构、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本申请的其他实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求的内容指出。

以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。

Claims (6)

1.一种激光光源，其特征在于，包括壳体、位于所述壳体内的激光器及对所述激光器散热的激光器散热装置，其中，

所述壳体上开设有入光口，所述激光器设置于所述入光口处，所述激光器朝向所述激光器散热装置的一侧设有热沉，所述热沉嵌入所述入光口；所述激光器散热装置包括导热层及翅片模块，所述热沉与所述导热层接触；

所述导热层包括至少两层导热块，相邻所述导热块之间设有多个热管，多个所述热管叠层设置，且多层热管间隙设置；所述导热块、所述热沉均与水平方向成预设角度设置，所述导热块的侧面上设置有凹槽；

每个所述热管包括热端、冷端及连接所述热端与冷端的弯折部，所述弯折部的弯折角度为预设角度；所述热端嵌在相邻所述导热块的凹槽内，且所述热端突出于所述导热块的侧面；

所述翅片模块包括多个相互平行的散热鳍片，所述冷端分别垂直贯穿所述散热鳍片；

至少两层导热块包括第一导热块、第二导热块与第三导热块，所述热沉与所述第一导热块接触，所述第一导热块与所述第二导热块之间设置有第一层热管，所述第一层热管的热端分别与所述第一导热块、所述第二导热块接触；所述第二导热块与所述第三导热块之间设置有第二层热管，所述第二层热管的热端分别与所述第二导热块、所述第三导热块接触；

所述第二导热块是一体的，所述第二导热块的一侧设有多个第二凹槽，所述第二导热块背向所述第二导热块的一侧设有多个第三凹槽，所述第二凹槽与所述第三凹槽是交错的。

2.根据权利要求1所述的激光光源，其特征在于，所述第一导热块朝向所述第二导热块的一侧设有多个第一凹槽，所述第一凹槽与所述第二凹槽形成安装孔，所述第一层热管的热端嵌在所述安装孔内。

3.根据权利要求1所述的激光光源，其特征在于，所述第三导热块朝向所述第二导热块的一侧设有对应的第四凹槽，所述第三凹槽与所述第四凹槽形成固定孔，所述第二层热管的热端嵌在所述固定孔内。

4.根据权利要求1所述的激光光源，其特征在于，所述弯折部的弯折角度范围为80°～140°。

5.根据权利要求1所述的激光光源，其特征在于，所述激光器散热装置还包括风扇支架及固定安装于所述风扇支架上的风扇，所述风扇支架固定安装于所述翅片模块上，所述散热鳍片均垂直于所述风扇支架。

6.一种激光投影设备，其特征在于，包括照明系统、镜头系统及权利要求1-5任一项所述的激光光源，所述激光光源为所述照明系统提供光束，所述照明系统对所述光束进行调制，并输出至所述镜头系统进行成像。

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