Интегративные модули для электронных систем, включая лазерные диоды, с интенсивной системой охлаждения, базирующейся на алмазно-медных композитных материалах



Как показала практика последних лет одним из основных вопросов и проблем сложных электронных устройств, особенно включающих лазерные диоды, — является вопрос надёжного и эффективного охлаждения

Для того, чтобы исключить потери энергии и поднять выход эффективной энергии, особенно в различных осветительных системах, ведётся активный поиск интегративных технических решений, позволяющих без применения дополнительных конструктивных элементов и дополнительных затрат энергии на охлаждение

Параллельно ведётся поиск и отработка технических решений, позволяющих при максимально лаконичном и простом дизайне получить возможность наращивать выходную световую мощность осветительных устройств при сравнительно небольшой мощности и соответственно небольшом энергопотреблении

На фото показана одна из инновационных разработок по преобразованию лазерного излучения в световое излучение привычных и стандартных световых спектров

На следующем фото показано осевое сечение такого устройства, более удобное для рассмотрения и анализа

Как видно, в конструкции инновационной лампы совмещены функции нескольких базовых конструктивных элементов

Держатель лампы имеет вихревой радиатор, ось и диски которого изготовлены из алмазно-медного композита, являющегося важнейшим компонентом системы охлаждения лампы

Каждая деталь этой системы является многофункциональной, то есть кроме чисто теплопередающих и теплоаккумулирующих функций структура этих деталей, изготовленная из множества микроглобул композита, выполняет параллельно важнейшую функцию по рассеиванию тепловых потоков, что обеспечивается благодаря псевдопористой структуре композита

Остановимся на инновационной структуре алмазно-медного композита (приложение 1)

Оригинальный процесс изготовления глобул композита начинается с формирования алмазных сфер из искусственного алмаза, диаметром в 5–7 микрон (этот размер может варьироваться в зависимости от профиля и габаритов детали и условий её эксплуатации)

После этого, на специальном оборудовании эти сферы покрываются медью по оригинальной инновационной технологии (приложение 2)

Толщина покрытия выбирается такой, чтобы при формировании в пресс-форме детали лампы, на алмазных сферах было бы достаточно пластичного материала для развития процесса жидкотекучести металла и заполнения при этом полостей между сферами из искусственного алмаза

В результате получается псевдопористая структура в которой равномерно распределены алмазные сферы, являющиеся лучшим теплопроводящим материалом при полном отсутствии токопропроводности

Такая структура позволяет моментально рассеять тепло и равномерно распределить его по площади сечения дисков радиатора

В спиральных пазах корпуса лампы помещён оптический кабель, на который от лазерного модуля подаётся луч лазерного излучения; Оптический кабель свёрнут по спирали и помещён в пазы корпуса на таком диаметре, который вызывает свечение кабеля по всей цилиндрической поверхности, что намного эффективнее свечения передающегося по торцу кабеля

Для того, чтобы разделить излучение лазера и выходное излучение лампы, на оптический кабель наносится слой люминофора, рассчитанный на определённый спектр излучения

Таким образом конечное излучение лампы абсолютно не токсичное и, благодаря в тысячи раз большей площади излучения чем от торца оптического кабеля, при мощности лазерного диода в 1–2 ватта, выходной эквивалент лампы соответствует 60–75 ватт

Формирование излучения от свечения изогнутого по определённому радиусу оптического кабеля имеет много альтернатив, как например показанный на следующем фото в поперечном сечении излучатель в котором цилиндрическая поверхность оптического кабеля начинает излучать свет при определённом радиусе изгиба

На следующем фото показана структурная схема лампы в поперечном продольном сечении, где хорошо видны отдельные технические детали, каждая из которых несёт определённую смысловую и техническую нагрузку и выполняет определённые технологические и концептуальные нагрузки

Предложенная конструкция имеет много инновационных элементов и, что самое важное, полностью готова к серийному и массовому производству, и кроме того такая конфигурация лампы, сочетания в ней технологических принципов и конструктивных материалов позволяют в дальнейшем интегрировать в инновационное изделие те новые технические решения, которые могут возникнуть в процессе дальнейшего развития как лазерных технологий, техники композитных материалов и новых экономичных систем управления и охлаждения

На следующем фото показана мини-лампа в которой на конец оптического кабеля по определённой геометрии в трёхмерной системе координат нанесена смесь люминофоров, обеспечивающая свечение (излучение) в белом диапазоне спектра

Диаметр оптического кабеля составляет всего 120 микрон, что позволяет создавать микро-миниатюрные источники света для использования в наиболее компактных оптоэлектронных системах

На следующем фото показана лампа с плоским излучателем, подключенная всего к одному оптическому кабелю

Такая система помимо общей экономичности позволяет добиться при минимальных затратах и максимальной простоте требуемого уровня освещения на требуемой площади

Эта же система позволяет наносить на спиральную (плоская спираль) часть конца оптического кабеля, практически любое сочетание или смесь люминофоров и получать требуемые параметры светового излучения

На следующем фото показан модуль лазерного диода, который построен на базе принципов активного охлаждения при помощи рассеивающего эффекта в деталях, изготовленных из псевдопористого алмазно-медного композита

Одной из инновационных интегративных особенностей представленной конструкции является использование термоэлектрокулеров в сочетании с теплопроводящими и теплорассеивающими элементами корпусных конструкций модуля

Термоэлектрокулеры располагаются между внешними радиаторами и корпусом модуля, причём теплопроводящие элементы конструкции ведут тепловые потоки от печатной платы до стенок корпуса на которых закреплены термоэлектрокулеры, к которым в свою очередь прижаты базовые плоскости радиаторов, на которых при необходимости могут быть закреплены другие элементы модуля, требующие постоянного охлаждения

Как показала практика, надёжное охлаждение позволяет предельно стабилизировать выходные параметры лазерного излучения, что в свою очередь позволяет значительно расширить номенклатуру выходных систем модуля и при необходимости позволяет разделить лазерное излучение между несколькими оптическими кабелями, каждый из которых осуществляет питание одного осветительного устройства

На фото показаны модели таких устройств

Самым важным остаётся первичный отбор тепла от непосредственно лазерного диода

На представленных трёхмерных моделях показаны теплопроводящие и одновременно базовые элементы крепления лазерного диода в корпусе модуля

Как видно из моделей, — при всей своей простоте и технологичности несущий диск лазерного диода (на моделях выделен красным цветом) полностью защищает лазерный диод от перегрева, исходя из многих факторов, что как уже было сказано выше существенно повышает стабильность работы модуля и снижает расход энергии на освещение

На моделях также представлена система кодирования и декодирования, которая позволяет идентифицировать подключённые к модулю оптические кабели с осветительными устройствами

Такая система позволяет в дополнение к основным рабочим функциям получить место для введения и контроля различных компьютерных моделей управления и распределения энергии

Эти функции всецело зависят от назначения и условий эксплуатации модуля, важность для дальнейшего развития темы, представляет возможность встраивания программной составляющей системы именно в наиболее критичном месте

На фото показаны реальные конструктивные элементы инновационного модуля лазерного диода с охлаждающей системой и держателем лазерного диода, выполненным из алмазно-медного композита

Как видно из фото, все остальные детали корпуса и системы охлаждения лазерного модуля выполнены из стандартных профилей и материалов и не требуют для изготовления каких-либо спец материалов и специального технологического оборудования, — всё также выполнено при помощи стандартного режущего и мерительного инструмента

Это можно рассматривать как пример интеграции и комбинирования инновационных решений по эффективному и безопасному преобразованию излучения лазерного диода в безопасное и интенсивное излучение люминофора, при практически полном рассеивании тепла и отсутствии тепловых и световых потерь

Все основные выходные параметры этой комплексной осветительной системы полностью отвечают действующим стандартам и нормам безопасности

Приложение 1

United States Patent Application	20120040166
Kind Code	A1
	February 16, 2012

Composite Material, Method of Manufacturing and Device for Moldable Calibration

Abstract

Composite materials and methods and systems for their manufacture are provided. According to one aspect, a composite material includes a collection of molded together multilayer capsules, each capsule originally formed of a core and shell. The shell, after a plastic deformation process, forms a pseudo-porous structure, with pores locations containing the capsule cores. The cores are made of a material, e.g., synthetic diamond, which is harder than the external shell, which can be formed of, e.g., a ductile metal such as copper. The composite material has high thermal and/or electrical conductivity and/or dissipation.

Приложение 2

United States Patent Application	20100224497
Kind Code	A1
	September 9, 2010

DEVICE AND METHOD FOR THE EXTRACTION OF METALS FROM LIQUIDS

Abstract

A volume-porous electrode is provided which increases effectiveness and production of electrochemical processes. The electrode is formed of a carbon, graphitic cotton wool, or from carbon composites configured to permit fluid flow through a volume of the electrode in three orthogonal directions. The electrode conducts an electrical charge directly from a power source, and also includes a conductive band connected to a surface of the electrode volume, whereby a high charge density is applied uniformly across the electrode volume. Apparatus and methods which employ the volume-porous electrode are disclosed for removal of metals from liquid solutions using electroextraction and electro-coagulation techniques, and for electrochemical modification of the pH level of a liquid.