DE202009009203U1

DE202009009203U1 - Konversionseinheit mit mehreren Konversionsmodulen und eine solche Konversionseinheit aufweisende optische Anordnung

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Publication number: DE202009009203U1
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Current assignee: Lorenzen Dirk Dr De; Schroeder Dominic De
Priority date: 2009-04-08
Filing date: 2009-04-08
Publication date: 2009-10-15
Anticipated expiration: 2019-04-09
Also published as: DE102009016953B4; DE102009016953A1; WO2010115415A3; WO2010115415A2

Abstract

Konversionseinheit (50/50') zur Umwandlung von elektrischer Energie in Strahlungsenergie oder zur Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie mit
1 wenigstens einer Konversionsanordnung (30/30') und
2 wenigstens einer Kühlmittelzu- und -abführeinrichtung (40) mit
2.1 wenigstens einem der Konversionsanordnung (30/30') zugewandten Kühlmittelauslass (45a/46a), über den wenigstens ein Kühlmittel der Konversionsanordnung (30/30') zugeführt wird,
und
2.2 wenigstens einem der Konversionsanordnung (30/30') zugewandten Kühlmitteleinlass (45b/46a), über den das Kühlmittel aus der Konversionsanordnung (30/30') abgeführt wird,
wobei
1 die Konversionsanordnung (30/30')
1.1 mehrere Konversionsmodule (20/20') besitzt, die in wenigstens einer Anordnungsrichtung (35/35a, 36/36a) zumindest abschnittsweise jeweils einander benachbart angeordnet sind,
und
1.2 wenigstens eine Kühlmittelführung aufweist, in dessen Verlauf die Beströmung der Konversionsmodule (20/20') mit dem Kühlmittel vorgesehen ist,
und
1.1 die Konversionsmodule (20/20') jeweils
1.1.1 wenigstens ein elektrisch kontaktierbares, halbleitendes Konversionselement (10/10') aufweisen, das Strahlung in wenigstens eine Abstrahlungsrichtung (15,...

Description

Die Erfindung betrifft eine Konversionseinheit zur Umwandlung von elektrischer Energie in Strahlungsenergie oder zur Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Eine solche als Strahlungsquelle ausgebildete Konversionseinheit weist demgemäß wenigstens eine als Strahlungsemissionsanordnung ausgebildete Konversionsanordnung und wenigstens eine Kühlmittelzu- und -abführeinrichtung auf.
Die Kühlmittelzu- und -abführeinrichtung besitzt wenigstens einen der Strahlungsemissionsanordnung zugewandten Kühlmittelauslass, über den wenigstens ein Kühlmittel der Strahlungsemissionsanordnung zugeführt wird, und wenigstens einen der Strahlungsemissionsanordnung zugewandten Kühlmitteleinlass, über den das Kühlmittel aus der Strahlungsemissionsanordnung abgeführt wird.
Die Strahlungsemissionsanordnung besitzt mehrere, im Betrieb Strahlung emittierende Halbleiterbaugruppen als Konversionsmodule, die in wenigstens einer Anordnungsrichtung zumindest abschnittsweise einander benachbart angeordnet sind.
In der Strahlungsemissionsanordnung besteht wenigstens eine Kühlmittelführung, in dessen Verlauf die Beströmung der Halbleiterbaugruppen mit dem Kühlmittel vorgesehen ist.
Die Halbleiterbaugruppen weisen wenigstens ein elektrisch kontaktierbares im Betrieb Strahlung in wenigstens eine Abstrahlungsrichtung emittierendes Halbleiterbauelement als Konversionselement auf sowie wenigstens einen Wärmeleitkörper mit wenigstens einem Wärmeaufnahmeabschnitt, der wenigstens eine Wärmeaufnahmefläche besitzt, an der das Halbleiterbauelement befestigt ist, und wenigstens einem Wärmeabgabeabschnitt, der wenigstens eine Wärmeabgabefläche zur Wärmeabgabe an das strömende Kühlmittel besitzt.
Ein Beispiel für eine derartige Strahlungsquelle sieht als Strahlungsemissionsanordnung einen Diodenlaserstapel vor, in dem die Halbleiterbaugruppen Diodenlaserbauelemente sind, die kantenemittierende Laserdiodenbarren als Halbleiterbauelemente und Mikrokanalwärmesenken als Wärmeleitkörper aufweisen.
Eine solche Strahlungsquelle ist aus der Offenlegungsschrift DE 197 50 879 A1 bekannt.
Nachteilig an der betreffenden Strahlungsquelle ist zum einen die große Ausdehnung (hier: Dicke) der Wärmeleitkörper in Stapelrichtung, die eine reduzierten Abstand zwischen einander benachbarten Halbleiterbaugruppen (hier: Diodenlaserbauelementen) begrenzt. Zum anderen ist nachteilig, dass die Stapelhöhe durch den Druckverlust begrenzt ist, der sich infolge des seriellen Kühlmittelstroms durch die Wärmeleitkörper ergibt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Strahlungsquelle zu beschreiben, die die vorgenannten Nachteile nicht aufweist.
Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung eine Konversionseinheit zu beschreiben, deren Konversionselemente – im Falle einer Strahlungsquelle sind es Strahlung emittierende Halbleiterbauelemente – flächenmäßig einen möglichst großen Füllfaktor einnehmen und möglichst gut kühlbar sind.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Konversionseinheit mit den Merkmalen des Anspruches 1. Bevorzugte Ausführungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist der Wärmeabgabeabschnitt bezüglich des Wärmeaufnahmeabschnittes vollständig in wenigstens einer zur Anordnungsrichtung geneigten Wärmeleitrichtung angeordnet, und weist wenigstens eine, die Wärmeabgabefläche umfassende Ausnehmung auf sowie wenigstens eine Öffnung, die auf einer, dem Wärmeabgabeabschnitt des Wärmeleitkörpers eines benachbarten – beispielsweise als Strahlung emittierende Halbleiterbaugruppe ausgebildeten – Konversionsmoduls gegenüberliegenden, ersten Außenseite angeordnet ist, und mit der Ausnehmung in Verbindung steht.
Dabei kann die Wärmeabgabefläche aufweisende Ausnehmung als Kühlkanal angesehen werden. Im Gegensatz dazu weist der Wärmeaufnahmeabschnitt erfindungsgemäß keine vom Kühlmittel benetzte Fläche auf.
Des weiteren besitzt die Kühlmittelführung erfindungsgemäß Kühlmittelflusspassagen zwischen den Wärmeabgabeabschnitten von Wärmeleitkörpern benachbarter Konversionsmodule und ist für einen ersten Kühlmittelfluss zur Beströmung einer ersten Gruppe einer oder mehrerer Konversionsmodule und einen, zum ersten Kühlmittelfluss strömungstechnisch parallelen, zweiten Kühlmittelfluss zur Beströmung einer zweiten Gruppe einer oder mehrerer Konversionsmodule ausgebildet.
Ferner weist der Wärmeleitkörper erfindungsgemäß jeweils wenigstens einen Wärmeleitabschnitt auf, der zwischen dem Wärmeaufnahmeabschnitt und dem Wärmeabgabeabschnitt angeordnet ist und wenigstens eine Dichtfläche besitzt, über die zumindest abschnittsweise eine Dichtung erfolgt, die zu einem Einschluss von Kühlmittel in den Kühlmittelflusspassagen beiträgt.
Schließlich ist von der Kühlmittelzu- und abführeinrichtung erfindungsgemäß wenigstens der Abschnitt in Wärmeleitrichtung abseits der Konversionsanordnung angeordnet, der den Kühlmittelauslass und/oder den Kühlmitteleinlass aufweist.
Die erfindungsgemäße Konversionseinheit ist sowohl als Strahlungsquelle als auch als Strahlungsempfänger ausbildbar.
In einer erfindungsgemäßen Strahlungsquelle bilden die Strahlung emittierenden Halbleiterbauelemente die Hauptwärmequellen einer Wärmeübertragungsvorrichtung, die mit der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle ausgebildet wird.
In einem erfindungsgemäßen Strahlungsempfänger bilden die Strahlung absorbierenden Halbleiterbauelemente die Hauptwärmequellen einer Wärmeübertragungsvorrichtung, die mit dem erfindungsgemäßen Strahlungsempfänger ausgebildet wird.
Die Wärmeüberträger sind in beiden Fällen die erfindungsgemäßen Konversionsmodule, die modulare Bausteine der Konversionsanordnung sind.
Im Falle der Strahlungsquelle ist die Konversionsanordnung eine Strahlungsemissionsanordnung, die modular aus Strahlung emittierenden Halbleiterbaugruppen zusammengestellt ist, die wenigstens ein Strahlung in wenigstens eine Abstrahlungsrichtung emittierendes Halbleiterbauelement aufweisen.
Im Falle des Strahlungsempfängers ist die Konversionsanordnung eine Strahlungsempfangsanordnung, die modular aus Strahlung absorbierenden Halbleiterbaugruppen zusammengestellt ist, die wenigstens ein Strahlung aus wenigstens einer Einstrahlungsrichtung absorbierendes Halbleiterbauelement aufweisen.
Das Kühlmittel bildet in beiden Fällen die Hauptwärmesenke.
Die Erfindung ist sowohl auf Strahlung emittierende Halbleiterbauelemente des kantenemittierenden Typs als auch des oberflächenemittierenden Typs anwendbar und für beide Typen geeignet. Im Strahlengang angeordnete Optikmittel können dabei bei Bedarf eine Homogenisierung der Intensitätsverteilung der Strahlung und/oder eine Kollimation oder Fokussierung der Strahlung bewirken.
Desgleichen ist die Erfindung auf Strahlung absorbierende Halbleiterbauelemente, die sowohl Flächenempfänger als Kantenempfänger sein können. Im Strahlengang angeordnete Optikmittel können bei Bedarf eine lokale Erhöhung der Intensität der Strahlung durch Konzentrierung beziehungsweise Bündelung oder Fokussierung bewirken und damit die Bestrahlungsstärke des Strahlung absorbierenden Halbleiterbauelementes erhöhen.
Ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes Strahlung absorbierendes Halbleiterbauelement ist eine Solarzelle, wobei die Konversionsmodule Solarmodule sind und die Konversionseinheit ein photovoltaischer Generator ist.
Ein anderes Beispiel für ein erfindungsgemäßes Strahlung absorbierendes Halbleiterbauelement ist ein thermoelektrischer Chip mit einer der Einstrahlungsrichtung zugewandten Strahlungsabsorptionsschicht, wobei die Konversionsmodule Peltier-Module sind und die Konversionseinheit ein thermoelektrischer Generator ist.
Stellvertretend für einen Strahlungsempfänger und seine Komponenten wird fortan auf die Strahlungsquelle mit ihren Komponenten Bezug genommen. Dabei kann das bezüglich der Strahlungsquelle Gesagte analog auf einen Strahlungsempfänger unter einer Maßgabe übertragen werden, die die umgekehrte Energiewandlung berücksichtigt.
Ist das strahlungsemittierende Halbleiterbauelement ein Kantenemitter, beispielsweise eine kantenemittierende Laserdiode, ein kantenemittierender Laserdiodenbarren oder eine kantenemittierende Leuchtdiode, so sind die elektrischen Kontaktflächen – eine erste und wenigstens eine, zur ersten elektrischen Kontaktfläche gegenpolige, zweite – des kantenemittierenden Halbleiterbauelements in der Regel parallel zur Abstrahlungsrichtung und auf einander gegenüberliegenden Seiten des kantenemittierenden Halbleiterbauelements angeordnet.
Ist das strahlungsemittierende Halbleiterbauelement ein Oberflächenemitter, beispielsweise eine oberflächenemittierende Laserdiode (VCSEL = vertical cavity surface emitting laser), eine oberflächenemittierendes Laserdiodenfeld (VCSEL-array) oder eine oberflächenemittierende Leuchtdiode, so sind die elektrischen Kontaktflächen – eine erste und wenigstens eine, zur ersten elektrischen Kontaktfläche gegenpolige, zweite – des kantenemittierenden Halbleiterbauelements in der Regel senkrecht zur Abstrahlungsrichtung und auf einander gegenüberliegenden Seiten des kantenemittierenden Halbleiterbauelements angeordnet.
Nichtsdestoweniger können die elektrischen Kontaktflächen für beide Emissionstypen gegenüber ihrer besagten regelrechten Anordnung geneigt und/oder auf ein- und derselben Seite des Halbleiterbauelementes angeordnet sein. Zur Vereinfachung der Erläuterung der Vorteile der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle wird jedoch von den regelrechten Anordnungen ausgegangen.
Vorzugsweise sind dabei die elektrische Kontaktflächen parallel zu der Wärmeaufnahmefläche, wiewohl auch geneigte Anordnungen möglich sind. Dabei liegt der Wärmeaufnahmeabschnitt in einer Wärmequellenprojektion des Halbleiterbauelementes senkrecht zu den elektrischen Kontaktflächen.
Die Strahlungsemissionsanordnung kann sowohl linear mit nur einer Anordnungsrichtung vorliegen oder flächig mit mehr als einer Anordnungsrichtung, beispielsweise zwei Anordnungsrichtungen, die eine gemeinsame Anordnungsebene aufspannen. Der im linearen Fall einzigen Anordnungsrichtung kann eine bestimmte Anordnungsebene zugewiesen werden mit der Forderung, dass diese Ebene sowohl die linearen Anordnungsrichtung umfasst als auch ein Richtung, in der eine zweite lineare Strahlungsemissionsanordnung einer ersten linearen Strahlungsemissionsanordnung vorzugsweise benachbart sein kann, ohne die Abstrahlung der ersten linearen Strahlungsemissionsanordnung zu behindern.
Eine Anordnungsrichtung kann dann als Benachbarungsrichtung aufgefasst werden, wenn zwischen zwei, in der besagten Anordnungsrichtung einander unmittel benachbart angeordneten Halbleiterbauelementen nicht einmal abschnittsweise ein weiteres Halbleiterbauelement angeordnet ist.
Im anschaulich einfachsten – und fortan angenommenen – Fall existiert nur eine einzige Abstrahlungsrichtung und nur eine Anordnungsebene, die senkrecht zur einzigen Abstrahlungsrichtung orientiert ist. Dies ist jedoch nicht zwingend. In einer beispielsweise nicht um 90° sondern nur um 60° zur Abstrahlungsrichtung geneigten Anordnungsebene ließe sich der Strahlenbündelabstand benachbarter Halbleiterbaugruppen um einen Faktor sin 60° = 0,87 verringern. Wird die Neigung der Anordnungsebene bezüglich der Abstrahlungsrichtung weiter verringert, so ist unterhalb eines bestimmten Neigungswinkels, beispielsweise 10°, darauf zu achten, dass die Strahlenbündel nicht durch benachbarte Halbleiterbaugruppen abgeschattet werden. Um dies zu vermeiden, sind die Halbleiterbauelemente in einer Richtung winklig zur Abstrahlungsrichtung – beispielsweise in Richtung der Normalen der Anordnungsebene – zueinander zu versetzen. Mit einem solchen Versatz lassen sich bei einer Neigung der Anordnungsebene von 10° gegenüber der Abstrahlungsrichtung ein Strahlenbündelabstand benachbarter Halbleiterbaugruppen in der Größe des Versatzes realisieren, wie beispielsweise in der US-Patentschrift US 5,987,043 A beschrieben. In einer alternativen Betrachtungsweise lässt diese Anordnung die Existenz mehrerer, baugruppeneigener Anordnungsebenen zu, die jeweils einer Halbleiterbaugruppe zugeordnet und parallel zueinander senkrecht zur Abstrahlungsrichtung um den genannten Versatz beabstandet angeordnet sind.
In anschaulich einfachsten Fall ist die Wärmeleitrichtung von dem Wärmeaufnahmeabschnitt über den Wärmeleitabschnitt zum Wärmeabgabeabschnitt senkrecht zur Anordnungsebene. Ist die Anordnungsebene senkrecht zur Abstrahlungsrichtung gerichtet, so ist die Wärmeleitrichtung der Abstrahlungsrichtung entgegengesetzt.
Generell kann jeder Halbleiterbaugruppe, jedem Halbleiterbauelement, und sogar jedem einzelnen von mehreren Emittern einer Halbleiterbaugruppe oder eines Halbleiterbauelementes eine eigene Abstrahlungsrichtung zugeordnet werden. Beispielsweise können die Abstrahlungsrichtungen verschiedener Emitter derart ausgerichtet sein, dass sich ihre Strahlen beziehungsweise Strahlenbündel in einem bestimmten Abstand vom jeweiligen Halbleiterbauelement kreuzen oder perspektivisch überlagem. Diesbezüglich wird beispielsweise auf den Offenbarungsgehalt der EP 1 113 543 A1 verwiesen. Damit sind Anordnungen mit Halbleiterbaugruppen denkbar, die unter kleinen Winkeln von 0,1° bis 30° zueinander geneigten Abstrahlungsrichtungen ausgerichtet sind. Jeder Abstrahlungsrichtung beziehungsweise jeder Halbleiterbaugruppe kann dabei entweder eine eigene Anordnungsebene zugeordnet werden oder aber – solange die abschnittsweise Benachbarung der Halbleiterbaugruppen gültig ist – eine allen Abstrahlungsrichtungen oder Halbleiterbaugruppen gemeinsame Anordnungsebene, die gegenüber jeder Abstrahlungsrichtung einen eigenen Neigungswinkel einnimmt.
Der Einfachheit halber wird ein senkrecht zur Abstrahlungsrichtung annähernd rechteckiger Querschnitt der Wärmeleitkörper beziehungsweise Halbleiterbaugruppen angenommen Damit kann die Anordnung der Halbleiterbaugruppen in Stapelanordnung übereinander oder in Reihenanordnung nebeneinander vorliegen. Auch Feldanordnung mehrerer Stapel in Reihe nebeneinander oder mehrerer Reihen im Stapel übereinander sind möglich. In einem Stapel ist die in der Anordnungsebene liegende Benachbarungsrichtung die Stapelrichtung, in der die Halbleiterbaugruppen übereinander angeordnet sind. In einer Reihe ist die in der Anordnungsebene liegende Benachbarungsrichtung die Reihenrichtung, in der die Halbleiterbaugruppen nebeneinander oder angeordnet sind.
Nichtsdestoweniger kann der Querschnitt der Wärmeleitkörper auch anderes als rechteckig sein, beispielsweise dreieckig oder sechseckig, womit mehr als zwei Benachbarungsrichtungen existieren können.
Hinsichtlich der Nachbarschaft zweier Elemente, beispielsweise Diodenlaserbauelemente oder Kühlkanäle, sei vereinbart, dass zwei Elemente als unmittelbar benachbart gelten, wenn zwischen ihnen kein weiteres Element des gleichen Typs angeordnet ist. Sie gelten als mittelbar benachbart, wenn zwischen ihnen wenigstens ein weiteres Element des gleichen Typs angeordnet ist.
Im Zweifel gelten hinsichtlich ihrer unmittelbaren oder mittelbaren Nachbarschaft nicht näher spezifizierte, benachbarte Elemente als einander unmittelbar benachbart.
Vorzugsweise ist die Stapel- und/oder Reihenrichtung senkrecht zur Abstrahlungsrichtung ausgebildet. Dies ist zwar nicht zwingend, erleichtert aber eine anschauliche Beschreibung der Erfindung.
Für oberflächenemittierende Halbleiterbauelemente liegen damit alle Benachbarungsrichtungen in der Ebene der Wärmeaufnahmefläche, die an einer Stirnseite des Wärmeleitkörpers angeordnet ist, deren Normale parallel zur Abstrahlungsrichtung liegt, dass heißt: Die Anordnungsebene ist parallel zur Wärmeaufnahmefläche.
Für kantenemittierende Halbleiterbauelemente sind Benachbarungsrichtungen sowohl senkrecht zur Wärmeaufnahmefläche als auch in der Ebene der Wärmeaufnahmefläche und geneigt dazu möglich. Die Wärmeaufnahmefläche ist somit vorzugsweise auf einer zu einer Stirnseite senkrechten Außenseite des Wärmeleitkörpers angeordnet. Mit anderen Worten: die Normale der Wärmeaufnahmefläche ist parallel zur. Es gilt für oberflächenemittierende Halbleiterbauelemente forthin als vereinbart, dass eine Stapelrichtung in Richtung der kleineren Querschnittsabmessung des rechteckigen Wärmeleitkörpers liegt, eine Reihenrichtung in Richtung der größeren Querschnittsabmessung.
Für kantenemittierende Halbleiterbauelemente gilt es als vereinbart, dass eine Stapelrichtung senkrecht zur Wärmeaufnahmefläche des rechteckigen Wärmeleitkörpers liegt, eine Reihenrichtung parallel dazu.
Im Folgenden wird ohne den Umfang der Erfindung einzuschränken stellvertretend für alle strahlungsemittierende Halbleiterbauelemente einschließlich Leuchtdioden- und Leuchtdiodenfelder auf Laserdiodenelemente Bezug genommen, welche sowohl Einzelemitter als auch monolithische ein- oder zweidimensionale Emitter-Feldanordnungen sowohl des oberflächenemittierenden als auch des kantenemittierenden Laserdiodentyps umfassen. Außerdem wird ohne den Umfang der Erfindung einzuschränken stellvertretend für alle Halbleiterbaugruppen wird auf Diodenlaserbauelemente Bezug genommen.
Durch das erfindungsgemäße Vorsehen eines Kühlkanals, bevorzugt mehrerer Kühlkanäle bildende Ausnehmungen, in Wärmeleitrichtung abseits des Wärmeaufnahmeabschnittes kann im Wärmeabgabeabschnitt auf die Kühlkanäle verschließende Deckschichten verzichtet werden, weil die erfindungsgemäße Dichtung am Wärmeleitabschnitt ein Austreten des Kühlmittels aus den Bereichen den erfindungsgemäßen Kühlmittelflusspassagen zwischen den Diodenlaserbauelementen unterbindet.
Anschaulich wird diese Gegebenheit dadurch, dass man den Wärmeleitabschnitt als so zwischen dem Wärmeaufnahmeabschnitt und dem Wärmeabgabeabschnitt angeordnet betrachtet, dass er sich zumindest abschnittsweise in der Anordnungsebene vollständig durch den Wärmeleitkörper erstreckt, und das erfindungsgemäße Merkmal fehlender, vom Kühlmittel benetzter, Flächen im Wärmeaufnahmeabschnitt berücksichtigt, wodurch ein Kühlmittelfluss in den Wärmeaufnahmeabschnitt ausgeschlossen wird.
Dieser Umstand dient in vorteilhafter Weise zu einer Reduzierung des Abstandes zwischen benachbarten Diodenlaserbauelemente, weil sich die Ausdehnung des Wärmeleitkörpers in Benachbarungsrichtung erfindungsgemäß allein nach der Ausdehnung der Kühlkanäle in Benachbarungsrichtung bemessen lässt.
Damit ist eine erhöhte Packungsdichte von Laserdiodenelementen in einem Diodenlaserstapel möglich, was in einer gegenüber dem Stand der Technik erhöhten Flächenleistungsdichte der emittierten Strahlung resultieren kann.
Bei kantenemittierenden Halbleiterbauelementen liegt der Wärmeabgabeabschnitt erfindungsgemäß außerhalb der oben definierten Wärmequellenprojektion. Der Wärmefluss wird dabei im Wärmeaufnahmeabschnitt um 90° umgelenkt und bei Stapeln entgegen der Abstrahlungsrichtung orientiert.
Darüber hinaus ist die Kühlmittelzu- und abführeinrichtung erfindungsgemäß bezüglich der Stahlungsemissionsanordnung – beispielsweise einer Diodenlaserreihe oder eines Diodenlaserstapels – so angeordnet, dass sie der Ausbildung einer hohen Packungsdichte von Diodenlaserbauelementen nicht entgegensteht. Bei einer zweidimensionalen Feldanordnung von Diodenlaserelementen sieht das Vorliegen wenigstens zweier, vorzugsweise in einer Ebene senkrecht zur Abstrahlungsrichtung liegender, Benachbarungsrichtungen, beispielsweise die rückwärtige, das heißt: der Abstrahlungsrichtung entgegengesetzte, Anordnung der Kühlmittelzu- und abführeinrichtung vor.
Mit oberflächenemittierenden Laserdiodenbauelemente lässt sich so ein Füllfaktor, das ist das Verhältnis von emittierender zur gesamten Fläche, der Strahlungsemissionsanordnung erreichen, der vorzugsweise größer als 90% ist.
Analog lässt sich mit flächig Strahlung empfangenden Solarzellen so eine Füllfaktor – in diesem Fall ist es das Verhältnis von Strahlung in Elektrizität umwandelnder Empfangsfläche zur Gesamtfläche – der photovoltaischen Empfangsanordnung erreichen, der vorzugsweise größer als 90% ist. Dieser Vorteil kommt besonders bei einer optischen Anordnung gemäß Anspruch 30 zur Geltung, in der die einfallende Sonnenstrahlung mit einer für die photovoltaische Empfangsanordnung gemeinsamen Einzeloptik – beispielsweise ein Konkavspiegel oder eine Fresnellinse – die Sonnenstrahlung auch auf die Bereiche zwischen den Solarzellen konzentriert wird. Erfindungsgemäß können diese Bereiche sehr klein gehalten werden, so dass wenig Sonnenstrahlung für die elektrische Energieerzeugung verloren geht. Die gute Kühlung der Solarzellen sorgt zudem für einen hohen Umwandlungs-Wirkungsgrad.
Einen weiteren Vorteil für den kühlungstechnischen Betrieb bietet das erfindungsgemäße Vorsehen wenigstens zweier strömungstechnisch parallel geführter Kühlmittelflüsse in der Strahlungsemissions- oder empfangsanordnung. Damit wird es möglich, den Druckverlust gegenüber dem rein seriellen Kühlmittelfluss im Stand der Technik bereits um bis zur Hälfte abzusenken. Das Vorsehen weiterer, strömungstechnisch parallel geführter Kühlmittelflüsse kann den Druckverlust demgegenüber weiter reduzieren.
Idealerweise werden möglichst viele, bevorzugt abwechselnd jedes zweite, besonders bevorzugt jedes, Diodenlaserbauelement einer Strahlungsemissionsanordnung mit einer strömungstechnisch parallelen Kühlmittelzufuhr und einer strömungstechnisch parallelen Kühlmittelabfuhr versehen.
Das erfindungsgemäße Vorliegen von Kühlmittelflusspassagen zwischen den Wärmeabgabeabschnitten von Wärmeleitkörpern benachbarter Halbleiterbaugruppen gestattet es in diesem Zusammenhang beispielsweise, zumindest eine der Kühlmittelflusspassagen zwischen benachbarten Halbleiterbaugruppen für eine Kühlmittelaufnahme und/oder -abgabe aus der beziehungsweise an die gegenüber der Strahlungsemissionsanordnung rückwärtig angeordneten Kühlmittelzu- und abführeinrichtung vorzusehen. Alternativ oder optional können die Wärmeleitkörper rückwärtige Öffnungen aufweisen, die mit den Kühlkanälen in Verbindung stehen und Kühlmittel von der Kühlmittelzu- und abführeinrichtung aufnehmen und/oder an diese abgeben.
Mit der erfindungsgemäßen Kühlmittelzu- und abführeinrichtung lässt sich vorteilhaft sowohl die Kühlmittelverteilung auf die Kühlkanäle der Diodenlaserbauelemente als auch die Kühlmittelsammlung von den Kühlkanälen der Diodenlaserbauelemente außerhalb des von den Wärmeleitkörpern belegten Bereiches im Diodenlaserstapel durchführen. Verbunden damit ist eine vorteilhafte Einsparung an Wärmeleitkörpermaterial und die vorteilhafte Beschränkung des Druckverlustes, insbesondere bei einer Vielzahl von Diodenlaserbauelementen, beispielsweise mehr als zehn, im Diodenlaserstapel, auf minimal desjenigen Wertes, den ein einzelnes Diodenlaserbauelement besitzt.
In vorteilhafter Weise sind damit theoretisch Diodenlaserstapel und -reihen mit einer unbegrenzter Anzahl von Diodenlaserbauelementen herstellbar. Ebenso kann eine prinzipiell eine theoretisch unbegrenzte Anzahl von Diodenlaserstapeln nebeneinander angeordnet werden, wenn die Kühlmittelzu- und abführeinrichtung in einer Abstrahlungsrichtung entgegengesetzten Richtung bezüglich der Strahlungsemissionsanordnung angeordnet ist.
Vorzugsweise existiert eine elektrisch leitende Verbindung von einer zweiten elektrischen Kontaktfläche des Laserdiodenelementes mit der ersten elektrischen Kontaktfläche eines Laserdiodenelementes eines in benachbarten Diodenlaserbauelementes. Vorzugsweise ist die elektrische Verbindung seriell, weniger bevorzugt parallel. Kombinationen paralleler und serieller elektrischer Verbindung verschiedener Laserdiodenelemente und/oder Diodenlaserbauelemente sind ebenfalls denkbar.
Zur weiteren Beschreibung der Erfindung wird fortan – ohne den Umfang der Erfindung zu beschränken – davon ausgegangen, dass die erste und die zweite Kontaktfläche auf unterschiedlichen, einander gegenüberliegenden, Seiten eines kantenemittierenden Laserdiodenelementes angeordnet sind und die Strahlungsemissionsfläche des kantenemittierenden Laserdiodenelementes zwischen den beiden Kontaktflächenebenen senkrecht zur ersten und zweiten Kontaktfläche orientiert angeordnet ist, womit die Abstrahlungsrichtung parallel zur Normalen zur Strahlungsemissionsfläche ausgerichtet ist.
Weiterhin wird davon ausgegangen, dass die Wärmeaufnahmefläche – und damit auch die erste und zweite Kontaktfläche – jeweils senkrecht zur Stapelrichtung orientiert sind, das heißt: Ihre Normalen sind parallel zur Stapelrichtung. Gleichwohl sind erfindungsgemäß auch geneigte Orientierungen zulässig.
Schließlich wird eine Beschränkung auf eine einzige Stapelrichtung vorgenommen, wiewohl erfindungsgemäß auch mehrere Stapelrichtungen durch zueinander in Winkeln von betragsmäßig kleiner als 45° zueinander positiv oder negativ geneigter Wärmeaufnahmeflächen benachbarter Diodenlaserbauelemente möglich sind.
Das kantenemittierende Laserdiodenelement ist vorzugsweise ein Laserdiodenbarren mit einer Vielzahl – beispielsweise mehr als vier – in zur ersten Kontaktfläche paralleler Breitenrichtung nebeneinander angeordneten Emittern.
Weniger bevorzugt ist das kantenemittierende Laserdiodenelement eine Laserdiode mit einem oder wenigen Emittern. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass sich die Abmessungen von Laserdioden gegenüber Laserdiodenbarren in der Regel dadurch unterscheiden, dass Laserdioden in lateraler Richtung eine Breite aufweisen, die geringer ist als ihre Länge in Resonator-Längsrichtung. Bei Laserdiodenbarren gilt Umgekehrtes.
Erfindungsgemäß ist das Laserdiodenelement an der Wärmeaufnahmefläche des Wärmeaufnahmeabschnittes befestigt. Dabei kann seine erste elektrische Kontaktfläche eine elektrisch leitende Verbindung mit der Wärmeaufnahmefläche eingehen, wenn diese auf einem elektrisch leitfähigen Bereich des Wärmeaufnahmeabschnitts angeordnet ist. Die Befestigung ist vorzugsweise stoffschlüssig und weist vorzugsweise wenigstens eine metallische Lotfuge zwischen der Wärmeaufnahmefläche und der ersten elektrischen Kontaktfläche auf.
Ist der Wärmeaufnahmeabschnitt zumindest im Bereich der Wärmeaufnahmefläche nicht elektrisch leitfähig so kann die Stromzufuhr zu der ersten Kontaktfläche, wie in der Offenlegungsschrift EP 0 766 354 A1 vorgeschlagen, über eine Metallfolie erfolgen, die zwischen der Wärmeaufnahmefläche und der ersten elektrischen Kontaktfläche angeordnet ist.
Existiert eine elektrisch leitender Verbindung von der zweiten elektrischen Kontaktfläche des Laserdiodenelementes mit der ersten elektrischen Kontaktfläche eines Laserdiodenelementes eines in Stapelrichtung benachbarten Diodenlaserbauelementes, so ist diese vorzugsweise kraftschlüssig oder stoffschlüssig und kann ein elektrisch leitendes Verbindungselement aufweisen, dass zumindest an der zweiten elektrischen Kontaktfläche stoffschlüssig mittels eines elektrisch leitfähigen Fügemittels befestigt ist. Der Anschluss des elektrisch leitfähigen Verbindungselementes kann kraft- oder stoffschlüssig an einer elektrisch leitfähigen Anschlussfläche des benachbarten Wärmeleitkörpers erfolgen, die in elektrisch leitender Verbindung mit der Wärmeaufnahmefläche dieses benachbarten Wärmeleitkörpers steht.
Andererseits kann das elektrisch leitende Verbindungselement die oben genannte Metallfolie bilden, die abschnittsweise zwischen der ersten Kontaktfläche des nunmehr im Stapel benachbarten Laserdiodenelementes und der Wärmeaufnahmeaufnahmefläche des benachbarten Wärmeleitkörpers angeordnet ist.
Nichtsdestoweniger kann die elektrische Verbindung auch ohne Beteiligung eines elektrisch leitfähigen Verbindungselementes beispielsweise stoffschlüssig unter Beteiligung eines Lotes über eine Gegenfläche des benachbarten Wärmeleitkörpers erfolgen, die in elektrisch leitender Verbindung mit der Wärmeaufnahmefläche dieses benachbarten steht und der zweiten elektrischen Kontaktfläche des Laserdiodenelementes gegenüberliegt.
Die Materialien für den Wärmeleitkörper sind prinzipiell frei wählbar unter der Maßgabe, dass eine elektrische Kontaktierung und gegebenenfalls elektrische Verbindung der Laserdiodenelemente im Diodenlaserstapel gewährleistet ist.
Der Wärmeleitkörper kann beispielsweise vollständig aus elektrisch isolierendem Material bestehen, wenn zwischen der Wärmeaufnahmefläche und dem Laserdiodenelement ein elektrisch leitfähiger Bereich vorliegt.
Mit einem Wärmeleitkörper aus elektrisch isolierenden Material kann dem Anliegen einer Potentialdifferenz im Kühlmittel vorgebeugt werden, womit das Kühlmittel auch elektrisch leitfähig sein kann.
Besteht der Wärmeleitkörper vollständig aus elektrisch leitfähigem Material, so kann es an einer elektrischen Verbindung zwischen der ersten und zweiten Kontaktfläche benachbarter Laserdiodenelemente beteiligt sein. Tritt das Kühlmittel in Kontakt mit elektrischem Potential tragenden Bereichen, so ist im Falle von Wasser als Kühlmittel die Begrenzung seiner elektrischen Leitfähigkeit auf unter 20 mS/cm anzuraten.
Überdies kann der Wärmeleitkörper aus einem oder mehreren Materialien bestehen. Mehrere Materialien können schichtweise oder regellos in einem Verbundkörper oder Verbundwerkstoff, beispielsweise in einem Metall-Matrix-Komposit, kombiniert sein. Vorzugsweise werden Materialien verwendet, deren Wärmeleitfähigkeit größer ist als das des Laserdiodenelementes. Besonders bevorzugt stammt ein verwendetes Material aus der Gruppe von Kupfer, Silber, Gold, Aluminium, Molybdän, Wolfram, Aluminiumnitrid, Berylliumoxid, Siliziumkarbid, Graphit, Bornitrid und Diamant.
Besonders bevorzugt besteht der Wärmeleitkörper aus wenigstens einem hoch wärmeleitfähigen Material, dessen Wärmeleitfähigkeit gleich groß oder größer als die von Kupfer ist. Beispielsweise kann der Wärmeleitkörper überwiegend aus CVD-Diamant bestehen, dessen Wärmeleitfähigkeit größer als 1000 W/m/K ist.
Vorzugsweise besteht der Wärmeleitkörper aus wenigstens einem Material, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient nicht mehr als 50% von dem des Laserdiodenelementes abweicht. Beispielsweise kann der Wärmeleitkörper aus Berylliumoxid (7,8 ppm/K, 280 W/m/K) oder einem Silber-Diamant-Verbundwerkstoff (7 ppm/K, 550 W/m/K) gefertigt sein, wenn das Laserdiodenelement überwiegend aus Galliumarsenid (6,5 ppm/K besteht.
Weicht der thermische Ausdehnungskoeffizient des Wärmeleitkörpers um mehr als 50% von dem des Laserdiodenelementes ab, so kann der Wärmeleitkörper Ausnehmungen aufweisen, die dem Wärmeleitkörper eine strukturelle Nachgiebigkeit verleihen und bei einer thermisch unterstützen Verbindung mit dem Laserdiodenelement die fügebedingten thermomechanischen Spannungen unter einer gewissen Schädigungsschwelle halten ( DE 197 01 680 A1 ). Dabei können wenigstens einige dieser Ausnehmungen zumindest abschnittsweise die erfindungsgemäßen Wärmeabgabeflächen aufweisen und für die Kühlmittelführung vorgesehen sein.
Der Wärmeaufnahmeabschnitt, der Wärmeleitabschnitt und der Wärmeabgabeabschnitt können aus ein- und demselben Material, aus mehreren gleichen Materialien oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen. So kann es im Sinne einer benötigten elektrischen Verbindung zwischen Ober- und Unterseite des Wärmeleitkörpers vorteilhaft sein, dass der Wärmeaufnahmeabschnitt aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht. Im Sinne einer geforderten elektrischen Isolierung der elektrischen Verbindung gegenüber dem Kühlmittel ist es vorteilhaft, wenn wenigstens der Wärmeleitabschnitt oder der Wärmeabgabeabschnitt aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen oder – für den Fall, dass beide aus elektrisch leitfähigem Material bestehen, wenigstens einer der Abschnitte mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen ist.
Da sich der Wärmeabgabeabschnitt vollständig außerhalb der zur Aufnahmefläche senkrechten Wärmequellenprojektion des kantenemittierenden Laserdiodenelementes befindet, sind keine kühlmittelführenden Ausnehmungen unterhalb des kantenemittierenden Laserdiodenelementes im Wärmeleitkörper vorhanden. Damit kann der Wärmefluss zum einen ungehindert vom Wärmeaufnahmeabschnitt in den Wärmeabgabeabschnitt umgelenkt werden.
Die erfindungsgemäßen Ausnehmungen sind einfach herstellbar und ermöglichen einen einfachen und effizienten Kühlmittelstrom durch den Wärmeabgabeabschnitt.
Ist der Wärmeleitkörper vorzugsweise als Wärmeleitplatte ausgebildet, so sind die Aufnahmefläche und die erste Außenfläche beispielsweise auf der Plattenoberseite angeordnet und die Gegenfläche und die zweite Außenfläche auf der Plattenunterseite. Die Dickenrichtung der Platte erstreckt sich dabei in Stapelrichtung von der Plattenoberseite zur Plattenunterseite. Damit erstrecken sich die Ausnehmungen erfindungsgemäß in Dickenrichtung.
Eine oder mehrere Ausnehmungen können (a) im Wärmeleitkörper abseits der Außenflächen als abgeschlossener Kühlkanal angeordnet sein oder (b) als offener Kühlkanal in Form einer Nut in die Außenflächen eingebracht sein. Die erfindungsgemäße Öffnung gehört im Fall (a) zu einer zweiten Ausnehmung, die in die Außenfläche eingebracht ist und mit der erfindungsgemäßen Ausnehmung in Verbindung steht.
Im Fall (b) gehört die erfindungsgemäße Öffnung zur erfindungsgemäßen Ausnehmung. Sowohl die erfindungsgemäße Ausnehmung im Fall (b) als auch die zweite Ausnehmung im Fall (a) können sich ganz oder abschnittsweise vollständig durch den Wärmeabgabeabschnitt von der ersten Außenfläche bis zur zweiten Außenfläche hindurch in Form von Durchbrüchen erstrecken.
Prinzipiell sind die erfindungsgemäßen Ausnehmungen nicht auf eine bestimmte Gestalt beschränkt. Vorzugsweise ist die Gestalt prismatisch, wobei der Querschnitt nicht auf eine bestimmte Form beschränkt ist. Die Ausnehmungsform kann rund, elliptisch, dreieckig, quadratisch, rechteckig usw. sein. Der Querschnitt der Ausnehmungen kann sich in Dickenrichtung ändern. So sind zum Beispiel Keile oder Kegelstümpfe mögliche Gestalten der Ausnehmungen, z. B. wenn sie mittels Ätzen oder Laserschneidens hergestellt werden. Zwei oder mehr Ausnehmungen können zu einem gemeinsamen, verzweigten Ausnehmungsmuster vereinigt sein. Beispielsweise können zwei Ausnehmungen mit rechteckigem Querschnitt ein L-, V-, X-, N- oder T-förmiges Ausnehmungsmuster bilden; drei Ausnehmungen mit rechteckigem Querschnitt können ein U-, H-, K-, M- oder F-förmiges Ausnehmungsmuster bilden und so fort. Mehrere gleiche oder verschiedene Ausnehmungsmuster können im Wärmeabgabeabschnitt vorliegen.
Eine oder mehrere Ausnehmungen können sich ganz oder abschnittsweise vollständig durch den Wärmeabgabeabschnitt von der ersten Außenfläche bis zur zweiten Außenfläche hindurch in Form von Durchbrüchen erstrecken. Für die möglichen Ausgestaltungen der Durchbrüche gilt das zu den Ausnehmungen Gesagte in entsprechender Analogie. An Stelle der Form eines Kegelstumpfes kann ein Durchbruch beispielsweise somit auch als Doppelkegelstumpf ausgebildet sein.
Die Durchbrüche und/oder Ausnehmungen können eine geschlossene Wandung aufweisen oder eine Wandung die abschnittsweise an einer oder mehreren Stellen unterbrochen ist. Beispielsweise können sich mehrere rechteckige Durchbrüche von der Plattenoberseite zur Plattenunterseite erstrecken und dabei bis an die von dem Wärmeaufnahmeabschnitt abgewandten Rückfläche der Wärmeleitplatte reichen. Damit wird einen offene Kühlrippenstruktur gebildet, bei der sich die Kühlrippen entgegen der Abstrahlungsrichtung von dem Wärmeaufnahmebereich weg erstrecken und die von der Rückfläche her in Richtung des Wärmeaufnahmeabschnitts mit einem Kühlmittel beströmt werden kann.
Die erfindungsgemäße Dichtung ist prinzipiell nicht auf eine bestimmte Art der Dichtung oder auf eine bestimmte Weise der Abdichtung beschränkt. Sie auf irgendeiner Art der Verbindung, beispielsweise einer stoff- oder kraftschlüssigen, beruhen und zur Abdichtung mit oder ohne Hilfsmittel auskommen. Eine Dichtung kann beispielsweise auf der direkten Adhäsion zwischen einander gegenüberliegenden Dichtflächen zweier benachbarter Wärmeleitkörper beruhen.
Hilfsmittel zur erfindungsgemäßen Abdichtung sind grundsätzlich nicht auf bestimmte Hilfsmittel beschränkt. So kann es sich bei den Hilfsmitteln um Platten, Folien, Ringe oder Wülste handeln, die zu einem Einschluss des Kühlmittels beitragen. Diese Dichtkörper können elektrisch leitfähig, vorzugsweise elektrisch isolierend sein. Sie können aus Kunststoff, Metall oder Keramik gefertigt sein, beispielsweise aus einem Elastomer. Alternativ oder optional ist der Einsatz von Fügemitteln zur Dichtung möglich. Zu diesen dichtenden Fügemitteln zählen Gläser, Lote und Klebstoffe. Die Klebstoffe können elektrisch leitfähig, vorzugsweise elektrisch isolierend sein.
Über die erfindungsgemäße Anordnung der Dichtung zwischen den Wärmeleitkörpern benachbarter Diodenlaserbauelemente hinaus ist der weitere Verlauf der Dichtung nicht prinzipiell beschränkt unter der Maßgabe, dass sie zu einem Einschluss des Kühlmittels in der Weise beiträgt, dass ein Austritt des Kühlmittels im Diodenlaserstapel unterbunden wird.
So ist ein weiterer Verlauf der Dichtung sowohl auf der Plattenoberseite und/oder der Plattenunterseite als auch alternativ oder optional über zu den Plattenober- und Unterseiten geneigten und zwischen den Ober- und Unterseitenebenen angeordneten Plattenseitenflächen möglich sowie auch alternativ oder optional über die von dem Wärmeaufnahmeabschnitt abgewandten Rückfläche der Wärmeleitplatte.
So kann die Dichtfläche zum Beispiel derart auf dem Übergangsabschnitt angeordnet sein, dass sie einen Wärmefluss von dem Wärmeaufnahmeabschnitt zu dem Wärmeabgabeabschnitt vollumfänglich umringt. Die Orientierung der Dichtflächennormalen kann sowohl senkrecht zur Abstrahlungsrichtung, das heißt beispielsweise abschnittsweise parallel zur Stapelrichtung, als auch parallel oder antiparallel (entgegengesetzt) zur Abstrahlungsrichtung sein. Die letztere Variante kann durch einen als Dichtflansch ausgebildeten Übergangsabschnitt ermöglicht werden.
Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es damit in vorteilhafter Weise möglich, einen Austausch eines Diodenlaserbauelementes vorzunehmen, indem es aus dem Stapelverbund entfernt wird ohne die übrigen Diodenlaserbauelemente aus dem Stapelverbund herauszulösen. Ein Lösen der Dichtung geht dabei mit einer Bewegung des Diodenlaserbauelementes in Abstrahlungsrichtung einher, die von keinem anderen Diodenlaserbauelement des Stapels beschränkt wird.
Gegebenenfalls ist die Aufnahmefläche gegenüber einer oberseitigen Hauptfläche der Wärmeleitplatte und/oder die Gegenfläche gegenüber einer unterseitigen Hauptfläche in Plattendickenrichtung zueinan der versetzt angeordnet, beispielsweise indem die Plattenoberseite und/oder die Plattenunterseite stufenförmig ausgebildet ist.
Vorzugsweise ist dabei der Wärmeaufnahmeabschnitt der Wärmeleitplatte sowohl in Dicke und Breite größer als der Wärmeabgabeabschnitt der Wärmeleitplatte, wobei der Übergang vom Wärmeaufnahmeabschnitt zum Wärmeabgabeabschnitt stufenartig über eine geneigte, vorzugsweise senkrecht mit ihrer Normalen entgegen der Abstrahlungsrichtung orientierte, die Platte vollumfänglich umgebende, Übergangsfläche erfolgt, die als erfindungsgemäße Dichtfläche dient.
Umgekehrt können auch Breite und Dicke des Wärmeabgabeabschnittes größer sein als diejenigen des Wärmeaufnahmeabschnittes, wobei die Übergangsfläche mit ihrer Normalen in Abstrahlungsrichtung orientiert die Dichtfläche bildet.
Darüber hinaus kann die größte Breite und Dicke auf einen Übergangsabschnitt zwischen Wärmeaufnahme- und Wärmeabgabeabschnitt beschränkt sein, dessen über den Wärmeaufnahme- und Wärmeabgabeabschnitt hervorragenden Bereiche sowohl auf ihrer dem Laserdiodenelement zugewandten als auch auf ihrer dem Laserdiodenelement abgewandten Seite als Dichtflächen verwendet werden können.
Alternativ oder optional können an dem Wärmeleitkörper in einem Übergangsgebiet zwischen Wärmeaufnahmeabschnitt und Wärmeabgabeabschnitt angebrachte Hilfskörper zur Bildung einer Dichtfläche beitragen. So kann beispielsweise ein Ring aufgeschrumpft sein, dessen zwischen der inneren und der äußeren Mantelfläche gelegenen Grundfläche eine Dichtfläche bilden kann.
Mischvarianten zwischen dieser und der vorhergehenden sehen vor, dass entweder die Breite oder die Dicke eines der benannten Wärmeleitkörperabschnitte größer ist als der des anderen und derjenige Wärmeleitkörperabschnitt, dessen Querschnitt größer ist, zwei einander gegenüberliegend an den Übergangsbereich zum anderen Wärmeleitkörperabschnitt angrenzende montierte Hilfskörper aufweist, die zu einer Vergrößerung der komplementären Erstreckung – Dicke oder Breite – beiträgt. Die Dichtfläche ist dann abwechselnd aus den Teildichtflächen des betreffenden Wärmeleitkörperabschnittes und Teildichtflächen der Hilfskörper zusammengesetzt.
Eine weitere Variante zur Ausbildung der Dichtung sieht einen Zusatzkörper vor, der zwischen dem Wärmeaufnahmeabschnitt und dem Wärmeabgabeabschnitt angeordnet ist und über den Wärmeaufnahmeabschnitt und Wärmeabgabeabschnitt miteinander stoffschlüssig verbunden sind. Dabei ragt der Zusatzkörper allseitig über wenigstens einen der Wärmeleitkörperabschnitte in dessen Breiten und Dickenrichtung hervor. Die hervorragenden Bereiche können ihrerseits sowohl auf ihrer dem Laserdiodenelement zugewandten als auch auf ihrer dem Laserdiodenelement abgewandten Seite als Dichtflächen verwendet werden.
Im einfachsten Fall jedoch ist die Dichtfläche den Wärmeleitkörper umlaufend in einem Übergangsbereich zwischen Wärmeaufnahmeabschnitt und Wärmeabgabeabschnitt gebildet, ohne dass einer der Wärmeleitkörperabschnitte hinsichtlich seiner Breite und Dicke gegenüber dem anderen Wärmeleitkörperabschnitt unterschiedlich ist, wobei die Normale der Dichtfläche stets senkrecht zur Abstrahlungsrichtung orientiert ist.
Erfindungsgemäß erfolgt eine strömungstechnisch parallele Kühlmittelzufuhr zu einer ersten und wenigstens einer zweiten Gruppe von Diodenlaserbauelementen. Vorzugsweise ist die Anzahl von strömungstechnisch parallel durchflossenen Gruppen größer als zwei. Vorzugsweise erfolgt sie strömungstechnisch parallele Kühlmittelzufuhr zu jedem zweiten der Diodenlaserbauelemente und wenigstens eine strömungstechnisch parallele Kühlmittelabfuhr von wenigstens jedem zweiten der Diodenlaserbauelemente. Zur Veranschaulichung eines solchen bevorzugten Verlaufes des Kühlmittelströmung durch einen Diodenlaserstapel mit 10 Diodenlaserbauelementen wird jedes Diodenlaserbauelement des Stapels in Stapelrichtung fortlaufend mit einer Nummer versehen. Die Diodenlaserbauelemente werden sodann in zwei Scharen aufgeteilt: Eine erste Schar mit ungeraden Nummern und eine zweite Schar mit geraden Nummern. Damit sind Diodenlaserbauelemente der ersten Schar einander jeweils übernächst benachbart und durch jeweils ein Diodenlaserbauelement der zweiten Schar von der unmittelbaren Nachbarschaft getrennt. Ebenso sind Diodenlaserbauelemente der Schar Gruppe einander jeweils übernächst benachbart und durch jeweils ein Diodenlaserelement der Schar Gruppe von der unmittelbaren Nachbarschaft getrennt. Jedem Diodenlaserbauelement der ersten Schar sind (mit Ausnahme der Nr. 1) parallel und antiparallel zur Stapelrichtung jeweils ein Diodenlaserbauelement der zweiten Gruppe unmittelbar (direkt) benachbart. Jedem Diodenlaserbauelement der zweiten Schar sind parallel und antiparallel zur Stapelrichtung jeweils ein Diodenlaserbauelement der ersten Gruppe unmittelbar (direkt) benachbart.
Erfindungsgemäß erfolgt beispielsweise eine parallele Kühlmittelzufuhr zu jedem Diodenlaserbauelement der ersten Schar von Diodenlaserbauelementen und eine parallele Kühlmittelabfuhr von jedem Diodenlaserbauelement der zweiten Schar von Diodenlaserbauelementen. Dabei wird das Kühlmittel im Stapel von den Diodenlaserbauelementen der ersten Schar zu den benachbarten Diodenlaserbauelementen der zweiten Schar strömungstechnisch seriell überführt. Die erfindungsgemäße Dichtung verhindert dabei ein Austreten des Kühlmittels.
Umgekehrt kann natürlich auch eine parallele Kühlmittelzufuhr zu jedem Diodenlaserbauelement der zweiten Schar von Diodenlaserbauelementen und eine parallele Kühlmittelabfuhr von jedem Diodenlaserbauelement der ersten Schar von Diodenlaserbauelementen erfolgen.
Die Anzahl von erfindungsgemäß strömungstechnisch parallel durchflossenen Gruppen von Diodenlaserbauelementen entspricht der Gesamtzahl von Diodenlaserbauelementen (10) dividiert durch die Anzahl strömungstechnisch seriell durchflossener Scharen (2), nämlich: fünf. Die Gruppenstärke von erfindungsgemäß strömungstechnisch parallel durchflossenen entspricht einer Anzahl von Diodenlaserbauelement in Höhe der Scharenanzahl – sprich: zwei.
Eine solche Anordnung hat den Vorteil, dass Zu- und Ablauföffnungen der Kühlmittelzu- und abführeinrichtung größer und mit größerem Abstand zueinander ausgebildet sein können als bei paralleler Kühlmittelzu- und abfuhr zu jedem der Diodenlaserbauelemente im Stapel.
Nichtsdestoweniger kann selbstverständlich erfindungsgemäß sowohl die Kühlmittelzufuhr strömungstechnisch parallel zu jedem der Diodenlaserbauelemente als auch die Kühlmittelabfuhr strömungstechnisch parallel von jedem der Diodenlaserbauelemente erfolgen. Dabei kann zum Beispiel ein Zwischenraum zwischen einander benachbarten Diodenlaserbauelementen für den Kühlmittelfluss vorgesehen sein. Wird beispielsweise das Kühlmittel rückwärtig in jedes der Diodenlaserelemente eingespeist, so kann es über die Zwischenräume den Stapel wieder verlassen, und umgekehrt. Die erfindungsgemäße Dichtung verhindert dabei ein Austreten des Kühlmittels.
Weiterhin kann sich das Kühlmittel in jedem Diodenlaserbauelement in zwei Portionen aufteilen, die in einander gegenüberliegende Zwischenräume abfließen und sich dort mit den Kühlmittelportionen der benachbarten Diodenlaserbauelemente vereinigen.
Darüber hinaus ist es möglich, die Zwischenräume sowohl an der Kühlmittelzufuhr zu den Diodenlaserelementen als auch zur Kühlmittelabfuhr von den Diodenlaserelementen zu beteiligen. Dies kann einerseits unter Beibehaltung des Kühlmittelstroms oder andererseits unter Aufteilung des Kühlmittels in zwei Portionen erfolgen. Dabei kann das Kühlmittel durch Durchbrüche in den Wärmeabgabeabschnitten der Diodenlaserbauelemente hindurch fließen, um in den benachbarten Zwischen auf der gegenüberliegenden Seite zu gelangen.
Schließlich können die Zwischenräume genutzt werden, um eine Strömungsumkehr im Diodenlaserstapel herbeizuführen. Dazu liegen beispielsweise in jedem Diodenlaserbauelement eine erste Gruppe von Ausnehmungen und eine zweite Gruppe von Ausnehmungen vor. Das Kühlmittel fließt in der ersten Gruppe von Ausnehmung in Abstrahlungsrichtung durch den Wärmeabgabeabschnitt, in einen oder beide benachbarten Zwischenräume und von dort in die zweite Gruppe von Ausnehmungen, die es entgegen der Abstrahlungsrichtung durchströmt.
Die erfindungsgemäße Dichtung verhindert dabei ein Austreten des Kühlmittels.
Erfindungsgemäß trägt die Kühlmittelzu- und abführeinrichtung zur strömungstechnisch parallelen Kühlmittelverteilung auf die Kühlkanäle der strömungstechnisch parallel geschalteten Gruppen von Diodenla serbauelementen als auch zur Kühlmittelsammlung von den Kühlkanälen der strömungstechnisch parallel geschalteten Gruppen von Diodenlaserbauelementen bei. Dazu kann die Kühlmittelzu- und abführeinrichtung abschnittsweise als Kühlmittelverteilungseinheit und Kühlmittelsammeleinheit ausgebildet sein.
Beide Einheiten können als eine Kühlmittelführungseinheit zusammengefasst sein.
Erfindungsbedingt ist es vorteilhafterweise möglich, die Kühlmittelführungseinheit gänzlich auf der der Strahlungsemission entgegengesetzten Seite des Diodenlaserstapels anzuordnen. Damit sind prinzipiell nicht nur nahezu unbegrenzte Stapelhöhen möglich, sondern auch die Feldanordnung mehrerer, prinzipiell nahezu beliebig vieler Diodenlaserstapel nebeneinander möglich.
Dabei kann die Kühlmittelführungseinheit eine Kammer mit einer Aufnahmeöffnung aufweisen, über die die Wärmeabgabeabschnitte der Diodenlaserbauelemente in die Kammer eingebracht sind. Ein zur Dichtfläche am Wärmeleitkörper korrespondierende Gegendichtfläche, über die erfindungsgemäße Dichtung zum einem Verschluss der Kammer gebildet wird, kann abschnittsweise auf der Kühlmittelführungseinheit angeordnet sein. Beispielsweise kann sie im Randbereich der Aufnahmeöffnung der Kammer angeordnet sein und Aufnahmeöffnung außenseitig umgeben oder kammerinnenwändig begrenzen. Dabei kann der Diodenlaserstapel an sich abschnittsweise in die Kammer eingebracht sein oder jedes einzelne Diodenlaserbauelement abschnittsweise in eine eigene Kammer. Trennwände zwischen benachbarten Kammern können dabei einen Teil der erfindungsgemäßen Dichtung zwischen benachbarten Diodenlaserbauelementen bilden.
Wärmequellenseitig weist die Kammer wenigstens einen erfindungsgemäßen (inneren) Kühlmittelauslass zur Kühlmittelversorgung der Diodenlaserbauelemente beziehungsweise des Diodenlaserstapels auf sowie wenigstens einen erfindungsgemäßen (inneren) Kühlmitteleinass zur Kühlmittelaufnahme von den Diodenlaserbauelementen beziehungsweise dem Diodenlaserstapel.
Die Kammer weist wärmesenkenseitig Öffnungen oder Durchbrüche zu einem äußeren Kühlmitteleinlass und Kühlmittelauslass der Kühlmittelführungseinheit auf, über die die Kammer mit einem strömenden Kühlmittel versorgt werden und über die das strömende Kühlmittel aus der Kammer entweichen kann. Liegen mehrere Kammern für die Wärmeabgabeabschnitte mehrerer Wärmeleitkörper von Laserdiodenelementen in einer Stapel-, Reihen- oder Feldanordnung vor, so kann jede Kammer jeweils einen ersten Durchbruch zu einem den mehreren Kammern gemeinsamen Kühlmittelzuführkanal aufweisen, der einen äußeren Einlass besitzt, sowie jeweils einen zweiten Durchbruch zu einem den mehreren Kammern gemeinsamen Kühlmittelabführkanal aufweisen, der einen Auslass besitzt.
In analoger Weise kann eine Kammer, die die Wärmeabgabeabschnitte mehrerer Wärmeleitkörper aufnimmt, mehrere erste Durchbrüche zu einem gemeinsamen Kühlmittelzuführkanal aufweisen, der einen äußeren Einlass besitzt, sowie mehrere zweite Durchbrüche zu einem gemeinsamen Kühlmittelabführkanal, der einen äußeren Auslass besitzt.
Das Kühlmittel kann sowohl gasförmig oder flüssig sein. Insbesondere ist wahlweise der Einsatz eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels möglich. Es kann außerdem auch beide Phasen gemischt aufweisen, beispielsweise als Dampf oder Gasblasen in einer Flüssigkeit. Ein Phasenübergang eines Kühlmittels von einer flüssigen zu einer gasförmigen Phase bei der Aufnahme der Wärme in den erfindungsgemäßen Ausnehmungen ist ebenfalls möglich.
In diesem Sinne kann die Kühlmittelströmung in der Strahlungsemissionsanordnung und der Kühlmittelzu- und -abführeinrichtung abgeschlossen und frei erfolgen, so dass die Strahlungsquelle als Wärmerohr ausgebildet ist, in dem eine Kühlflüssigkeit in den Ausnehmungen verdampft und die Strahlungsemissionsanordnung über die Kühlmittelflusspassagen in Dampfform verlässt. Der Kühlmitteldampf kondensiert in der Kühlmittelzu- und -abführeinrichtung und wird in flüssiger Form durch Kapillarkräfte aus der Kühlmittelzu- und -abführeinrichtung zurück in die erfindungsgemäßen Ausnehmungen der Strahlungsemissionsanordnung gezogen.
Andererseits kann die Kühlmittelströmung durch äußere Mittel erzwungen werden. Für gasförmige Kühlmittel können sowohl Lüfter als den Gasdruck erhöhenden Pumpen verwendet werden. Für flüssige Kühlmittel können je nach Durchfluss (Kühlmitteldurchsatzvolumen pro Zeiteinheit), Druckverlust über die Strahlungsquelle, Temperatur sowie Viskosität, Dichte und sonstigen Eigenschaften des Kühlmittels verschiedene Pumpen verwendet werden. Der Vollständigkeit wird auf die Möglichkeit des Einsatzes flüssiger Metalle als Kühlmittel verwiesen, die die Verwendung einer magneto-hydrodynamischer Pumpe nahelegen.
Beispiele für gasförmige Kühlmittel sind Luft, Stickstoff, Argon und ihre Gemische, Beispiele für flüssige nichtmetallische Kühlmittel sind Wasser, Glykol, Ethanol, Methanol, Ammoniak und ihre Gemische, Beispiele für flüssige metallische Kühlmittel sind Quecksilber, Gallium und eutektische Gemische von Gallium, Indium und Zinn sowie Natrium und Kalium.
Die erfindungsgemäße Strahlungsquelle erlaubt überdies ein vorteilhaftes Verfahren zur ihrer Inbetriebnahme und zum Testen einzelner erfindungsgemäßer Halbleiterbaugruppen vor der Herstellung der erfindungsgemäßen Strahlungsemissionsanordnung aus mehreren dieser Halbleiterbaugruppen.
Dazu wird die betreffende Halbleiterbaugruppe jeweils separat an eine Kühlmittelzu- und abführeinrichtung angeschlossen, die zusammen mit der Halbleiterbaugruppe Teil eines Kühlmittelkreislaufes ist. Über die erfindungsgemäße Dichtfläche am Wärmeleitkörper der Halbleiterbaugruppe erfolgt zumindest abschnittsweise eine Dichtung, die zu einem Einschluss des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf beiträgt.
Danach werden Funktionstests des strahlungsemittierenden Halbleiterbauelementes durchgeführt, indem die Halbleiterbaugruppe an eine Stromquelle angeschlossen wird und mindestens ein physikalischer Parameter des strahlungsemittierenden Halbleiterbauelementes in Form eines Messwertes erfasst wird. Zu diesen Parametern zählen beispielsweise der elektrische Betriebsstrom, die elektrische Betriebsspannung, die emittierte Strahlungsleistung sowie das Spektrum und das räumliche Profil der emittierten Strahlung.
Diese Funktionstests können wiederholt durchgeführt werden, beispielsweise in zeitlichen Abständen, die dazu genutzt werden, die Halbleiterbaugruppe testweise zu betreiben. Mit den aus dem Funktionstest gewonnen Parametern kann die Eignung der Halbleiterbaugruppe hinsichtlich ihrer Verwendung in der Strahlungsquelle eingeschätzt und die Halbleiterbaugruppe selbst bewertet werden. Diese Qualifizierungsprozedur gestattet es, aus einer Vielzahl von getesteten Halbleiterbaugruppen nur diejenigen für die Strahlungsemissionsanordnung auszuwählen, die den im Anwendungsbetrieb an die Strahlungsquelle gestellten Anforderungen im Ganzen genügen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.
Dazu zeigen
1a eine schematische Schrägansicht auf den Wärmeleitkörper der ersten Variante eines Diodenlaserbauelementes eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle,
1b eine schematische Schrägansicht auf die erste Variante des Diodenlaserbauelementes des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle in teilweiser Explosionsdarstellung,
1c eine schematische Schrägansicht auf eine zweite Variante eines Diodenlaserbauelementes des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle,
1d eine schematische Schrägansicht einer Explosionsdarstellung einer Kühlmittelzu- und abführeinrichtung des ersten und eines siebten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle,
1e eine schematische Querschnittsansicht eines Ausschnitts der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle des ersten Ausführungsbeispiels mit Diodenlaserbauelementen der ersten Variante,
2a eine schematische Schrägansicht einer Explosionsdarstellung von einem Ausschnitt einer Strahlungsemissionsanordnung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle,
2b eine schematische Schrägansicht einer Explosionsdarstellung einer Kühlmittelzu- und abführeinrichtung des zweiten und eines fünften Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle,
2c eine schematische Querschnittsansicht eines Ausschnitts der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle des zweiten Ausführungsbeispiels,
3a eine schematische Schrägansicht auf den Grundkörper eines Wärmeleitkörpers eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle,
3b eine schematische Schrägansicht auf den Wärmeleitkörper des dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle,
3c eine schematische Schrägansicht einer Explosionsdarstellung einer Kühlmittelzu- und abführeinrichtung des dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle,
4a eine schematische Schrägansicht einer Explosionsdarstellung von einem Ausschnitt einer Strahlungsemissionsanordnung eines vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle,
4b eine schematische Schrägansicht einer Explosionsdarstellung einer Kühlmittelzu- und abführeinrichtung des vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle,
4c eine schematische Querschnittsansicht eines Ausschnitts der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle des vierten Ausführungsbeispiels,
5a eine schematische Draufsicht auf ein Diodenlaserbauelement eines fünften Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle,
5b eine schematische Rückansicht auf das Diodenlaserbauelement des fünften Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle,
5c eine schematische Querschnittsansicht eines Ausschnitts der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle des fünften Ausführungsbeispiels,
6a eine schematische Schrägansicht auf ein Diodenlaserbauelement eines sechsten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle,
6b eine schematische Rückansicht auf eine Strahlungsemissionsanordnung des sechsten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle,
6c eine erste schematische Draufsicht auf eine Kühlmittelführungsplatte einer Kühlmittelzu- und abführeinrichtung des sechsten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle,
6d eine zweite schematische Draufsicht auf die Kühlmittelführungsplatte der Kühlmittelzu- und abführeinrichtung des sechsten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle,
6e eine schematische Draufsicht auf Kühlmittelanschlüsse der Kühlmittelzu- und abführeinrichtung des sechsten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle,
6f eine schematische Draufsicht auf die erfindungsgemäße Strahlungsquelle des sechsten Ausführungsbeispiels,
6g eine schematische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung,
7a eine schematische Schrägansicht auf ein Diodenlaserbauelement eines siebten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle,
7b eine schematische Schrägansicht auf einen Teilabschnitt einer Strahlungsemissionsanordnung des siebten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle,
7c eine schematische Schrägansicht auf die Strahlungsemissionsanordnung des siebten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle,
7d eine schematische Schrägansicht einer Explosionsdarstellung einer Kühlmittelzu- und abführeinrichtung des siebten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle mit einer ersten schematischen Schrägansicht einer Kühlmittelführungsplatte der Kühlmittelzu- und abführeinrichtung,
7e eine zweite schematische Schrägansicht der Kühlmittelführungsplatte der Kühlmittelzu- und abführeinrichtung des siebten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle,
7f eine schematische Querschnittsansicht eines Ausschnitts der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle des siebten Ausführungsbeispiels,
8a eine schematische Schrägansicht auf ein Diodenlaserbauelement eines achten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle,
8b eine schematische Schrägansicht auf ein Zwischenstück zur Anordnung zwischen zwei Diodenlaserbauelemente in einer Strahlungsemissionsanordnung des achten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle,
8c eine schematische Frontansicht einer Kühlmittelzu- und abführeinrichtung des achten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle,
8d eine schematische Rückansicht der Kühlmittelzu- und abführeinrichtung des achten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle,
8e eine schematische Schrägansicht der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle des achten Ausführungsbeispiels,
8f eine schematische Querschnittsansicht der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle des achten Ausführungsbeispiels,
9a eine schematische Schrägansicht auf ein Diodenlaserbauelement eines neunten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle,
9b eine schematische Schrägansicht auf eine Strahlungsemissionsanordnung des neunten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle,
9c eine schematische Querschnittsansicht der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle des neunten Ausführungsbeispiels,
10a eine schematische Schrägansicht auf ein Diodenlaserbauelement eines zehnten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle,
10b eine schematische Querschnittsansicht eines Ausschnitts der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle des zehnten Ausführungsbeispiels,
11a eine schematische Schrägansicht auf ein Solarmodul eines elften Ausführungsbeispiels einer als photovoltaischem Strahlungsempfänger ausgebildeten erfindungsgemäßen Konversionseinheit,
11b eine schematische Draufsicht auf den erfindungsgemäßen photovoltaischen Strahlungsempfänger des elften Ausführungsbeispiels und
11c eine schematische Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Solarkonzentrators.
Gleiche oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den selben Bezugszeichen versehen.
In den folgenden Ausführungsbeispielen wird der erfindungsgemäße der Strahlungsemissionsanordnung zugewandten Kühlmittelauslass der Kühlmittelzu- und abführeinrichtung durch eine zulaufseitige Kühlmittelspreiznut 45a oder mehrere zulaufseitige Kühlmittelspreiznuten 45a oder einen zulaufseitigen Kühlmittelführungsdurchbruch 46a oder mehrere zulaufseitige Kühlmittelführungsdurchbrüche 46a gebildet. Der Begriff ”zulaufseitig” ist in dem Sinne zu verstehen, dass der Kühlmittelauslass der Kühlmittelzu- und abführeinrichtung für Strahlungsemissionsanordnung einen Kühlmittelzulauf bildet.
Analog wird der erfindungsgemäße der Strahlungsemissionsanordnung abgewandte Kühlmitteleinlass der Kühlmittelzu- und abführeinrichtung durch eine ablaufseitige Kühlmittelspreiznut 45b oder mehrere ablaufseitige Kühlmittelspreiznuten 45b oder einen ablaufseitigen Kühlmittelführungsdurchbruch 46b oder mehrere ablaufseitige Kühlmittelführungsdurchbrüche 46b gebildet. Der Begriff ”ablaufseitig” ist in dem Sinne zu verstehen, dass der Kühlmitteleinlass der Kühlmittelzu- und abführeinrichtung für Strahlungsemissionsanordnung einen Kühlmittelablauf bildet.
Zulaufseitige Kühlmittelverteilungs- oder spreizelemente 42a, 45a, 46a, 47a, 47'a und 48a, werden gemeinsam mit den ablaufseitigen Kühlmittelsammel- oder einschnürungselementen 42b, 45b, 46b, 47b, 47'b und 48b strömungsrichtungsunabhängig als Kühlmittelführungselemente bezeichnet, wobei die Elemente als Nuten, Durchbrüche, Kanäle, Kammern usw. ausgebildet und bezeichnet sein können.
Von den Anordnungs- beziehungsweise Anordnungsrichtungszeichen 35, 35a, 36 und 36a zeigen die Pfeile 35 und 36 eine Anordnung an, die sich in der Zeichenebene erstreckt. und die Symbole 35a und 36a eine Anordnung, die sich senkrecht zur Zeichenebene erstreckt. Die Anordnungszeichen 35 und 35a beziehen sich auf eine stapelhafte Anordnung der Halbleiterbaugruppen und die Anordnungszeichen 36 und 36a auf eine reihenhafte Anordnung der Halbleiterbaugruppen. Die Zeichen, das sind die Pfeile und Symbole, werden gleichbedeutend mit den Richtungen verwendet, die sie anzeigen, und umgekehrt.
Im folgenden wird das erste Ausführungsbeispiel im Hinblick auf eine Vermittlung von Verständnis der Erfindung besonders detailliert beschrieben. Die Erläuterungen nachfolgender Ausführungsbeispiele wird nur in der Weise detailliert, die der Unterscheidung vom ersten Ausführungsbeispiel Rechnung trägt. Im übrigen wird bereits an dieser Stelle vorgreifend und stellvertretend für die Ausführungsbeispiele zwei bis acht auf den allgemein gültigen Charakter des ersten Ausführungsbeispieles verwiesen, der zu ihrer weiteren Interpretation hinzugezogen werden kann, wo nötig und sinnvoll, beispielsweise im Falle nicht erläuterter Bezugszeichen und Merkmale. Überdies wird auf die Bezugszeichenliste im Anschluss an die Ausführungsbeispiele verwiesen.
ERSTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Komponenten des ersten Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Strahlungsquelle 50 sowie ein Querschnitt durch einen Abschnitt der dieser Strahlungsquelle 50 sind in den 1a, 1b, 1d und 1e für eine erste Variante eine Diodenlaserbauelementes 20 gezeigt. Eine zweite Variante des Diodenlaserbauelementes 20, welche alternativ an Stelle der ersten Variante verwendet werden kann, zeigt 1c. Der Wärmeleitkörper 21 für die erste Variante des Diodenlaserbauelementes 20 ist eine T-förmig ausgebildete CVD-Diamantplatte als Wärmeleitgrundkörper 21', auf den im vom unteren Schenkel abgewandten Bereich des oberen Schenkels eine Metallisierung 28 aufgebracht ist, die sich von einer als Plattenoberseite ausgebildeten ersten Außenfläche 22 der Platte 21' über eine frontseitige Endfläche der Frontseite der Platte auf eine als Plattenunterseite ausgebildete, der ersten Außenfläche gegenüberliegenden, zweite Außenfläche erstreckt (1a). In den unteren Schenkel der Platte 21 sind eine Vielzahl von zueinander parallelen Ausnehmung 26 eingebracht, die sich einerseits von der Plattenoberseite 22 zur Plattenunterseite erstrecken und andererseits entgegen der Abstrahlungsrichtung 15 bis zur einer der Frontfläche gegenüberliegenden rückseitigen Endfläche an der Rückseite der Platte. Die Ausnehmungen 26 weisen damit sowohl Öffnungen 27 in der ersten Außenfläche 22 an der Plattenoberseite auf, Öffnungen in der zweiten Außenfläche an der Plattenunterseite als auch Öffnungen in der rückseitigen Endfläche 23 an der Plattenrückseite, über die ein Kühlmittel in die Ausnehmungen eingebracht und/oder aus den Ausnehmungen abgeführt werden kann.
Ein Laserdiodenbarren 10 besitzt auf einer ersten Seite eine erste Kontaktfläche 11 und auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite eine zur ersten Kontaktfläche gegenpolige zweite Kontaktfläche 12.
Auf die Metallisierung 28 ist ein solcher Laserdiodenbarren 10 seitens seiner ersten Kontaktfläche 11 befestigt, indem er unter Anwendung des in der Patentschrift DE 196 44 941 C1 beschriebenen Verfahrens über eine Lotfuge mit dem Wärmeleitkörper an deren Wärmeaufnahmefläche 21* stoffschlüssig verbunden ist (1b). Der Verbund von Laserdiodenbarren und Wärmeleitkörper wird als Diodenlaserbauelement 20 bezeichnet. Im Betrieb strahlt der Laserdiodenbarren 10 beziehungsweise das Diodenlaserbauelement 20 Licht des nahen Infrarots in eine Abstrahlungsrichtung 15 ab, die senkrecht zu den Normalen der beiden Kontaktflächen des Laserdiodenbarrens 10 ausgerichtet ist. Die Metallisierung 28 bildet einen ersten elektrischen Kontakt für den Laserdiodenbarren 10, während ein elektrisches Verbindungselement 29, das an der zweiten Kontaktfläche 12 des Laserdiodenbarrens 10 stoffschlüssig befestigt ist, einen zweiten, zum ersten elektrischen Kontakt gegenpoligen Kontakt bildet. Die Dicke der Metalli sierung liegt im Bereich von 5 µm bis 200 µm, besteht im wesentlichen aus Kupfer, und ist zumindest teilweise durch galvanisches Abscheiden auf einer Grundmetallisierung hergestellt.
Im Betrieb des Laserdiodenbarrens bilden alle seine Licht emittierenden Emitter Wärmequellen, deren Wärme zumindest zum größten Teil über die Wärmeaufnahmefläche 21* der Metallisierung 28 von dem Wärmeleitkörper 21 aufgenommen wird.
Im Wärmeleitkörper 21 liegen zwischen den Ausnehmungen 26 Kühlrippen 26' vor, über deren Außen-/Innenflächen Wärme an ein durch die Ausnehmungen strömendes Kühlmittel abgegeben werden kann. Im technisch-konstruktiven Sinne werden die Ausnehmungen von den Kühlrippen begrenzt und umgekehrt. Die einander zugewandten Innenflächen zweier benachbarter Kühlrippen sind somit einer gemeinsamen Ausnehmung zuzuordnen und als erfindungsgemäße Wärmeabgabeflächen 26* anzusehen. Wie durch die Klammern in 1b angedeutet, lässt sich der Wärmeleitkörper 21 in drei Abschnitte gliedern: Einen Wärmeaufnahmeabschnitt 21a, der die Wärmeaufnahmefläche 21* trägt, einen Wärmeabgabeabschnitt 21c, der die Ausnehmungen 26 und Kühlrippen 26 umfasst und einen Wärmeleitabschnitt 21b, der zwischen dem Wärmeaufnahmeabschnitt 21a und dem Wärmeabgabeabschnitt 21c angeordnet ist.
Alle Abschnitte erstrecken sich jeweils von der Oberseite des Wärmeleitkörpers zu seiner Unterseite. Eine alle diese Wärmequellen umfassende Wärmequellenprojektion des Laserdiodenbarrens 10 in zur Wärmaufnahmefläche 21* senkrechter Richtung liegt – bis auf einen durch einen gegebenenfalls in Abstrahlungsrichtung 15 vorliegenden Barrenüberstand hervorgerufenen Leerbereich – vollständig im Wärmeaufnahmeabschnitt 21a. Sowohl der Wärmeleitabschnitt 21b als auch der Wärmeabgabeabschnitt 21c liegen bezüglich des Wärmeaufnahmeabschnitts 21a in einer der Abstrahlungsrichtung entgegengesetzten Wärmeleitrichtung und somit vollständig außerhalb der Wärmequellenprojektion.
Am Wärmeleitabschnitt 21b ist oberseitig ein Zwischenstücke 34 und unterseitig in Zwischenstück 34a jeweils stoffschlüssig befestigt. Die Zwischenstücke 34 und 34a lassen sich somit als Teil des Wärmeleitkörpers 21 ansehen. Die rückwärtigen, entgegen der Abstrahlungsrichtung liegenden, Endflächen des oberen Schenkels des T-förmig ausgebildeten CVD-Diamantplatte 21' des Wärmeleitkörpers und der Zwischenstücke 34 und 34a bilden gemeinsam eine Dichtfläche 24, die den Wärmeleitkörper 21, speziell seinen Wärmeleitbereich 21b, vollständig umringt.
Werden alternativ dazu die Zwischenstücke 34 und 34a als nicht zum Wärmeleitkörper 21 zugehörig betrachtet, so können die ober- und unterseitigen Montageflächen für die Zwischenstücke im Bereich des Wärmeleitabschnitts 21b als erfindungsgemäße Dichtfläche aufgefasst werden.
Während in der beschriebenen ersten Variante des Diodenlaserbauelementes 20 alle drei wärmetechnischen Abschnitte des Wärmeleitkörpers 21 zu ein und demselben Grundkörper 21' gehören, ist der Wär meleitkörper 21 der in 1c dargestellten zweiten Variante des Diodenlaserbauelementes aus drei verschiedenen stoffschlüssig miteinander verbundenen Bauteilen zusammengesetzt, die jeder einem wärmetechnischen Abschnitt des Wärmeleitkörpers entsprechen und daher auch als solche bezeichnet werden: Der Wärmeleitabschnitt 21a wird durch einen elektrisch leitfähigen Kupfer-Wolfram-Verbundwerkstoff bereitgestellt. Da das Material des Wärmeaufnahmeabschnitts 21a elektrisch leitfähig ist, kann auf eine den Wärmeaufnahmeabschnitt 21a umgebende Metallisierung, die die Stromführung von der Wärmeleitkörperunterseite auf die Wärmeleitkörperoberseite gewährleistet, prinzipiell verzichtet werden.
Der thermische Ausdehnungskoeffizient dieses Verbundwerkstoffs weicht um nicht mehr als 50% von dem des Laserdiodenbarrens 10 ab, so dass eine stoffschlüssige Montage mittels eines hochschmelzenden Lotes, beispielsweise mittels eines goldreichen eutektischen Gold-Zinn-Lotes, des Laserdiodenbarrens auf dem Wärmeleitabschnitt möglich ist, ohne den Laserdiodenbarren zu beschädigen.
Der Wärmeleitabschnitt 21b wird durch eine Platte 21b aus Berylliumoxidkeramik bereitgestellt, deren Plattenebene, Oberseite und Unterseite senkrecht zur Wärmeleitrichtung und zur Abstrahlungsrichtung 15 liegt. Optionale Metallisierungen auf Ober- und Unterseite der Platte 21b können eine Lötverbindung mit dem Wärmeaufnahmeabschnitt 21a und dem Wärmeabgabeabschnitt 21c erleichtern. An Stelle einer Berylliumoxidkeramik kann die Platte 21b auch ein Dreischichtsystem bestehend aus einer Aluminiumnitridkeramikschicht zwischen zwei Kupferschichten von jeweils gleicher Schichtdicke wie die Aluminiumnitridkeramikschicht sein. Beide Plattenvarianten, BeO und Cu-AlN-Cu, besitzen einen thermischen Ausdehnungskoeffizient der um nicht mehr als 50% von dem des Wärmeaufnahmeabschnitts 21a abweichen, so dass eine mechanisch spannungsarme Lötverbindung zwischen dem Wärmeaufnahmeabschnitt 21a und dem Wärmeleitabschnitt 21b möglich ist.
Auf der dem Wärmeaufnahmeabschnitt 21a abgewandten Seite des Wärmeleitabschnitts 21b ist ein Wärmeabgabeabschnitt 21c, der durch einen aus der Offenlegungsschrift DE 197 01 680 A1 bekannten Diamantkörper 21c bereitgestellt wird, an dem Wärmeleitabschnitt 21b befestigt. Dieser Diamantkörper 21c weist zwei Gruppen von zueinander parallelen Ausnehmungen 26 und 26a auf, die sich jeweils von einander gegenüberliegenden Endflächen abschnittsweise aneinander vorbei in Richtung der jeweils gegenüberliegenden Endfläche erstrecken (die in 1c sichtbare rückseitige Endfläche ist mit 23 bezeichnet). Der Abstand zwischen zwei einander unmittelbar benachbarten einander gruppenfremden Ausnehmungen 26 und 26a entspricht der Hälfte des kleinsten Abstandes zweier gruppengleicher Ausnehmungen 26 beziehungsweise 26a. Die Ausnehmungen beider Gruppen von Ausnehmungen 26 und 26a erstrecken sich zudem von der Oberseite zur Unterseite, welche senkrecht zu den Endflächen orientiert sind, der Diamantplatte 21c, so dass sie Öffnungen 27 in der Ober- und Unterseite besitzen. Die Ausnehmungen 26 und 26a sorgen so für eine Ziehharmonikaförmige Ausbildung des Diamantkörpers 21c, der auf eine parallel zu den Endflächen, Ober- und Unterseite wirkende mechanische Deformation hin nur eine verhältnismäßig geringe mechanische Spannung aufnimmt. Damit lässt sich der Diamantkörper 21c, obwohl er einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, der stark von denjenigen des Wärmeaufnahmeabschnitts 21a, des Wärmeleitabschnitts 21b und des Laserdiodenbarrens 10 abweicht, mechanisch spannungsarm an dem Wärmeleitabschnitt 21b über eine Lötverbindung – beispielsweise eine Aktivlötverbindung, die keine Metallisierung der Fügepartner benötigt – befestigen.
Alternativ kann der Wärmeabgabeabschnitt statt aus Diamant auch aus Kupfer bestehen, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient ebenfalls sehr von dem des Laserdiodenbarrens 10 abweicht.
Zwischen gruppengleichen Ausnehmungen liegen Kühlrippen 26' und 26'a vor, die sich in Wärmeleitrichtung erstrecken. Eine Kühlmittelführung kann so ausgeführt sein, dass das Kühlmittel gezwungen ist, durch beide Gruppen von Ausnehmungen 26 und 26a zu fließen, bevor es den Diamantkörper verlässt. Die den Wärmeleitabschnitt 21b bildende Platte 21b besitzt an der dem Diamantkörper 21c zugewandten Seite eine Dichtfläche 24, die die Anbindungsfläche des Diamantkörpers 21c vollständig umringt.
Sowohl die erste als auch die zweite Variante von in 1b und 1c dargestellten Diodenlaserbauelementen 20 können alternativ und gleichartig für die erfindungsgemäße Strahlungsquelle 50 verwendet werden.
Diodenlaserbauelemente 20 der ersten Variante werden dazu in Ausbildung eines Diodenlaserstapels 30 als Strahlungsemissionsanordnung in einer Stapelrichtung 35 übereinander angeordnet in einer Anordnungsebene, in der die Stapelrichtung 35 liegt und die senkrecht zur Abstrahlungsrichtung 15 ist (1e).
Zur Strahlungsquelle 50 gehört auch eine Kühlmittelzu- und abführeinrichtung 40, die eine Kühlmittelverteilungseinheit 41, eine Deckplatte 43 und eine Kühlmittelanschlussplatte 42 aufweist (1d). Die Deckplatte 43 und die Kühlmittelanschlussplatte sind dichtend auf einander gegenüberliegenden Seiten (Ober- und Unterseite) der Kühlmittelverteilungseinheit 41a befestigt. Die Kühlmittelverteilungseinheit 41a besitzt im Querschnitt längliche Aufnahmeausnehmungen 44, die sich ausgehend von der Oberseite der Kühlmittelverteilungseinheit 41a in Richtung der der Oberseite gegenüberliegenden Unterseite der Kühlmittelverteilungseinheit 41a erstrecken und mit einem im Querschnitt verjüngten abgestuften Ende, das – je nach Durchflussrichtung des Kühlmittels – als zulaufseitige Kühlmittelspreiznut 45a beziehungsweise ablaufseitige Kühlmitteleinschnürungsnut 45b (gemeinsam als Kühlmittelführungsnuten 45a und 45b bezeichnet) wirkt, in einem geringen Abstand vor der Unterseite abschließen.
Die Aufnahmeausnehmungen 44 sind senkrecht zu ihrer längeren Querschnittsausdehnung einander benachbart in Stapelrichtung 35 angeordnet und voneinander durch Wände 44' beabstandet. Die Wände enden in zur Oberseite der Kühlmittelverteilungseinheit zugewandten Richtung in einem bestimmten Abstand von der Oberseite.
Die oberseitig bezüglich der Kühlmittelverteilungseinheit angeordnete Deckplatte 43 besitzt Wärmeleitkörperaufnahmedurchbrüche 49, deren Querschnitt dem der Aufnahmeausnehmungen 44 ähnlich ist. Die Deckplatte 43 ist derart auf der Oberseite der Kühlmittelverteilungseinheit 41a positioniert, dass ihre Wärmeleitkörperaufnahmedurchbrüche 49 den Aufnahmeausnehmungen 44 gegenüber liegen.
Die zwischen den Wärmeleitkörperaufnahmedurchbrüchen 49 angeordneten Stege liegen dabei den Endflächen der Wände 44 gegenüber, wobei, bedingt durch den Versatz der Endflächen gegenüber der Oberseite, ein Leerraum zwischen jedem Steg und jeder Endfläche vorliegt, der als Kühlmittelflusspassage 37 zwischen einander benachbarten Aufnahmeausnehmungen 44 dient.
Über in 1d nicht sichtbare Kühlmittelführungsdurchbrüche 46a und 46b sind abwechselnd jeweils jede zweite Aufnahmeausnehmungen 44 in Richtung der Unterseite geöffnet. Die Kühlmittelführungsnuten 45a und 45b fördern dabei die Spreizung des Kühlmittels über die größere der Querschnittsausdehnungen der Aufnahmeausnehmungen 44. Aus fertigungstechnischen Gründen kann die Kühlmittelverteilungseinheit 41a aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein, wobei eine Schnittstelle zwischen den Kühlmittelführungsnuten 45a/45b und den Aufnahmeausnehmungen 44 liegt. Zur Vermittlung einer Anschauung der Lage der Kühlmittelführungsdurchbrüche 46a und 46b bezüglich der Kühlmittelführungsnuten 45a bzw. 45b wird auf die 7e des siebten Ausführungsbeispiels verwiesen. Die Kühlmittelführungsdurchbrüche 46a liegen einem zulaufseitigen Kühlmittelverteilungskanal 47a in der Kühlmittelanschlussplatte 42 gegenüber, weshalb sie als zulaufseitige Kühlmittelführungsdurchbrüche 46a bezeichnet werden. Die Kühlmittelführungsdurchbrüche 46b liegen einem ablaufseitigen Kühlmittelsammelkanal 47b in der Kühlmittelanschlussplatte 42 gegenüber, weshalb sie als zulaufseitige Kühlmittelführungsdurchbrüche 46b bezeichnet werden.
Über den zulaufseitigen Kühlmittelverteilungskanal 47a wird den zulaufseitigen Kühlmittelführungsdurchbrüchen 46a im Betrieb der Strahlungsquelle 50 Kühlmittel zugeführt. Es ergießt sich von dort in die zulaufseitige Kühlmittelspreiznut 45a und weiter in Aufnahmeausnehmungen 44 einer ersten zulaufseitigen Gruppe von Aufnahmeausnehmungen 44. Ausgehend von verschlossenen Wärmeleitkörperaufnahmedurchbrüchen 49 wird in jeder dieser Aufnahmeausnehmungen 44 das Kühlmittel in zwei Portionen geteilt, wobei eine erste Kühlmittelportion über eine links benachbarte Kühlmittelflusspassage 37 in eine links benachbarte Aufnahmeausnehmung 44 und eine zweite Kühlmittelportion über eine rechts benachbarte Kühlmittelflusspassage 37 in eine rechts benachbarte Aufnahmeausnehmung 44 abfließt. Links und rechts benachbarte Aufnahmeausnehmungen 44 gehören zu einer ablaufseitigen Gruppe von Aufnahmeausnehmung 44, aus denen das Kühlmittel über ablaufseitige Kühlmitteleinschnürungsnuten 45b, ablaufseitige Kühlmittelführungsdurchbrüchen 46b und schließlich den ablaufseitigen Kühlmittelsammelkanal 47b die Strahlungsquelle verlässt. Der Kühlmittelflussverlauf ist durch die Kühlmittelströmungsrichtungspfeile 25 in 1e veranschaulicht.
Wie weiterhin in 1e ersichtlich, ist jedes Diodenlaserbauelement 20 in die Kühlmittelführung eingebunden, indem die durch die Ausnehmungen 26 gebildeten Kühlkanäle von dem Kühlmittel beströmt werden. Dazu ist jeweils der Wärmeabgabeabschnitt 21c des Diodenlaserbauelementes 20 über einen Wärmeleitkörperaufnahmedurchbruch 49 in eine Aufnahmeausnehmung 44 der Kühlmittelführungseinheit 41a eingebracht und stößt mit seiner rückwärtigen Endfläche 23 an den Vorsprung, der durch die gegenüber der Aufnahmeausnehmung 44 im Querschnitt verjüngten Kühlmittelführungsnut 45a/45b bereitgestellt wird. Optional kann zwischen Endfläche 23 und Vorsprung ein Fügemittel eingebracht sein. Ein zwischen die Dichtfläche 24 des Diodenlaserbauelementes 20 und die Oberseite der Deckplatte 43 eingebrachtes Fügemittel 33 sorgt für eine Abdichtung und einen Verschluss der vom Kühlmittel durchströmten Räumen 47a, 46a, 45a, 44, 37, 45b, 46b und 47b.
Das an der dem Wärmeleitkörper 21 abgewandten Seite des Laserdiodenbarrens 10 befestigte elektrische Verbindungselement 29 ist unter Verweis auf das US-Patent Nr. 5,909,458 mit einer strukturellen Flexibilität ausgestattet, die es ihm ermöglicht, Deformationen in Stapelrichtung mechanisch spannungsarm nachzugeben. Es ist somit in der Lage, Toleranzen der Abstände zwischen benachbarten Wärmeleitkörperaufnahmedurchbrüchen 49 auszugleichen und gleichzeitig die Metallisierung 28 des benachbarten Wärmeleitkörpers 21 über eine Schicht elektrisch leitfähigen Klebstoffs 31 zu kontaktieren.
In der Strahlungsquelle des ersten Ausführungsbeispieles liegen die Diodenlaserbauelemente 20 in zwei, strömungstechnisch seriell verschalteten Scharen vor, wobei die einzelnen Diodenlaserbauelemente 20 zueinander jeweils um die Hälfte des Abstandes in Stapelrichtung 35 versetzt sind, der zwischen den Diodenlaserbauelemente 20 einer gemeinsamen Schar vorliegt. Insofern werden nicht mehr als jeweils zwei Diodenlaserbauelemente 20 des Diodenlaserstapels 30 strömungstechnisch seriell durchflossen. In der ersten Schar erfolgt die Strömung durch die Kühlkanäle 26 im wesentlichen in Abstrahlungsrichtung 15 und entgegen der Wärmeleitrichtung, in der zweiten Schar erfolgt die Strömung entgegen der Abstrahlungsrichtung 15 in Wärmeleitrichtung. Dies wird ermöglicht (a) durch die den seriellen Strömungsfluss vermittelnden Kühlmittelflusspassagen 37, die zwischen den dem Wärmeaufnahmeabschnitt 21a zugewandten Enden der Kühlkanäle vorliegen und (b) durch die Wände 44' der Kühlmittelverteilungseinheit 41a, die die Kühlkanäle benachbarter Diodenlaserbauelemente im übrigen gegenüber Kühlmittelverlust voneinander abschirmen. Die Anzahl der Gruppen von Diodenlaserbauelementen 20, die im Diodenlaserstapel 30 strömungstechnisch parallel durchflossen werden, bestimmt sich aus der Gesamtanzahl der Diodenlaserbauelementen 20 im Diodenlaserstapel dividiert durch die Scharenanzahl von zwei. Die Gruppenstärke entspricht der Scharenanzahl, das heißt jeweils zwei Diodenlaserbauelementen 20.
Die vorliegende Ausführung beruht dabei auf der zulaufseitigen Teilung des Kühlmittelflusses in zwei Kühlmittelportionen in Diodenlaserbauelementen der ersten Schar, die zu zwei, auf gegenüberliegenden Seiten benachbarten Diodenlaserbauelementen der zweiten Schar abfließen und sich dort mit den Kühlmittelportionen der übernächsten Nachbarn von Diodenlaserbauelementen der ersten Schar vereinigen. Eine alternative, nicht dargestellte, Ausführung sieht vor, das Kühlmittel in jeder strömungstechnisch parallel durchströmten Gruppe von Diodenlaserbauelementen unportioniert und vollständig jeweils von einem Diodenbauelement 20 der ersten Schar zu einem benachbarten Diodenlaserbauelement der zweiten Schar strömen zu lassen. Dazu ist die Kühlmittelflusspassage 37 zwischen zwei benachbarten Gruppen verschlossen beziehungsweise nicht existent, während sie innerhalb jeder Gruppe zwischen den Diodenlaserbauelementen der beiden Scharen erhalten bleibt beziehungsweise vorgesehen ist.
Dabei kann die Strömungsrichtung in den Kühlmittelflusspassagen 37 zweier benachbarter Gruppen in gleicher Richtung orientiert oder in entgegengesetzter Richtung orientiert sein. Letztere Variante hat den Vorteil, dass die Kühlmittelführungsdurchbrüche 46a beziehungsweise 46b zur Kühlmittelzu- beziehungsweise -abführung zweier benachbarter Diodenlaserbauelemente zusammengelegt und als ein für beide Diodenlaserbauelemente gemeinsamer Kühlmittelführungsdurchbruch 46a beziehungsweise 46b ausgebildet sein kann. Diese Feststellung ist ganz allgemein auf die erfindungsgemäßen Kühlmittelein- und auslässe anwendbar.
ZWEITES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Von einem zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle 50 zeigt 2a einen Ausschnitt eines Diodenlaserstapels 30 in Explosionsdarstellung. Das Diodenlaserbauelement 20 besitzt einen Wärmeleitkörper 21, der am Wärmeaufnahmeabschnitt eine Metallisierung 28 aus Kupfer trägt und im wesentlichen aus kubischem Bornitrid besteht. Auf die Metallisierung 28 ist oberseitig an der Kante zur Frontseite ein Laserdiodenbarren 10 aufgelötet. Außerhalb der Projektion des Laserdiodenbarrens 10 senkrecht zur oberseitigen Oberfläche 22 des Wärmeleitkörpers 21 sind in der Abstrahlungsrichtung 15 entgegengesetzter Wärmeleitrichtung eine Vielzahl von zueinander parallelen in Abstrahlungsrichtung 15 ausgedehnten Ausnehmungen 26 eingebracht, die sich von der Oberseite 22 zur Unterseite des Wärmeleitkörpers 21 erstrecken und rückseitig geöffnet sind, so dass sie rückseitig Kühlflüssigkeit aufnehmen oder abgeben können. Beiderseits dieses Feldes von Ausnehmungen 26, in zur Oberseite paralleler und zur Abstrahlungsrichtung 15 senkrechter Richtung, erstreckt sich jeweils ein Wärmeleitkörperbereich 1 mm über die rückwärtigen Endflächen der Kühlrippen hinaus. Diese Wärmeleitkörperverlängerungen geben dem Wärmeleitkörper 21 eine U-Form. Der zwischen der Endflächenebene der Kühlrippen 26 und der Endflächenebene der herausragenden Wärmeleitkörperbereiche liegende Freiraum ist in der Strah lungsquelle 50 (2c) als Kammer zur zulaufseitigen Kühlmittelspreizung 48a beziehungsweise ablaufseitigen Kühlmitteleinschnürung 48b vorgesehen.
Der Oberflächenbereich des Wärmeleitkörpers 21 zwischen den Ausnehmungen und der Montagefläche des Laserdiodenbarrens 21 dient sowohl Ober- als auch unterseitig als Dichtfläche 24, die sich außerdem abschnittsweise über die Ausnehmungen 26 und die Wärmeleitkörperverlängerungen erstrecken.
Die Dichtung im Diodenlaserstapel 30 erfolgt über Zwischenstücke 34, die zwischen benachbarten Diodenlaserbauelementen eingebracht sind und jeweils über eine erste elektrisch isolierende, das heißt: elektrisch nicht leitfähige, Klebstoffschicht 33 an der Oberseite des Wärmeleitkörpers eines ersten Diodenlaserbauelementes und über eine zweite elektrisch isolierende, das heißt: elektrisch nicht leitfähige, Klebstoffschicht 33a an der Unterseite des Wärmeleitkörpers 21 eines, dem ersten Diodenlaserbauelement benachbarten, zweiten Diodenlaserbauelementes flächig befestigt sind. Die Zwischenstücke sind als Aluminiumoxidkeramikfolien von 100 µm Dicke ausgebildet, wiewohl auch Glas- oder Kunststofffolien alternativ verwendet werden können. Sie besitzen jeweils eine längliche Öffnung 37, die als Kühlmittelflusspassage 37 in der Strahlungsquelle 50 dient und zwischen von der Rückseite abgewandten Endabschnitten der Ausnehmungen 26 benachbarter Wärmeleitkörper angeordnet ist (2c). Das der Öffnung 37 abgewandte, rückwärtige Ende des Zwischenstücks 34 erstreckt sich in Wärmeleitrichtung 500 µm über die Enden der Wärmeleitkörperverlängerungen und 1,5 mm über die Enden der Kühlrippen 26' hinaus.
Eine in 2b gezeigte Kühlmittelzu- und abführeinrichtung besteht aus einer Kühlmittelverteilungsplatte 41 und einer Kühlmittelanschlussplatte 42, die miteinander stoffschlüssig verbunden sind.
Die Kühlmittelverteilungsplatte weist in einer ersten Plattenhälfte eine erste Reihe zulaufseitige Kühlmittelführungsdurchbrüche 46a auf und in einer zweiten Plattenhälfte eine zweite Reihe ablaufseitiger Kühlmittelführungsdurchbrüche 46b, die parallel zur ersten Reihe angeordnet sind und in Reihenrichtung zu den zulaufseitigen Kühlmittelführungsdurchbrüchen 46a jeweils um die halbe Länge ihres gegenseitigen Abstands versetzt sind. Als schmale Nuten mit einer Breite von etwa einem Zehntel dieses Abstandes erstrecken sich Aufnahmeausnehmungen 44 in der Plattenoberseite senkrecht zur Reihenrichtung paarweise zwischen den Kühlmittelführungsdurchbrüchen 46a/46b von der ersten Plattenhälfte in die zweite Plattenhälfte, wobei sie jeweils auf einer ersten Nutseite in der ersten Plattenhälfte mit einem zulaufseitigen Kühlmittelführungsdurchbruch 46a der ersten Reihe und in der zweiten Plattenhälfte auf einer, der ersten Nutseite gegenüberliegenden, zweiten Nutseite mit einem ablaufseitigen Kühlmittelführungsdurchbruch 46b verschmelzen.
In der Plattenoberseite der der Plattenunterseite der Kühlmittelverteilungsplatte 41 gegenüberliegenden Kühlmittelverteilungsplatte 42 liegen ein zulaufseitiger Kühlmittelverteilungskanal 47a den zulaufseitigen Kühlmittelführungsdurchbrüchen 46a und ein ablaufseitiger Kühlmittelsammelkanal 47b ablaufseitigen Kühlmittelführungsdurchbrüchen 46b gegenüber. Durch eine Verbindung der beiden Platten 41 und 42 können diese Ausnehmungen 47a/47b und 46a/46b entsprechend miteinander kommunizieren.
Die Aufnahmeausnehmungen 44 dienen der Aufnahme der Endabschnitte der Zwischenstücke 34, die über das rückwärtige, das heißt dem Laserdiodenbarren abgewandten Ende, des Wärmeleitkörpers 21 herausragen. Dieselben Klebstoffe der Schichten 33 und 33a sorgen hier für eine Abdichtung des Kühlmittelübergangs von den zulaufseitigen Kühlmittelführungsdurchbrüchen 46a in die Kühlmittelspreizkammern 48a, in denen das Kühlmittel auf die Kühlkanäle 26 im Wärmeleitkörper verteilt wird, und von den Kühlmitteleinschnürungskammern 48b, in denen das Kühlmittel von den Kühlkanälen gesammelt wird, in die ablaufseitigen Kühlmittelführungsdurchbrüchen 46b.
Der Kühlmittelflussverlauf durch die Diodenlaserbauelemente 20 der Strahlungsquelle 50 verläuft strömungstechnisch identisch zu dem im ersten Ausführungsbeispiel: Es existieren zwei seriell durchflossene Scharen von Diodenlaserbauelementen 20, die in, in Stapelrichtung nebeneinander angeordnete, strömungstechnisch parallel durchflossene Gruppen von je zwei Diodenlaserbauelementen 20 aufgeteilt sind.
DRITTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Der Grundkörper 21' des Wärmeleitkörpers 21 für die Strahlungsquelle 50 des dritten Ausführungsbeispieles entspricht dem Bauteil des Wärmeabgabeabschnitts 21c der zweiten Variante des Wärmeleitkörpers 21 vom ersten Ausführungsbeispiel (dargestellt in 1c): Der Grundkörper ist eine ziehharmonikaförmig ausgebildete Diamantplatte, in der sich zwei Gruppen von Ausnehmungen 26 und 26a von einander gegenüberliegenden Seitenflächen der Platte in entgegengesetzte Richtungen erstrecken und verschränkt sind, so dass die Ausnehmungen gruppenfremder Ausnehmungen jeweils abwechselnd einander abschnittsweise benachbart angeordnet sind (3a). Diese Ausbildung verleiht der Diamantplatte eine strukturbedingte Nachgiebigkeit in einer Breitenrichtung senkrecht zur genannten Erstreckung der Ausnehmungen. Diese Eigenschaft kann mit Hilfe einer stoffschlüssigen Kombination des Diamantkörpers mit Platten aus Material eines höheren thermischen Ausdehnungskoeffizient als dem des für die Montage vorgesehenen Laserdiodenelementes 10 dazu ausgenutzt werden, einen Wärmeleitkörper 21 zu schaffen, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient in Breitenrichtung dem des Laserdiodenelementes zumindest insoweit entspricht als er von ihm nicht mehr als 50% abweicht. Diese Maßnahme ist beispielsweise aus der Patentschrift US 5,848,083 und der Offenlegungsschrift DE 100 11 892 A1 bekannt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird jedoch erfindungsgemäß nur diejenige, erste, Gruppe von Ausnehmungen 26 als Kühlkanäle verwendet, deren Ausnehmungen entgegen der Abstrahlungsrichtung 15 in der der rückwärtigen Endfläche 23 der Diamantplatte 21' enden. Die Ausnehmungen der anderen, zweiten, Gruppe, die in Abstrahlungsrichtung 15 in der frontseitigen Endfläche 23a enden, besitzen keine kühlungstechnische sondern nur die mechanische Funktion der Flexibilisierung. Ober- und unterseitig sind stoffschlüssig Metallschichten 28/28a/28b aus Kupfer auf den Diamantkörper aufgebracht, die sich zumindest abschnittsweise über die Ausnehmungen 26 und 26a erstrecken. Zur elektrischen Trennung der elektrisch leitenden Metallisierung 28, die die Wärmeaufnahmefläche 21* trägt, von den kühlmittelführenden Bereichen des Wärmeleitkörpers 21 ist diese Metallisierung Ober- und unterseitig in je zwei elektrisch voneinander getrennte Schichtenbereiche 28 und 28a beziehungsweise 28 und 28b gegliedert. Die zur Frontseite orientierte Metallisierung 28 bedeckt Ober- und unterseitig nur die Ausnehmungen 26a der zweiten Gruppe von Ausnehmungen in deren frontseitigen Abschnitten, die nicht zwischen den Ausnehmungen 26 der ersten Gruppe angeordnet sind, wobei über eine Metallisierung an den Innenwänden der frontseitigen Abschnitte die Ober- und unterseitigen Abschnitte der Metallisierung 28 elektrisch miteinander verbunden sind. Die zur Rückseite orientierten Metallisierungen 28a (oberseitig) und 28b (unterseitig) bedecken die Ausnehmungen 26 der ersten Gruppe nahezu vollständig sowie die Abschnitte der Ausnehmungen 26a der zweiten Gruppe von Ausnehmungen, die vollständig zwischen den Ausnehmungen 26 der ersten Gruppe von Ausnehmungen angeordnet sind. Zwischen den Metallisierungsbereichen 28 und 28a beziehungsweise 28 und 28b bleibt ein kleiner Abschnitt der Ausnehmungen 26a der zweiten Gruppe von Ausnehmungen unbedeckt.
Die Metallisierungsschichten 28a und 28b weisen Öffnungen 27 und 27a auf, die den frontseitigen Endabschnitten der Kühlkanäle 26 gegenüberliegen und den Eintritt des Kühlmittels in oder den Austritt des Kühlmittels aus den Kühlkanälen 26 ermöglichen.
Enden der Metallisierungen 28a und 28b ragen entgegen der Abstrahlungsrichtung über die rückwärtigen Endflächen 23 des Wärmeleitkörper hinaus. Sie erleichtern das passgenaue Einsetzen der Diodenlaserbauelemente 20, das sind die Wärmeleitkörper 21 jeweils versehen mit Laserdiodenbarren 10, in korrespondierende Aufnahmeausnehmungen 44, die nebeneinander in Stapelrichtung 35 senkrecht zu ihrer Längsachse in einer Kühlmittelverteilungsplatte 41 angeordnet sind, die zusammen mit der in 3c dargestellten Kühlmittelanschlussplatte 42 die erfindungsgemäße Kühlmittel- zu und abführeinrichtung 40 bildet.
Dabei werden stets die Enden einander gegenüberliegender Metallisierungen 28a und 28b zweier verschiedener Diodenlaserbauelemente 20, die einander direkt im Diodenlaserstapel 30 benachbart sind, voneinander beabstandet in eine gemeinsame Aufnahmeausnehmung 44 eingebracht, die in einen, in einer ersten Plattenhälfte angeordneten, ablaufseitigen Kühlmittelführungsdurchbruch 46b mündet, und die Enden der Metallisierungen 28a und 28b desselben Diodenlaserbauelementes 20 in verschiedene Aufnahmeausnehmungen 44 eingebracht, die in die, in einer ersten Plattenhälfte angeordneten, ablaufseitigen Kühlmittelführungsdurchbrüche 46b münden und jeweils voneinander durch eine Aufnahmeausnehmung 44 beabstandet sind, die in einen, in einer zweiten Plattenhälfte angeordneten, zulaufseitigen Kühlmittelführungsdurchbruch 46a mündet. Dabei bilden zulaufseitig die Aufnahmeausnehmungen 44 eine Kühlmittelspreiznut 45a, in der das Kühlmittel über die Kühlkanäle 26 des Wärmeleitkörpers verteilt und in diese eingespeist wird.
Dem weiteren Kühlmittelverlauf in der Strahlungsquelle 50 entsprechend der in 3d bezeichneten Kühlmittelströmungsrichtung 25 folgend tritt das Kühlmittel bei allen Diodenlaserbauelemente 20 in zwei Portionen links und rechts über die Öffnungen 27 und 27a in den Metallisierungen 28a und 28b aus den Kühlkanälen 26 aus und vereinigt sich mit den jeweiligen Kühlmittelportionen der direkt benachbarten Diodenlaserbauelemente 20 in einen Zwischenraum, der als Kühlmittelflusspassage 37 zwischen den Wärmeleitkörpern der ablaufseitigen Sammlung des Kühlmittels in einer durch die Kühlmittelflusspassage 37 bereitgestellte Kühlmitteleinschnürungskammer 48b zur Abgabe an den jeweiligen ablaufseitigen Kühlmittelführungsdurchbruch 46b dient.
Die Kühlmittelflusspassagen 37 zwischen zwei unmittelbar benachbarten Wärmeleitkörpern sind gegenüber Kühlmittelaustritt abgedichtet durch einen erstes Fügemittel 33, welches alle Öffnungen 27 und 27a eines Wärmeleitkörpers gemeinsam U-förmig umgibt und die Metallisierungen 28a und 28b unmittelbar benachbarter Wärmeleitkörper stoffschlüssig miteinander verbindet. Dabei liegt der Mittelschenkel des aus Fügemittel gebildeten ”U” bezüglich der Öffnungen 27 uns 27a in Abstrahlungsrichtung 15. Ein zweites Fügemittel 33a dichtet zulaufseitig den Übergang zwischen dem rückwärtigen Ende des Wärmeleitkörpers und der Kühlmittelspreiznut 45a ab.
Eine Serienschaltung der Laserdiodenbarren 10 benachbarter Diodenlaserbauelemente 20 wird in Stapelrichtung 35 durch einen elektrisch leitenden Klebstoff 31 ermöglicht, der eine Fügezone zwischen der zweiten Kontaktfläche des Laserdiodenbarrens eines ersten Diodenlaserbauelementes 20 und der unterseitigen Metallisierung 28 des Wärmeleitkörpers eines, dem ersten Diodenlaserbauelement 20 in Stapelrichtung 35 unmittelbar benachbarten, zweiten Diodenlaserbauelements 20 bildet.
Anders als in den zwei vorangegangen Ausführungsbeispielen existiert hier nur eine Schar von Diodenlaserbauelementen 20, die allesamt strömungstechnisch parallel durchflossen werden. Vorteilhaft ist damit die Kühlmitteleintrittstemperatur bei allen Diodenlaserbauelementen prinzipiell gleich. Die Anzahl strömungstechnisch parallel durchflossener Gruppen ist identisch zur Anzahl der Diodenlaserbauelemente; ihre Gruppenstärke ist eins.
VIERTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Die Wärmeleitkörper von Diodenlaserbauelementen 20 eines vierten Ausführungsbeispieles besitzen als Grundkörper 21' eine Berylliumoxidplatte (BeO-Platte), in die eine Vielzahl von Durchbrüchen eingebracht ist, die sich mit zylindrischem Querschnitt von der Plattenoberseite 22 zur Plattenunterseite 22a erstrecken und die erfindungsgemäßen Kühlkanäle 26 bereitstellen (4a). Als Durchbrüche ausgebildet weisen diese oberseitig und unterseitig die erfindungsgemäßen Öffnungen 27 auf. Die Anordnung dieser Durchbrüche beschränkt sich auf einen zylindrischen Wärmeabgabeabschnitt im Grundkörper, dessen in Plattenebene kreisförmiger Querschnitt an die Form eines Dichtringes in O-Form angepasst ist. Abseits des Wärmeabgabeabschnittes ist an einer Kante der BeO-Platte eine Metallisierung 28 aufgebracht, die sich von der Plattenoberseite 22 über die frontseitige Endfläche 23a auf die Plattenunterseite 22a erstreckt und einen Laserdiodenbarren 10 trägt, dessen Abstrahlungsrichtung 15 der Lagerichtung des Wärmeabgabeabschnitts ihm bezüglich entgegen entgegengesetzt ist. Anstatt eine elektrische Verbindung der Metallisierung 28 von der Oberseite 22 auf die Unterseite 22a über die frontseitige Endfläche 23a zu etablieren, können auch Durchkontaktierungen im Grundkörper 21' dazu vorgesehen sein. Eine elektrische Verbindung über eine oder beide der Seitenflächen ist selbstverständlich ebenfalls möglich.
Vor ihrer Integration zu der Strahlungsemissionsanordnung 30 werden die Diodenlaserbauelemente 20 testweise betrieben. Dazu wird jedes Diodenlaserbauelement 20 in einen Kühlmittelkreislauf integriert, wobei ein Anschluss an die Kühlmittelquelle und die Kühlmittelsenke über Dichtringe erfolgt, die den Einlassbereich des Wärmeabgabeabschnitts Ober- und unterseitig umgeben und mit ihrer dichtenden Auflage auf der Oberseite 22 und der Unterseite 22a des Wärmeleitkörpers zu einer Abdichtung des Kühlmittelkreislaufes beitragen. Des weiteren erfolgt mit dem Anschluss des Diodenlaserbauelementes 20 an eine Stromquelle der Betrieb des Diodenlaserbauelementes und seine Emission von Strahlung. Der Funktionstest umfasst das Aufnehmen von Messwerten einer Strom-Spannungs-Kennlinie und einer Strom-Leistungs-Kennlinie, wobei in diesem Falle mit Leistung diejenige der emittierten Strahlung gemeint ist. Optional wird das Spektrum der emittierten Strahlung bei einem oder mehreren Stromstärken erfasst und registriert, womit eine Bestimmung des thermischen Widerstands des Diodenlaserbauelementes möglich wird.
Dem Funktionstest schließt sich eine Phase des testweisen Betriebes unter maximalen Belastungsbedingungen und/oder Anwendungsbedingungen an, bevor der Funktionstest wiederholt und seine Ergebnisse mit denen des ersten Funktionstests verglichen werden. Im Ergebnis dieser Qualifizierungsprozedur werden bestimmte Diodenlaserbauelemente 20 für die Verwendung in der Strahlungsquelle 50 ausgewählt.
Zu ihrem Aufbau wird ein Stapel von Diodenlaserbauelementen 20 zu einem Diodenlaserstapel 30 zusammengefasst, indem zwischen benachbarte Diodenlaserbauelemente 20 U-förmige Zwischenstücke 34 eingefügt und mittels Fügemittel 33/33a beidseitig stoffschlüssig an die Ober- beziehungsweise Unterseite der benachbarten Diodenlaserbauelemente 20 angebunden werden (4a, 4c). Die Schenkel des Zwischenstücks umgeben dabei jeweils in Abstrahlungsrichtung und seitlich die zur Plattenebene senkrechten Projektion des Wärmeabgabeabschnitts, während das Zwischenstück entgegen der Abstrahlungsrichtung zur Kühlmittelaufnahme beziehungsweise -abgabe geöffnet bleibt. Der Freiraum zwischen den Seitenschenkeln des Zwischenstücks 34 bildet im Kühlmittelflussverlauf die erfindungsgemäße Kühlmittelflusspassage 37 zwischen einander unmittelbar benachbarten Diodenlaserbauelementen. Das Zwischenstück kann sowohl aus Metall (beispielsweise Edelstahl), aus Keramik (beispielsweise Aluminiumoxid) oder Kunststoff (beispielsweise Polymethylmethacrylat oder Polycarbonat) usw. bestehen.
Die Seitenschenkel des Zwischenstücks 34 erstrecken sich etwa 1 mm über die rückseitige Endfläche 23 des Wärmeleitgrundkörpers 21' hinaus. Die hinausragenden Enden der Seitenschenkel erleichtern die Anordnung der Diodenlaserbauelemente zum Stapel, indem ihre Lage durch die sie aufnehmenden nutförmigen Aufnahmeausnehmungen 44 in der Kühlmittelverteilungsplatte 41 vorgegeben wird, die zusammen mit der Kühlmittelanschlussplatte 42 die Kühlmittelzu- und abführeinrichtung bildet (4b). Die in der Kühlmittelverteilungsplatte in Reihe senkrecht zu ihrer Längsachse angeordneten Aufnahmeausnehmungen weisen abwechselnd in der einen Plattenhälfte zulaufseitige Kühlmittelführungsdurchbrüche 46a und in der andern Plattenhälfte ablaufseitige Kühlmittelführungsdurchbrüche 46b auf.
Die durch das Zwischenstück 34 vorgesehene Kühlmittelflusspassage 37 ermöglicht zulaufseitig die Verteilung von Kühlmittel, das über die zulaufseitigen Kühlmittelführungsdurchbrüche 46a in die Strahlungsemissionsanordnung 30 einströmt, über die als Durchbrüche 27 ausgebildeten Kühlkanäle 26 zweier benachbarter Diodenlaserbauelemente 20 und ablaufseitig die Sammlung von Kühlmittel aus den Kühlkanälen zweier benachbarter Diodenlaserbauelemente 20, welches über die ablaufseitigen Kühlmittelführungsdurchbrüche 46b aus der Strahlungsemissionsanordnung 30 entweicht. Eine zu- und ablaufseitige Abdichtung der Kühlmittelflusspassagen 37 gegenüber der Kühlmittelzu- und abführeinrichtung erfolgt dabei über dasselbe Fügemittel 33/33a in denselben Fügezonen, mit dem auch die Diodenlaserbauelemente untereinander verbunden sind.
Wie beim vorangegangen dritten Ausführungsbeispiel existiert in der Strahlungsquelle 50 nur eine Schar von Diodenlaserbauelementen 20, die allesamt strömungstechnisch parallel durchflossen werden. Die Anzahl strömungstechnisch parallel durchflossener Gruppen ist identisch zur Anzahl der Diodenlaserbauelemente 20; ihre Gruppenstärke ist eins.
In einer alternativen Variante der Strahlungsquelle des vierten Ausführungsbeispiels besteht der Wärmeleitgrundkörper 21' aus einem Silber-Diamant-Verbundwerkstoff, der elektrisch leitfähig ist. Zur elektrischen Isolierung des Diodenlaserbauelementes und/oder zum Schutz vor elektrochemischer Korrosion gegenüber dem Kühlmittel sind die Öffnungen 27 und die sie umgebenden Dichtflächen – wie in der Patentschrift DE 10 2007 051 798 B3 vorgeschlagen – mit einer anorganischen elektrisch nicht leitfähigen Schutzschicht und/oder einer abschließenden Refraktärmetallschicht versehen.
FÜNFTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
In einem fünften Ausführungsbeispiel wird ein Wärmeleitkörper 21 verwendet, der aus 5 Platten Kupfer von jeweils 0,25 µm Dicke zusammengesetzt ist, welche nach oberflächlicher Oxidierung mittels eutektischem Bonden in einem DCB-Verfahren (”direct copper bonding”) verbunden wurden. In diesem Körper liegen drei Gruppen von Kühlkanäle bildenden Ausnehmungen vor, die mit ihren Längsachsen parallel zur Abstrahlungsrichtung orientiert sind (5a, 5b): Eine erste Gruppe von Kühlkanälen 26 ist oberseitig in den Wärmeleitkörper 21 eingebracht – besitzt folglich oberseitig erfindungsgemäße Öffnungen 27 – und mündet rückwärtig, das heißt in der Abstrahlungsrichtung 15 abgewandter Richtung, in eine oberseitige Ausnehmung, die in der Strahlungsquelle 50 als zulaufseitige Kühlmittelspreizkammer 48a oder ablaufseitige Kühlmitteleinschnürungskammer 48b Verwendung findet (5c). Eine zweite Gruppe von Kühlkanälen 26a ist symmetrisch zur ersten in die Unterseite des Wärmeleitkörpers 21 eingebracht und mündet ebenso wie die Kühlkanäle der ersten Gruppe rückwärtig in eine für die Kühlkanäle 26a gemeinsame Ausnehmung. Zwischen benachbarten Kühlkanälen 26, 26a sind wärmeleitende Kühlrippen 26', 26'a ausgebildet, die erfindungsgemäße Wärmeaufnahmeflächen 26* tragen. Eine dritte Gruppe von Kühlkanälen 26b verbindet die dem Wärmeaufnahmeabschnitt zugewandten Enden einander gegenüberliegender Kühlkanäle 26 und 26a der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe von Kühlkanälen. Damit existiert eine Reihe von Durchbrüchen im Wärmeleitkörper die von den frontseitigen Endabschnitten der Kühlkanäle 26 und 26a der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe von Kühlkanälen gemeinsam mit den Kühlkanälen 26b der dritten Gruppe von Kühlkanälen gebildet wird.
Zur Unterbindung von elektrokorrosiven Effekten ist der Wärmeleitkörper an allen Flächen, die mit dem Kühlmittel in Berührung kommen, mit einer Schicht von diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC, diamond-like carbon) beschichtet.
Ein sich gegenüber der Kühlkanäle 26b der dritten Gruppe von Kühlkanälen in rückwärtiger Richtung zwischen den Kühlkanälen 26 und 26a der ersten und der zweiten Gruppe von Kühlkanälen erstreckender Materialbereich ragt rückwärtig über den Bereich der den Kühlkanälen der ersten und zweiten Gruppe jeweils gemeinsamen Ausnehmungen hinaus, um als Feder einer Nut-Feder-Verbindung in die nutförmigen Aufnahmeausnehmung 44 der Kühlmittelverteilungsplatte 41 einer zur Kühlmittelzu- und abführeinrichtung 40 des zweiten Ausführungsbeispieles (2b) identischen Kühlmittelzu- und abführeinrichtung 40 einzugreifen.
Die Laserdiodenbarren 10 sind jeweils mit Indiumlot auf die Wärmeleitkörper 21 aufgelötet. Die zwischen den Diodenlaserbauelementen 20 in der Strahlungsquelle 50 ausgebildeten Kühlmittelflusspassagen 37 entsprechen in ihrer Dicke etwa dem des Laserdiodenbarrens zuzüglich der elektrisch leitfähigen Fügezone 31 zur elektrischen Verbindung mit dem benachbarten Wärmeleitkörper 21; das sind etwa 100 bis 200 µm. Es sind prinzipiell auch noch kleinere Abstände von etwa 10 µm möglich, die nur durch die Dicke der Fügezone des elektrisch isolierenden Fügemittels 32, welches U-förmig um den Bereich der Kühlkanäle angeordnet ist, vorgegeben ist, sofern der Laserdiodenbarren 10 gegenüber der Oberseite des Wärmeleitkörpers 21 in Stapel-/Dickenrichtung 35 abgesetzt angeordnet ist. Tatsächlich sollte die Dicke der Kühlmittelpassage zwischen den Diodenlaserbauelementen 20 in diesem Ausführungsbeispiel so klein wie möglich gehalten werden, damit Durchfluss und Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels in den Kühlkanälen 26 und 26a maximal werden.
Die Kühlmittelströmungsrichtungspfeile 25 veranschaulichen den Verlauf des Kühlmittels, das sich von den zulaufseitigen Kühlmittelführungsdurchbrüchen 46a in die zulaufseitigen Kühlmittelspreizkammern 48a ergießt, die als rückwärtige oberseitige beziehungsweise unterseitige Ausnehmungen in den Wärmeleitkörpern 21 zweier unmittelbar benachbarten Diodenlaserbauelemente 20 ausgebildet sind. In zwei parallelen Kühlmittelportionen durchströmt das Kühlmittel sowohl die Kühlmittelflusspassage 37 als auch die Kühlkanäle 26 und 26a in einander zugewandten Seiten unmittelbar benachbarten Diodenlaserbauelementen 20, bevor sich der Kühlmittelstrom vollends teilt, indem jede Kühlmittelportion durch die durch die Kanäle 26b der dritten Gruppen von Kanälen gebildeten Durchbrüche auf die gegenüberliegende Seite jedes der beströmten Diodenlaserbauelemente 20 tritt, um sich dort mit den Kühlmittelportionen der jeweils nächst benachbarten Diodenlaserbauelemente 20 zu vereinigen. in der Abstrahlungsrichtung 15 entgegengesetzten Richtung fließt das Kühlmittel in Folge durch die Kühlkanäle 26/26a, die auf den Seiten der Diodenlaserbauelemente 20 angeordnet sind, die denjenigen jener Kühlkanäle 26a/26 gegenüberliegen, die zuvor in Abstrahlungsrichtung durchflossen wurden. Durch die ablaufseitigen Kühlmittelführungsdurchbrüche 46b verlässt das Kühlmittel den Diodenlaserstapel 30, nachdem es zuvor in den ablaufseitigen Kühlmitteleinschnürungskammern 48b, die als rückwärtige oberseitige beziehungsweise unterseitige Ausnehmungen in den Wärmeleitkörpern 21 zweier unmittelbar benachbarten Diodenlaserbauelemente 20 ausgebildet sind, austretend aus den Kühlkanälen 26/26a gesammelt wurde.
Wie bei den vorangegangen dritten und vierten Ausführungsbeispielen existiert in der Strahlungsquelle 50 nur eine Schar von Diodenlaserbauelementen 20, die allesamt strömungstechnisch parallel durchflossen werden. Die Anzahl strömungstechnisch parallel durchflossener Gruppen ist identisch zur Anzahl der Diodenlaserbauelemente 20; ihre Gruppenstärke ist eins. Der Unterschied gegenüber dem dritten und vierten Ausführungsbeispielen besteht jedoch darin, dass in jedem Diodenlaserbauelement zwei Gruppen von Kühlkanälen vorliegen, die nicht parallel, sondern seriell durchflossen werden. Damit lässt sich gegenüber parallel durchflossenen Kühlkanälen eine höhere Strömungsgeschwindigkeit und folglich ein verbesserter Wärmeübergang an den Wärmeabgabeflächen 26* erzielen. Allerdings erhöht sich damit auf der Druckverlust gegenüber parallel durchflossenen Gruppen von Kühlkanälen.
SECHSTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Anstatt kantenemittierende Laserdiodenbarrens ist die erfindungsgemäße Strahlungsquelle im sechsten Ausführungsbeispiel weisen die Diodenlaserbauelemente 20 Felder 10 von oberflächenemittierenden Laserdioden auf, die jeweils monolithisch im Laserdiodenelement integriert sind. Diese werden nachfolgend als VCSEL-Felder 10 bezeichnet. Ein solches VCSEL-Feld 10 ist in 6a dargestellt, und zwar zusammen mit dem Wärmeleitkörper 21, auf dem es montiert ist. Die schwarzen Punkte auf dem VCSEL-Feld 10 deuten die einzelnen VCSEL-Emitter an, deren Gesamtheit das Feld bildet. Eine Metallisierung erstreckt sich strahlungsemissionsseitig über die Oberfläche des Feldes, wobei die VCSEL-Emitter von der Metallisierung ausgespart bleiben. Die Metallisierung ermöglicht eine Stromverteilung über alle VCSEL-Emitter, deren Anordnung gegenüber dem Schwerpunkt des Laserdiodenelementes in einer ersten Achsrichtung versetzt liegt um auf einer Seite (rechts in 6a) Platz für den Anschluss eines elektrischen Verbindungs- und/oder Kontaktelementes auf der Metallisierung bereitzustellen. Das Abstrahlungsrichtungssymbol 15a deutet an, dass die Abstrahlungsrichtung aus der Bildebene heraus auf den Betrachter zu orientiert ist.
Der Wärmeleitkörper 21 besteht aus zwei Bauteilen: Einen Kühlrippenkörper und einem Kupfer-Aluminiumnitrid-Kupfer-Schichtkörper, dessen dem VCSEL-Feld 10 zugewandte, erste Kupferschicht 28 einen strahlungsreflexionsseitigen elektrischen Kontakt für das VCSEL-Feld 10 bildet. Das VCSEL-Feld 10 ist gegenüber dem Schwerpunkt der Kupferschicht 28 in der ersten Achsrichtung entgegensetzt zu der Richtung des Versatzes der VCSEL-Emitter im Feld versetzt, um auf der Kupferschicht Platz für den Anschluss eines elektrischen Verbindungs- und/oder Kontaktelementes auf der Metallisierung bereitzustellen.
Der Kühlrippenkörper ist an der in 6a nicht sichtbaren, zweiten Kupferschicht angelötet, die auf der dem VCSEL-Feld 10 abgewandten Seite der Aluminiumnitridschicht befestigt ist, und weist eine Vielzahl von länglichen Kühlrippen 26 quadratischen Querschnitts auf, die sich senkrecht zum Querschnitt bezüglich des Schichtkörpers in vom VCSEL-Feld 10 abgewandter Richtung erstrecken und zwischen denen Kühlkanäle 26 ausgebildet sind.
Die Strahlungsemissionsanordnung ist als Diodenlaserfeld 30 ausgebildet, dessen Diodenlaserbauelemente 20 in zwei Benachbarungsrichtungen 35 und 36 feldartig angeordnet sind (6b). Zur lagegenauen Fixierung der Diodenlaserbauelemente 20 dient eine Deckplatte 43, in deren Durchbrüche die Diodenlaserbauelemente seitens ihrer Kühlrippenkörper eingeführt sind. In der Ansicht von 6b sieht der Betrachter in Abstrahlungsrichtung 15a auf die Unterseite der Deckplatte 43 und die Kühlrippenkörper entgegen der Richtung aus der die Diodenlaserbauelemente in die Durchbrüche der Deckplatte 43 eingeführt wurden. Auf der gegenüberliegenden, nicht sichtbaren Seite der Deckplatte besteht um jeden Durchbruch ein dichtende Verbindung der Oberseite der Deckplatte 43 mit einem den Kühlrippenkörper umlaufenden Randbereich der zweiten Kupferschicht.
Zwischen den Kühlrippenkörpern benachbarter Diodenlaserbauelemente bestehen erfindungsgemäße Kühlmittelflusspassagen 37, die von Kühlmittel aus den an den äußeren Kühlrippen bestehenden erfindungsgemäßen Öffnungen gespeist werden beziehungsweise Kühlmittel an die Zwischenräume der Kühlrippen einspeisen.
Des weiteren ist zu erkennen, dass die vier Eckbereiche der quadratischen Kühlrippenanordnung im Kühlrippenkörper von Kühlrippen ausgespart sind, ebenso wie der Zentralbereich des Kühlrippenkörpers. Diese kühlrippenfreien Bereiche dienen der Sammlung beziehungsweise Verteilung des Kühlmittels aus beziehungsweise in vier Hauptrichtungen im Kühlrippenkörper selbst oder an den Eckstosspunkten zwischen vier Kühlrippenkörpern von über Eck benachbarten Diodenlaserbauelementen 20.
Eingebracht beziehungsweise abgeführt aus diesen kühlmittelfreien Bereichen wird das Kühlmittel über die zulaufseitigen Kühlmittelführungsdurchbrüche 46a beziehungsweise die ablaufseitigen Kühlmittelführungsdurchbrüche 46b einer Kühlmittelverteilungsplatte, von der in 6c die Oberseite und in 6d die Unterseite zu sehen ist. Über in die Unterseite der Kühlmittelverteilungsplatte als Nuten eingebrachte zulaufseitige Kühlmittelverteilungskanäle 47a wird das Kühlmittel auf die zulaufseitigen Kühlmittelführungsdurchbrüche 46a verteilt; über in die Unterseite der Kühlmittelverteilungsplatte als Nuten eingebrachte ablaufseitige Kühlmittelverteilungskanäle 47a wird das Kühlmittel aus die ablaufseitigen Kühlmittelführungsdurchbrüchen 46b gesammelt. Beide Gruppen von Kühlmittelführungskanälen 47a und 47b sind an einander gegenüberliegenden Enden jeweils an einen länglichen Durchbruch 47'a beziehungsweise 47'b angeschlossen, der sich über die Enden jeweils einer Gruppe erstreckt und das Kühlmittel auf sie zulaufseitig verteilt beziehungsweise ablaufseitig sammelt.
Eine nicht sichtbare Abschlussplatte verschließt die Kühlmittelverteilungsplatte 41 unterseitig zur Bildung einer erfindungsgemäßen Kühlmittelzu- und abführeinrichtung, die durch den 6e dargestellten zulaufseitigen Kühlmittelanschluss 42a und ablaufseitigen Kühlmittelanschluss 42b vervollständigt wird, indem diese dichtend an der Oberseite der Kühlmittelverteilungsplatte 41, die Kühlmittelführungskanäle 47'a und 47'b verschließend, befestigt werden. Oberseitig tragen die Kühlmittelanschlüsse 42a und 42b als Metallplatten ausgebildete elektrische Anschlusselemente 39a und 39b, deren Funktion mit Blick auf den Diodenlaser als Strahlungsquelle 50 in 6f deutlich wird: In ihr sind die Unterseite der Deckplatte 43 des Diodenlaserfeld 30 und Oberseite der Kühlmittelverteilungsplatte 41 stoffschlüssig und kühlmitteldicht miteinander verbunden. Die VCSEL-Felder 10 sind im Diodenlaserfeld 30 elektrisch seriell miteinander über elektrische Verbindungselemente verschaltet, die sich in jeder Reihe von VCSEL-Feldern jeweils von der strahlungsemissionsseitigen Metallisierung des VCSEL-Feldes 10 eines ersten Diodenlaserbauelementes 20 zu der Kupferschicht 28 eines dem ersten Diodenlaserbauelement 20 benachbarten Diodenlaserbauelementes erstreckt und diese elektrisch leitend stoffschlüssig kontaktiert. Benachbarte Reihen von VCSEL-Feldern sind über elektrische Verbindungszwischenelemente 29a und 29a, die als Metallschichten auf die Oberseiten der Kühlmittelanschlüsse 42a und 42b aufgebracht sind, miteinander elektrisch in Reihe verbunden. Die elektrische Kette von VCSEL-Feldern wird anoden- und kathodenseitig durch die bereits erwähnten elektrischen Anschlusselemente 39a und 39b terminiert.
Strömungstechnisch besteht bei dieser zweidimensionalen Feldanordnung von Diodenlaserbauelementen die Situation, dass das Kühlmittel, welches jeweils mittig in die jeweiligen Kühlrippenkörper eingebracht wird, in vier Kühlmittelportionen zerfällt, von der sich jede jeweils an einer der vier Ecken des Kühlrippenkörpers mit den drei Kühlmittelportionen vereinigt, die aus den Kühlrippenkörpern stammen, die in dem betreffenden Vereinigungsbereich eine Ecke besitzen.
Wie bei den vorangegangen dritten, vierten und fünften Ausführungsbeispielen existiert in der Strahlungsquelle 50 nur eine Schar von Diodenlaserbauelementen 20, die allesamt strömungstechnisch parallel durchflossen werden. Die Anzahl strömungstechnisch parallel durchflossener Gruppen ist identisch zur Anzahl der Diodenlaserbauelemente 20; ihre Gruppenstärke ist eins.
Mit einer solchen Strahlungsquelle 50 wird eine hohe optische Leistung in hervorragender optische Qualität auf einer großen, nahezu kontinuierlich leuchtenden Fläche bereitgestellt. Die beschriebenen Komponenten dieser Strahlungsquelle lassen sich in ihrer Anzahl skalieren, so dass Lichtemissionstafeln von mehreren Quadratmetern Größe herstellbar sind.
Ein Anwendungsbeispiel zeigt 6g mit einer erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung 60 zur Materialbehandlung. Dabei wird die aus dem Diodenlaser 50 austretende Strahlung, deren Strahlungs richtung anhand der Pfeile 15 gekennzeichnet ist, über eine Teleskopanordnung zunächst mittels einer Zerstreuungsoptik 61a divergiert und mittels einer Sammeloptik kollimiert. Sie trifft im aufgeweiteten Zustand als paralleles Strahlenbündel auf ein auf einem Träger 64 gelagertes Werkstück 65, das durch zumindest teilweise Absorption der Strahlung einen zumindest oberflächlichen stofflichen Veränderungsprozess durchläuft. Ein Beispiel für ein solches Werkstück ist eine eine amorphe Siliziumschicht tragende Glasplatte, wobei die amorphe Siliziumschicht durch Tempern in eine polykristalline Schicht umgewandelt wird, beispielsweise im Herstellungsprozess von Dünnschichttransistoren (TFTs).
Optikmittel zur Homogenisierung der Intensitätsverteilung des Strahlenbündels können bei Bedarf in den Strahlengang eingebracht werden.
SIEBTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Das siebte Ausführungsbeispiel weist für kantenemittierende Laserdiodenbarren als Laserdiodenbauelemente 10 gegenüber den Ausführungsbeispielen eins bis fünf den Unterschied auf, dass die erfindungsgemäße Benachbarungsrichtung – das heißt die Richtung, in die die erfindungsgemäßen Öffnungen 27 weisen und in der die erfindungsgemäßen Kühlmittelflusspassagen zwischen den Diodenlaserbauelementen bestehen – nicht die Stapelrichtung 35/35a ist, sondern die Reihenrichtung 36/36a. Zum Unterschied zwischen Reihen und Stapelrichtung bei kantenemittierende Halbleiterbauelementen wird auf die Erfindungsbeschreibung verwiesen.
Gleichwohl handelt es sich bei dem siebten Ausführungsbeispiel um eine Strahlungsquelle 50 mit einem Diodenlaserfeld 30 von mehreren Diodenlaserstapeln, die nebeneinander in Reihe angeordnet sind.
Ein Diodenlaserbauelement 20 dieser Diodenlaserstapel ist in 7a dargestellt. Der Wärmeleitkörper 21 ist aus vier Schichten Kupfer im DCB-Verfahren (siehe fünftes Ausführungsbeispiel) hergestellt. Die Schichtdicken betragen in Reihenfolge von unten nach oben in Dickenrichtung 0,3 mm, 0,2 mm, 0,2 mm und 0,3 mm. Der Wärmeleitkörper besitzt ein U-Form, wobei der Mittelschenkel die Wärmeaufnahmefläche umfasst, auf der der Laserdiodenbarren 10 mit Indiumlot aufgelötet ist. Die Seitenschenkel erstrecken sich entgegen der Abstrahlungsrichtung in Wärmeleitrichtung parallel zueinander und belassen zwischen ihnen einen keilförmigen Zwischenraum 48a, der von der Rückseite des Wärmeleitkörpers in Abstrahlungsrichtung spitz zuläuft und eine Kühlmittelspreizkammer bildet. Die vom Zwischenraum abgewandten linken und rechten Seitenflächen 22/22a des Wärmeleitkörpers verlaufen im Bereich der Seitenschenkel unter einem Winkel von 15° geneigt zur Abstrahlungsrichtung in der Weise, dass jeder Seitenschenkel in der Draufsicht die Form eines sich in Wärmeleitrichtung verjüngenden Trapezes annimmt.
Jeder Seitenschenkel besitzt eine Vielzahl von Kühlkanälen 26/26a, die sich vom Zwischenraum zu den geneigten Seitenflächen erstrecken, wodurch zwischen den Kühlkanälen 26/26a Kühlrippen 26'/26'a vorliegenden, über deren Wandflächen 26* die Wärme an ein durch die Kühlkanäle fließendes Kühlmittel abgegeben wird. Die erfindungsgemäßen Öffnungen 27/27a der Kühlkanäle 26/26a liegen auf der linken Seitenfläche 22 beziehungsweise rechten Seitenfläche 22a der Seitenschenkel, wobei die Öffnungen 27a in 7a auf der rechten Seitenfläche 22a nicht bezeichnet sind, weil sie nicht sichtbar sind.
Die Diodendiodenlaserbauelemente 20 werden zu einem Diodenlaserstapel in einer Stapelrichtung 35 miteinander verbunden, wobei jeweils den Diodenlaserbauelementen 20 abgewandte Kontaktflächen der Laserdiodenbarren 10 über einen elektrisch leitfähigen Klebstoff mit dem Wärmeleitkörper 21 eines unmittelbar benachbarten Diodenlaserbauelementes 20 verbunden sind, so dass die Diodenlaserbauelemente 20 eines Stapel untereinander elektrisch seriell verschaltet sind (7b). Die Wärmeleitkörper 21 sind abseits der Wärmeaufnahmefläche, sprich abseits vom Laserdiodenbarren, jeweils über einen elektrisch nicht leitfähigen Klebstoff 32 mit dem Wärmeleitkörper 21 eines unmittelbar benachbarten Diodenlaserbauelementes 20 flächig stoffschlüssig verbunden und bilden gegenüber dem Kühlmittel die erfindungsgemäße Dichtung aus. Der oberste Wärmeleitkörper 21 im Stapel trägt keinen Laserdiodenbarren 10, sondern dient nur zum kühlungstechnischen Abschluss und elektrischen Abschluss des Diodenlaserstapels.
Mehrere Diodenlaserstapel werden weiterhin einer Reihe in Reihenrichtung 36/36a nebeneinander angeordnet (7c, 7f). Ein elektrisch nicht leitfähiger Klebstoff 32a verbindet zwei benachbarte Diodenlaserstapel stoffschlüssig, in dem er den Bereich zwischen den Wärmeaufnahmeabschnitten benachbarter Wärmeleitkörper 21 dichtend gegenüber dem Kühlmittel überbrückt. Die Bereiche zwischen den Wärmeabgabeabschnitten benachbarter Wärmeleitkörper bleiben frei und bilden die erfindungsgemäße Kühlmittelflusspassage 37 aus. Durch die Neigung der Seitenflächen, sind sie ebenso keilförmig und in Abstrahlungsrichtung spitz zulaufend ausgebildet wie die Seitenschenkelzwischenräume der Wärmeleitkörper. Diese Form ermöglicht eine druckverlustarme Kühlmittelverteilung in beziehungsweise Kühlmittelsammlung aus den Kühlkanälen 26 und 26a des Diodenlaserfeldes 30. Deckplatten 43 und 43a sind Ober- beziehungsweise unterseitig des Diodenlaserfeldes 30 angebracht, tragen zu einem Einschluss des Kühlmittels in der Strahlungsquelle 50 bei und stellen eine elektrischen Serien- oder Parallelverschaltung der Diodenlaserstapel bereit sowie elektrische Anschlüsse für das Diodenlaserfeld 30, welche nicht explizit dargestellt sind.
Der Kühlmittelfluss in der Strahlungsquelle 50 erfolgt in der Weise, dass das Kühlmittel über die Kühlmittelzu- und abführeinrichtung 40, dargestellt in 7d, in die Kühlmittelverteilungskammern 48 eingebracht wird, die durch die Zwischenräume 48 der Seitenschenkel der Wärmeleitkörper 21 gebildet werden (7f). Von dort aus verzweigen sich zwei Kühlmittelportionen in entgegengesetzten Richtungen parallel zur Reihenrichtung 36/36a in die Kühlkanäle 26 und 26a jedes Wärmeleitkörpers 21. Auf der den Zwischenräumen 48 gegenüberliegenden Seiten treten die Kühlmittelportionen aus den Kühlkanälen 26 und 26a aus und vereinigen sich in den Kühlmittelflusspassagen 37 mit den Kühlmittelportionen aus den Diodenlaserbauelementen 20 des jeweils benachbarten Diodenlaserstapels. Über die Kühlmittelzu- und abführeinrichtung 40 verlässt das Kühlmittel das Diodenlaserfeld 30. Da über die elektrisch leitfähigen Wärmeleitkörper 21 ein elektrisches Potential an vom Kühlmittel benetzten Oberflächen vorhanden ist, welches stufenweise von Diodenlaserbauelement 20 zu Diodenlaserbauelement 20 in Schritten des Spannungsabfalls über dem pn-Übergang des Laserdiodenbarren variiert, wird als Kühlmittel Wasser verwendet, welches nur eine geringe elektrische Leitfähigkeit von 5 µS/cm besitzt.
Die Kühlmittelzu- und abführeinrichtung 40 besteht aus einer Kühlmittelverteilungsplatte 41 und einer Kühlmittelanschlussplatte 42. In der Oberseite der Kühlmittelverteilungsplatte sind in Reihenrichtung abwechselnd zulaufseitige Kühlmittelspreiznuten 45a und ablaufseitige Kühlmitteleinschnürungsnuten 45b eingebracht, deren Längsachsen in Plattenebene parallel zueinander und senkrecht zur Reihenrichtung liegen. Von den unterseitig in die Kühlmittelverteilungsplatte eingebrachten Kühlmittelführungsdurchbrüche 46a und 46b sind zulaufseitige (46a) in einer ersten Hälfte der Kühlmittelverteilungsplatte 41 angeordnet und stehen mit den zulaufseitigen Kühlmittelspreiznuten 45a Verbindung und ablaufseitige (46b) in der zweiten Hälfte, wobei sie mit den ablaufseitige Kühlmitteleinschnürungsnuten 45b in Verbindung stehen (7e).
Den Kühlmittelführungsdurchbrüchen 46a und 46b auf der den Kühlmittelführungsnuten 45a und 46a abgewandten Seite gegenüberliegende Kühlmittelführungskanäle 47a und 47b in der Kühlmittelanschlussplatte 42 dienen dem zulaufseitig dem Verteilen von Kühlmittel auf die zulaufseitigen Kühlmittelführungsdurchbrüche 46a und ablaufseitig dem Sammeln von Kühlmittel aus den ablaufseitigen Kühlmittelführungsdurchbrüchen 46b.
Wie bei den vorangegangen dritten bis sechsten Ausführungsbeispielen existiert in der Strahlungsquelle 50 nur eine Schar von Diodenlaserbauelementen 20, die allesamt strömungstechnisch parallel durchflossen werden. Die Anzahl strömungstechnisch parallel durchflossener Gruppen ist identisch zur Anzahl der Diodenlaserbauelemente 20; ihre Gruppenstärke ist eins.
ACHTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Das achte Ausführungsbeispiel betrifft eine Ausbildungsform der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle, in der die Anordnungsrichtung der Halbleiterbaugruppen 20 nicht senkrecht zur Abstrahlungsrichtung angeordnet ist, wie das in den sieben vorangegangen Ausführungsbeispielen der Fall ist, sondern – baugruppenweise – parallel dazu. Eine solche Anordnung wird beispielsweise dann möglich, wenn die Strahlung emittierenden Halbleiterbauelemente – in diesem Fall kantenemittierende Laserdiodenbarren 10 – nicht nur in Abstrahlungsrichtung, sondern auch senkrecht dazu versetzt angeordnet sind, so dass ein Laserdiodenbauelement nicht im Strahlengang eines anderen steht (8e, 8f).
Alternativ können natürlich strahlumlenkende Optiken verwendet werden, um bei einem fehlenden Versatz senkrecht zur Abstrahlungsrichtung 15 die emittierten Strahlenbündel in eine Richtung umzulenken, in der ihnen kein Laserdiodenbarren 10 oder Diodenlaserbauelement 20 im Weg ist. Derartige strahlumlenkende Optiken können sowohl im Laserdiodenelement als auch im Wärmeleitkörper integriert oder angebracht sein, wobei im Resultat eine Abstrahlungsrichtung vorliegt die, senkrecht zur Anordnungsrichtung vorliegt, so wie es im sechsten Ausführungsbeispiel der Fall ist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel liegt keine Strahlumlenkung vor, und die Diodenlaserbauelemente 20 – und mit ihnen die Laserdiodenbarren 10 – sind in einer Normalenrichtung der Kontaktflächen des Laserdiodenbarrens bauelementweise so zueinander versetzt, dass in Abstrahlungsrichtung 15 die Strahlungsausbreitung auf der optischen Achse nicht behindert ist. Die Anordnung der Diodenlaserbauelemente 20 und mit ihnen derjenige der Laserdiodenbarren 10 in beziehungsweise entgegen der Abstrahlungsrichtung 15 erfolgt in einer Tiefenrichtung 36b von hintereinander angeordneten Diodenlaserbauelementen 20. Dabei ist der Versatz der Laserdiodenbarren senkrecht zur Tiefenrichtung kleiner als der in Tiefenrichtung 36b, so dass ein hochbrillantes Strahlungsfeld von der Strahlungsquelle emittiert wird. Beispielsweise ist der Versatz von Diodenlaserbauelementen 20 in dieser Diodenlaseranordnung in Tiefenrichtung 2 mm und senkrecht dazu 0,5 mm.
Damit ergibt sich im übrigen eine Mehrzahl von parallel zueinander versetzten Anordnungsrichtungen, von der jede einem Diodenlaserbauelement zugeordnet ist. In einer dazu alternativen Betrachtungsweise existiert nur eine, die Diodenlaseranordnung übergreifende, Anordnungsrichtung, die um 14° (dem Arcustangens des Verhältnisses aus Versatz in Normalenrichtung und Tiefenrichtung) gegenüber der Abstrahlungsrichtung 15 geneigt ist.
Optische Kollimationsmittel, die vor jedem Laserdiodenbarren angeordnet sein können, eignen sich für eine Kollimation der Strahlung, die verhindert, dass andernfalls divergente Strahlenbündelabschnitte auf in Abstrahlungsrichtung 15 angeordnete Diodenlaserbauelemente 20 treffen. Bezüglich einer derartigen optischen Anordnung und ihren Weiterbildungen wird auf die Offenlegungsschrift WO 2007 061509 A2 verwiesen.
Das Diodenlaserbauelement dieses Ausführungsbeispiels weist einen plattenförmigen Wärmeleitkörper 21 auf, der aus einem Verbundwerkstoff von Kohlenstoffnanofasern und Kupfer besteht (8a). Die Wärmeaufnahmefläche, die als Montagefläche für den Laserdiodenbarren 10 dient, ist auf einer frontseitigen Endfläche 23a, die gegenüber der Plattenoberseite 22 um 90° geneigt ist, angeordnet. Der Laserdiodenbarren ist an der Kante zur Plattenunterseite seitens seiner ersten elektrischen Kontaktfläche mittels eines Gold-Zinn-Lotes auf die Wärmeaufnahmefläche 21 aufgelötet. Die Abstrahlungsrichtung 15 weist in Richtung der Unterseitennormalen des Wärmeleitkörpers 21. Ausnehmungen 26 erstrecken sich oberseitig, Ausnehmungen 26a unterseitig, ausgehend von der der frontseitigen Endfläche 23a gegenüberliegenden rückseitigen Endfläche zu etwa zwei Dritteln der Länge der Wärmesenke in Abstrahlungsrichtung 15 (8a, 8f). Sie wurden mittels eine Metallkreissäge in den Wärmeleitkörper 21 eingebracht. Die unterseitigen Kühlkanäle 26a enden in strahlungsemissionsseitiger Richtung 15 in einem um den Versatz in Stapelrichtung von 0,5 mm größeren Abstand von der frontseitigen Endfläche 23a des Wärmeleitkörper 21 als die oberseitigen Kühlkanäle 26a, Oberseitig und unterseitig weisen die als Kühlkanäle 26 und 26a fungierenden Ausnehmungen die erfindungsgemäßen Öffnungen 27 und 27a (letztere, da auf der Unterseite gelegen, in 8a nicht sichtbar und nicht bezeichnet) auf, über die das Kühlmittel in einen Freiraum zwischen unmittelbar benachbarten Diodenlaserbauelementen 20 treten kann. Ein auf der dem Wärmeleitkörper 21 abgewandten, zweiten elektrischen Kontaktfläche ebenfalls mit einem Gold-Zinn-Lot befestigtes elektrisches Anschlusselement 29 ist als Kupfer-Molybdän-Verbundmetallblech L-förmig ausgebildet, wobei die Außenseite des längeren Schenkels die Kontaktfläche gegenüber dem Laserdiodenbarren 10 beinhaltet.
Zwischen zwei in der Diodenlaseranordnung benachbarten Diodenlaserbauelementen ist jeweils ein Zwischenstück 34 vorgesehen, dass eine längliche Öffnung 37 aufweist, die gegenüber den frontseitigen Endabschnitten der Kühlkanäle 26 an der Oberseite 22 des Wärmeleitkörpers positioniert werden. Eine längliche Ausnehmung in der rückwärtigen Endfläche des Zwischenstücks 34 ist gegenüber den rückseitigen Endabschnitten der Kühlkanäle angeordnet und dient als Kühlmittelführungskammer 48. Die Oberseite 22 des Wärmeleitkörpers 21 dient zwischen den strahlungsemissionsseitigen Endabschnitten der Öffnungen 27 als erfindungsgemäße Dichtfläche, wobei das Zwischenstück 34 seinen Teil zur Dichtung beiträgt. Über beidseitig auf das Zwischenstück aufgetragene, nicht bezeichnete Klebstoffschichten sind jeweils zwei benachbarte Diodenlaserbauelemente miteinander stoffschlüssig verbunden.
Ein Freiraum an der Rückseite zwischen zwei über die Enden der Kanäle 26, 26a hervorstehenden Seitenabschnitten des Wärmeleitkörpers 21 gestattet zulaufseitig einen Durchtritt des Kühlmittels von der Oberseite auf die Unterseite des Wärmeleitkörpers und ablaufseitig einen Durchtritt des Kühlmittels von der Unterseite auf die Oberseite des Wärmeleitkörpers 21.
Eine Kühlmittelverteilungseinheit 41a komplettiert zusammen mit der Diodenlaseranordnung die Strahlungsquelle 50. Sie ist in 8c in Frontansicht, in 8d in Rückansicht, in 8e in Schrägansicht und in 8f in Querschnittsansicht dargestellt und ist auf der der Diodenlaseranordnung zugewandten Seite stufenförmig ausgebildet und auf der der Diodenlaseranordnung abgewandten Seite rampenförmig. Gestrichelte Linien in 8d, 8e und 8f deuten an, dass die Kühlmittelverteilungseinheit 41a aus untereinander flächig verbundenen Platten aus elektrisch nicht leitfähigem Material – beispielsweise LTC-(lowtemperature co-fired)-Keramik – besteht, deren Anzahl der der Stufen zuzüglich eins entspricht, auf der die Diodenlaserbauelemente 20 seitens ihre rückwärtigen Endfläche angeordnet sind. Auf der Ebene jeder Stufe bestehen in der Platte der nachfolgend darüber gelegenen Stufe abwechselnd zulaufseitige Kühlmittelspreiznuten 45a und ablaufseitige Kühlmitteleinschnürungsnuten 45b, die auf der der Diodenlaseranordnung zugewandten Seite über die volle Erstreckungsbreite der Kühlkanäle 26 der Wärmeleitkörper ausgedehnt sind und auf der Diodenlaseranordnung abgewandten Seite auf Nuten von knapp der Hälfte dieser Breite beschränkt sind, wobei dort zulaufseitige Einlässe und ablaufseitige Auslässe in verschiedenen Hälften der Kühlmittelverteilungseinheit 41a angeordnet sind und sich jeweils zur Vergrößerung des Kanalquerschnitts in den Kühlmittelflusspfaden abschnittsweise über zwei Platten erstrecken, in denen das Kühlmittel in einem Diodenlaserbauelement 20 zulaufseitig in zwei Portionen aufgeteilt wird oder ablaufseitig aus zwei Portionen vereinigt wird.
In der Diodenlaseranordnung kontaktiert das elektrische Verbindungselement 29 seitens seiner Außenfläche am kürzen Schenkel der L-Form den elektrisch leitfähigen Wärmeleitkörper des in Reihenrichtung 35 benachbarten Diodenlaserbauelementes unterseitig, wodurch die fünf vorhandenen Diodenlaserbauelemente elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Diodenlaseranordnung begrenzende Wärmeleitkörper 21 mit dem höchsten und dem niedrigsten elektrischen Potential dienen sowohl als kühlungs-/strömungstechnischer Abschluss als auch als elektrischer Anschluss, der für eine Stromquelle durch an den äußeren Wärmeleitkörpern 21 befestigten elektrischen Anschlusselementen 39a und 39b bereitgestellt wird.
Der strömungstechnische Verlauf des Kühlmittels sieht zulaufseitig eine Kühlmitteltrennung in zwei parallel fließende Kühlmittelportionen vor, die Ober- und unterseitig die Kühlkanäle 26 und 26a von Wärmeleitkörpern 21 einer ersten Schar von Diodenlaserbauelementen 20 beströmen, anschließend in zwei einander entgegengesetzten Richtungen durch die Kühlmittelpassagen 37 der anliegenden Zwischenstücke 34 in die Ober- beziehungsweise unterseitigen Kühlkanäle 26 und 26a zweier unmittelbar benachbarter Wärmeleitkörpern 21 einer zweiten Schar von Diodenlaserbauelementen 20 eintritt. Nach dem Durchströmen dieser Kühlkanäle vereinigen sich die Kühlmittelportionen im rückwärtigen Freiraum der Wärmeleitkörper mit den Kühlmittelportionen, die aus den beiden, dem Diodenlaserbauelement der ersten Schar von Diodenlaserbauelementen übernächst benachbarten, Diodenlaserbauelementen der ersten Schar von Diodenlaserbauelementen stammen.
Der Kühlmittelflussverlauf durch die Diodenlaserbauelemente 20 der Strahlungsquelle 50 ist damit strömungstechnisch prinzipiell identisch zu denen des ersten und zweiten Ausführungsbeispiel: Es existieren zwei seriell durchflossene Scharen von Diodenlaserbauelementen 20, die in, in Benachbarungsrichtung nebeneinander angeordnete, strömungstechnisch parallel durchflossene Gruppen von je zwei Diodenlaserbauelementen 20 aufgeteilt sind, wobei im Gegensatz zu den ersten beiden Ausführungsbeispielen die Benachbarungsrichtung nicht die Stapelrichtung, sondern die Reihenrichtung ist.
NEUNTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Die Strahlungsquelle 50 des neunten Ausführungsbeispiels weist als Laserdiodenelement einen Laserdiodenchip 10 auf, dessen Breite kleiner ist als seine Resonatorlänge. Bei Laserdiodenbarren ist es aufgrund der Nebeneinanderanordnung einer Vielzahl von optisch unabhängig voneinander betreibbaren Emittern in Breitenrichtung umgekehrt. Die besagten Laserdiodenchips können einige Emitter in Breitenrichtung verteilt nebeneinander aufweisen. Beispielweise vier oder zwei. In diesem Fall weist der Laserdiodenchip 10 nur einen Emitter von 100 µm Breite auf. Seine Breite ist 400 µm, seine (Resonator-)Länge 4 mm. Er ist zur Bildung eines Diodenlaserbauelementes 20 auf die Metallisierung 28 eines Wärmeleitkörpers 21 gelötet, die sich von der Mitte der Oberseite des Wärmeleitkörpers bandartig über die zur Abstrahlungsrichtung 15 orientierte Frontseite auf die Unterseite des plattenförmigen Wärmeleitkörpers 21 erstreckt und dort spiegelsymmetrisch zur Oberseite angeordnet ist (9a). Der Wärmeaufnahmeabschnitt erstreckt sich in Projektion des Laserdiodenchips senkrecht zur Plattenoberseite durch den Wärmeleitkörper 21. Beiderseits links und rechts des Wärmeaufnahmeabschnitts sind in Breitenrichtung senkrecht zur Abstrahlungsrichtung Ausnehmungen 26, 26a eingebracht, von der sich eine erste Gruppe als Kühlkanäle 26 in der in Abstrahlungsrichtung 15 gesehen rechten Wärmeleitkörperhälfte von der rechten Seitenfläche des Wärmeleitkörpers 21 bis auf etwa 0,5 mm an den Wärmeaufnahmeabschnitt heran und von der Oberseite zur Unterseite erstreckt eine zweite Gruppe als Kühlkanäle 26a in der in Abstrahlungsrichtung 15 gesehen linken Wärmeleitkörperhälfte von der linken Seitenfläche des Wärmeleitkörpers 21 bis auf etwa 0,5 mm an den Wärmeaufnahmeabschnitt heran und von der Oberseite zur Unterseite erstreckt. Es existieren somit zwei einander entgegengesetzte Wärmeleitrichtungen in Breitenrichtung.
Zwischen den Kühlkanälen 26 und 26a sind durch den Materialbestand des Wärmeleitkörpers Kühlrippen 26 und 26'a ausgebildet, deren einander zugewandte Oberflächen Wärmeabgabeflächen im erfindungsgemäßen Sinne aufweisen. Es existieren somit zwei einander entgegengesetzte Wärmeleitrichtungen in Breitenrichtung
Ein Diodenlaserstapel 30 wird durch Übereinanderstapeln in Stapelrichtung 35 von Diodenlaserbauelementen 20 erzielt, wobei zwischen zwei einander unmittelbar benachbarten Diodenlaserbauelementen 20 jeweils zwei U-förmige Zwischenstücke angeordnet sind, welche über beidseitig angeordnete Fügezonen mit einander gegenüberliegenden Diodenlaserbauelementen 20 stoffschlüssig verbunden ist (9b). Damit ist der Diodenlaserstapel 30 eine stoffschlüssige Einheit, wobei die von der oberseitigen Metallisierungsschicht 28 abgewandte, zweite Kontaktfläche Die U-förmige Zwischenstücke sind in der jeweiligen Wärmeleitrichtung zu den Seitenflächen der Wärmeleitkörper 21 hin geöffnet, wobei zwischen den Seitenschenkeln der Zwischenstücke die erfindungsgemäßen Kühlmittelflusspassagen 37 vorliegen. Der im Diodenlaserstapel 30 oberste Wärmeleitkörper 21 trägt keinen Laserdiodenchip 10, sondern dient zum kühlmitteltechnischen und elektrischen Abschluss des Diodenlaserstapels 30, wobei an dem oberseitigen Abschnitt der Metallisierung 28 ein erstes elektrisches Anschlusselement 39a befestigt ist. An dem unterseitigen Abschnitt der Metallisierung des im Diodenlaserstapel untersten Diodenlaserbauelementes 20 ist ein zweites, zum ersten elektrischen Anschlusselement 39a gegenpoliges, zweites elektrisches Anschlusselement 39b befestigt.
Zur Vervollständigung der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle 50 sind an der linken und rechten Seite des Diodenlaserstapels 30 jeweils eine Kühlmittelzu- und – abführeinrichtung befestigt (9c), deren Komponenten – namentlich die Kühlmittelverteilungsplatte 41 und die Kühlmittelanschlussplatte 42 – in 3c dargestellt sind, so dass zu deren Erklärung auf die Beschreibung des dritten Ausführungsbeispiels verwiesen wird.
In 9c nicht sichtbare obere und untere Abdeckplatten verschließen den Diodenlaserstapel 30 gegenüber Kühlmittelaustritt.
Der Strömungsfluss erfolgt dabei links und rechts zulaufseitig in eine erste Schar von den als Kühlmittelpassagen 37 ausgebildeten Zwischenräumen hinein und sich in zwei Kühlmittelportionen verzweigend in die Kühlkanäle 26 beziehungsweise 26a zweier unmittelbar benachbarter Diodenlaserbauelemente 20. Ablaufseitig sammeln sich die Kühlmittelportionen aus den Kühlkanälen 26 beziehungsweise 26a zweier unmittelbar benachbarter Diodenlaserbauelemente 20 in einer zweiten Schar von den als Kühlmittelpassagen 37 ausgebildeten Zwischenräumen, die gegenüber der ersten Schar von Zwischenräumen um den Mittenabstand zwischen zwei unmittelbar benachbarten Diodenlaserbauelementen 20 versetzt ist. Es existiert somit – wie im vierten Ausführungsbeispiel – nur eine Schar von Diodenlaserbauelementen 20, die allesamt strömungstechnisch parallel durchflossen werden.
In einer nicht dargestellten Abwandlung des neunten Ausführungsbeispieles ist das Zwischenstück 34 nicht U-förmig, sondern rechteckig ausgebildet und besitzt einen schlitzförmigen Durchbruch auf der dem Wärmeaufnahmeabschnitt zugewandten Seite, welcher als Kühlmittelflusspassage fungiert. In diesem Fall erfolgt der Strömungsfluss links und rechts zulaufseitig in die Kühlkanäle 26 und 26a einer ersten Schar von Diodenlaserbauelementen 20 und sich in zwei Kühlmittelportionen verzweigend in die schlitzförmigen Durchbrüche in den bezüglich der jeweiligen Diodenlaserbauelemente 20 einander gegenüberliegenden Zwischenstücken. Ablaufseitig sammeln sich die Kühlmittelportionen in den Kühlkanälen 26 beziehungsweise 26a von Diodenlaserbauelementen 20 einer zweiten Schar von Diodenlaserbauelementen 20, die gegenüber der ersten Schar von Diodenlaserbauelementen 20 um den Mittenabstand zwischen zwei unmittelbar benachbarten Diodenlaserbauelementen 20 versetzt ist.
In diesem Fall existieren – wie im zweiten Ausführungsbeispiel – zwei seriell durchflossene Scharen von Diodenlaserbauelementen 20, die in in Stapelrichtung nebeneinander angeordnete, strömungstechnisch parallel durchflossene Gruppen von je zwei Diodenlaserbauelementen 20 aufgeteilt sind.
ZEHNTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Im Gegensatz zum neunten Ausführungsbeispiel sieht das Diodenlaserbauelement 20 der Strahlungsquelle 50 des zehnten Ausführungsbeispiels nur eine Gruppe von Kühlkanälen 26 im Wärmeleitkörper 21 vor, welche in nur einer Wärmeleitrichtung senkrecht zur Abstrahlungsrichtung 15 und parallel zur Oberseite 22 angeordnet sind (10a). Der den Laserdiodenchip 10 tragende Wärmeaufnahmeabschnitt besitzt in den zwei Hauptrichtungen senkrecht zur Wärmeleitrichtung – der Dickenrichtung und der Längsrichtung – einen größeren Querschnitt als der die Kühlkanäle 26 beziehungsweise Kühlrippen aufweisende Wärmeabgabeabschnitt am stufenartigen Übergang vom Wärmeaufnahme- zum Wärmeabgabeabschnitt ist eine den Wärmeleitkörper umlaufende Dichtfläche ausgebildet, deren Normale in Wärmeleitrichtung orientiert ist. Eine Metallisierung 28 erstreckt sich auf dem Wärmeaufnahmeabschnitt von der Oberseite 22, auf der der Laserdiodenchip montiert ist, über eine Seitenfläche auf die Unterseite des Wärmeleitkörpers 21, wobei die Seitenfläche auf der dem Wärmeabgabeabschnitt abgewandten Seite des Wärmeaufnahmeabschnitts angeordnet ist.
In der Strahlungsquelle 50 sind die Diodenlaserelemente 20 übereinander in Stapelrichtung 35 parallel zur Oberseitennormalen des Wärmeleitkörper angeordnet, wobei elektrische Verbindungselemente 29 den elektrischen Kontakt zwischen der oberseitigen Kontaktfläche 12 des Laserdiodenchips 10 und dem unterseitigen Abschnitt der Metallisierung 28 eines benachbarten Diodenlaserelementes über elektrisch leitfähige Fügemittel (nicht dargestellt) vermitteln (10b). Die Kühlmittelzu- und abführeinrichtung besteht aus den Komponenten der Deckplatte 43, der Kühlmittelverteilungseinheit 41a und der Kühlmittelanschlussplatte, zu deren Darstellung auf 1d und zu deren die Beschreibung auf diejenige des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen wird.
Analog der Anordnung des ersten Ausführungsbeispiels sind die Wärmeabgabeschnitte durch die Wärmeleitkörperaufnahmedurchbrüche in der Deckplatte 43 geführt und in den Aufnahmeausnehmungen der Kühlmittelverteilungseinheit 41a angeordnet. Eine Dichtung erfolgt zwischen den Dichtflächen der Wärmeleitkörper und der Oberseite der Deckplatte an den die Wärmeleitkörperaufnahmedurchbrüche umgebenden Bereichen. Der Kühlmittelfluss erfolgt analog dem des ersten Ausführungsbeispiels durch zwei seriell durchflossene Scharen von Diodenlaserelementen, die jeweils strömungstechnisch parallel durchflossen werden.
ELFTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Das elfte Ausführungsbeispiel betrifft einen erfindungsgemäßen photovoltaischen Strahlungsempfänger 50' als Konversionseinheit (11b) photovoltaischen Generator. Er weist ein feldartige Solarmodulanordnung 30' von Solarmodulen 20' auf, von denen eines in 11a dargestellt ist und welche in zwei Anordnungsrichtungen – in Stapelrichtung 36 und Reihenrichtung 36 – angeordnet sind. Das Solarmodul 20 weist einen Wärmeleitkörper 21 auf, der aus einen Kupfer-Aluminiumnitrid-Kupfer-Schichtkörper und einem Kühlrippenkörper mit Kühlrippen 26', zwischen denen Kühlkanäle 26 vorliegen und die senkrecht zur Schichtenebene von dem Schichtkörper weggerichtet sind. Die von dem Kühlrippenkörper abgewandte Kupferschicht 28 des Schichtkörpers dient als Montage und Wärmeaufnahmefläche der Solarzelle 10', die das Sonnenlicht zumindest teilweise absorbiert. Im vorliegenden Fall handelt es sich um eine Tandem-Solarzelle 10' auf Galliumarsenid-Basis von der auf ihrer der Strahlungseinfallsrichtung 15'a zugewandten Seite die p-Bus-Bar-Struktur der oberseitigen elektrischen Kontaktmetallisierung zu erkennen ist. In einer alternativen Ausführung ist die Solarzelle 10' eine Tripel-Stapel-Solarzelle auf Germanium-Basis. Vor der Integration der Solarmodule 20' zum photovoltaischen Strahlungsempfänger 50' wird jedes einzelne Solarmodul 20' in einem Solarsimulator getestet. Dazu wird es seitens seiner Kühlrippen in einen Kühlmittelkreislauf integriert und an der der Kupferschicht 28 gegenüberliegenden Kupferschicht gegenüber dem Kühlmittelkreislauf abgedichtet, beispielsweise kraftschlüssig über eine Silikonfolie. Die Bestrahlung der Solarzelle 10' des Solarmoduls 20' erfolgt mit einer Xenon-Hochdrucklampe. Die Aufnahme der Strom-Spannungs-Charakteristik führt zur Generator-Kennlinie als Beurteilungsmaßstab für die Güte des Solarmoduls 20'. Eine testweise Erhöhung der Bestrahlungsstärke gegenüber der Bestrahlungsstärke im photovoltaischen Strahlungsempfänger vermittelt eine Zuverlässigkeitsaussage zum betreffenden Solarmodul 20'.
Die Anordnung der Solarmodule 20' im photovoltaischen Strahlungsempfänger 50' entspricht denen der Diodenlaserelemente 20 in der Strahlungsquelle 50 des sechsten Ausführungsbeispiels, einschließlich der angeschlossenen Kühlmittelzu- und abführeinrichtung, zu der auf die 6b bis 6f mit der dazugehörigen Beschreibung verwiesen wird.
Die Solarzellen sind dabei erfindungsgemäß derart eng benachbart angeordnet, dass ein Füllfaktor von größer als 90% von Strahlungsenergie in elektrische Energie umwandelnder Fläche erreicht wird.
Der photovoltaische Strahlungsempfänger 50' wird einen Solarkonzentrator 60' integriert, dessen dem Stand der Sonne nachgeführte Einheit aus Strahlungsempfänger 50', Ausleger 62 und Konkavspiegel 61 auf einem im Boden verankerten Stativ 63 gelagert ist (11c). Der Konkavspiegel 61 konzentriert die parallel einfallenden Sonnenstrahlen auf den photovoltaische Strahlungsempfänger 50', der an einem dem Konkavspiegel 61 abgewandten Ende des Auslegers 62 befestigt ist. Für den vorliegenden Strahlungsempfänger 50' treffen aufgrund der ebenen Anordnung der Solarzellen 10' die Sonnenstrahlen 15' aus verschiedenen, gegenüber der Normale der Empfangsflächen geneigten Richtungen auf die Solarzellen 10'. In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Anordnung der Solarmodule 20' im Strahlungsempfänger 50' nicht eben sondern konvex. Dadurch wird für alle Solarzellen 10' ein im wesentlichen senkrechter Lichteinfall erreicht.
Vorteilhaft an dieser einfach konzentrierenden Solaranlage gegenüber den mit vielfach konzentrierenden Fresnel-Linsen-Feldern ausgestatteten Anordnungen ist die Verwendung eines sehr viel kleineren und kompakteren Strahlungsempfängers. Der erfindungsgemäße Strahlungsempfänger 50' gestattet eine strahlungsverlustarme für alle Solarmodule 20' des Strahlungsempfängers 50' gemeinsame Konzentration des Sonnenlichts in besonders effizienter Weise.
In einer bevorzugten Weiterbildung des elften Ausführungsbeispiels ist der Konkavspiegel 61 mit höher reflektierenden Bereichen und mit niedriger reflektierenden Bereichen zwischen den höher reflektierenden Bereichen ausgestattet, wobei die höher reflektierenden Bereiche hinsichtlich ihrer Anzahl, Anordnung und Flächengröße auf die Anzahl, Anordnung und Flächengröße der Solarzellen angepasst sind. In diesem Fall ist der Konkavspiegel in Teilspiegel segmentiert, die strahlungsdurchlässige Zwischenräume aufweisen. Damit wird vorteilhaft vermieden, dass Strahlung auf die Bereiche zwischen den Solarzellen trifft.
In einer alternativen Variante des elften Ausführungsbeispiels ist die Konversionseinheit ein thermoelektrischer Generator (50'), der anstatt Solarzellen thermoelektrische Chips (10') aufweist, die mit einer der Einstrahlungsrichtung zugewandten Strahlungsabsorptionsschicht versehen sind.
Abschließend sei hervorgehoben, dass selbstverständlich alle Strahlungsquellen 50 aller Ausführungsbeispiele eins bis zehn sowie der Strahlungsempfänger 50' des elften Ausführungsbeispiels strömungstechnisch in einer gegenüber der Beschreibung der Ausführungsbeispiele umgekehrten Strömungsrichtung betrieben werden können, wobei die Kühlmittelführungselemente 42a, 42b 45a, 45b 46a, 46b, 47a, 47b, 47'a, 47'b, 48a und 48b dann jeweils in ihrer zu- und ablaufseitigen Eigenschaft zu vertauschen sind.
Kombinationen von erfindungswesentlichen Merkmalen der Ausführungsbeispiele mit anderen Merkmalen, insbesondere denen anderer Ausführungsbeispiele, liegen selbstverständlich im Umfang der Erfindung.

10: Laserdiodenelement
10': Solarzelle
11: erste/unterseitige Kontaktfläche
12: zweite/oberseitige Kontaktfläche
15: Abstrahlungsrichtung, Abstrahlungsrichtungspfeil
15a: Abstrahlungsrichtung, Abstrahlungsrichtungssymbol
20: Halbleiterbaugruppe, Diodenlaserbauelement
20': Solarmodul
21: Wärmeleitkörper
21': Wärmeleitgrundkörper
21*: Wärmeaufnahmefläche
21a: Wärmeaufnahmeabschnitt
21b: Wärmeleitabschnitt
21c: Wärmeabgabeabschnitt
22: erste Außenfläche, Oberseite/linke Seitenfläche
22a: zweite Außenfläche, Unterseite/rechte Seitenfläche
23: rückseitige Endfläche, Rückseite
23a: frontseitige Endfläche, Frontseite
24: Dichtfläche
25: Kühlmittelströmungsrichtung, Kühlmittelströmungsrichtungspfeil
26: Ausnehmung/Kühlkanal einer ersten Gruppe
26a: Ausnehmung/Kühlkanal einer zweiten Gruppe
26b: Ausnehmung/Kühlkanal einer dritten Gruppe
26i: Ausnehmung ohne kühlungstechnische Funktion
26': Steg/Kühlrippe eines ersten Typs
26'a: Steg/Kühlrippe eines zweiten Typs
26*: Wärmeabgabefläche
27: Öffnung
27a: Öffnung
28: Metallisierung
28a: Metallisierung
28b: Metallisierung
29: elektrisches Verbindungselement
29a: elektrisches Verbindungszwischenelement
29b: elektrisches Verbindungszwischenelement
30: Strahlungsemissionsanordnung, Diodenlaserstapel, Diodenlaserreihe, Diodenlaserfeld
30': Strahlungsempfangsanordnung
31: elektrisch leitendes Fügemittel/elektrisch leitende Fügezone
32: elektrisch isolierendes Fügemittel/elektrisch isolierende Fügezone
32a: elektrisch isolierendes Fügemittel/elektrisch isolierende Fügezone
33: erstes Fügemittel/erste Fügezone
33a: zweites Fügemittel/zweite Fügezone
34: Zwischenstück
34a: Zwischenstück
35: Stapelrichtung, Stapelrichtungspfeil
35a: Stapelrichtung, Stapelrichtungssymbol
36: Reihenrichtung, Reihenrichtungspfeil
36a: Reihenrichtung, Reihenrichtungssymbol
36b: Tiefenrichtung, Tiefenrichtungspfeil
37: Kühlmittelflusspassage
39a: erstes elektrisches Anschlusselement
39b: zweites elektrisches Anschlusselement
40: Kühlmittelzu- und abführeinrichtung
41: Kühlmittelverteilungsplatte
41a: Kühlmittelverteilungseinheit
42: Kühlmittelanschlussplatte
42a: zulaufseitiger Kühlmittelanschluss
42b: ablaufseitiger Kühlmittelanschluss
43: Deckplatte
43a: Deckplatte
44: Aufnahmeausnehmung
44': Wand
45a: zulaufseitige Kühlmittelspreiznut
45b: ablaufseitige Kühlmitteleinschnürungsnut
46a: zulaufseitiger Kühlmittelführungsdurchbruch
46b: ablaufseitiger Kühlmittelführungsdurchbruch
47a: zulaufseitiger Kühlmittelverteilungskanal
47b: ablaufseitiger Kühlmittelsammelkanal
47'a: zulaufseitiger Kühlmittelverteilungskanal
47'b: ablaufseitiger Kühlmittelsammelkanal
48: Kühlmittelführungskammer
48a: zulaufseitige Kühlmittelspreizkammer
48b: ablaufseitige Kühlmitteleinschnürungskammer
49: Wärmeleitkörperaufnahmedurchbruch
50: Strahlungsquelle, Diodenlaser
50': Strahlungsempfänger, photovoltaischer Generator
60: Bestrahlungsvorrichtung
60': Solarkonzentrator
61: Konkavspiegel
61a: Zerstreuungsoptik
61b: Sammeloptik
62: Ausleger
63: Stativ
64: Träger
65: Werkstück

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19750879 A1 [0008]
- US 5987043 A [0036]
- EP 1113543 A1 [0038]
- EP 0766354 A1 [0068]
- DE 19701680 A1 [0079, 0191]
- DE 19644941 C1 [0182]
- US 5909458 [0203]
- US 5848083 [0215]
- DE 10011892 A1 [0215]
- DE 102007051798 B3 [0231]
- WO 2007061509 A2 [0265]

Claims

Konversionseinheit (50/50') zur Umwandlung von elektrischer Energie in Strahlungsenergie oder zur Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie mit 1 wenigstens einer Konversionsanordnung (30/30') und 2 wenigstens einer Kühlmittelzu- und -abführeinrichtung (40) mit 2.1 wenigstens einem der Konversionsanordnung (30/30') zugewandten Kühlmittelauslass (45a/46a), über den wenigstens ein Kühlmittel der Konversionsanordnung (30/30') zugeführt wird, und 2.2 wenigstens einem der Konversionsanordnung (30/30') zugewandten Kühlmitteleinlass (45b/46a), über den das Kühlmittel aus der Konversionsanordnung (30/30') abgeführt wird, wobei 1 die Konversionsanordnung (30/30') 1.1 mehrere Konversionsmodule (20/20') besitzt, die in wenigstens einer Anordnungsrichtung (35/35a, 36/36a) zumindest abschnittsweise jeweils einander benachbart angeordnet sind, und 1.2 wenigstens eine Kühlmittelführung aufweist, in dessen Verlauf die Beströmung der Konversionsmodule (20/20') mit dem Kühlmittel vorgesehen ist, und 1.1 die Konversionsmodule (20/20') jeweils 1.1.1 wenigstens ein elektrisch kontaktierbares, halbleitendes Konversionselement (10/10') aufweisen, das Strahlung in wenigstens eine Abstrahlungsrichtung (15, 15a) emittiert beziehungsweise Strahlung aus wenigstens einer Einstrahlungsrichtung (15', 15'a) absorbiert, und 1.1.2 wenigstens einen Wärmeleitkörper (21) mit 1.1.2.1 wenigstens einem Wärmeaufnahmeabschnitt (21a), der wenigstens eine Wärmeaufnahmefläche (21*) besitzt, an der das Konversionselement (10) befestigt ist, 1.1.2.2 wenigstens einem Wärmeabgabeabschnitt (21c), der wenigstens eine vom Kühlmittel benetzte Wärmeabgabefläche (26*) zur Wärmeabgabe an das Kühlmittel besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass 1.1.2.2 der Wärmeabgabeabschnitt (21c) 1.1.2.2.1 bezüglich des Wärmeaufnahmeabschnittes (21a) vollständig in wenigstens einer zur Anordnungsrichtung (35/35a, 36/36a) geneigten Wärmeleitrichtung angeordnet ist, und 1.2.2.2 wenigstens eine, die Wärmeabgabefläche (26*) umfassende Ausnehmung (26/26a/26b) aufweist sowie 1.1.2.2.3 wenigstens eine Öffnung (27/27a), die auf wenigstens einer, dem Wärmeabgabeabschnitt (21c) des Wärmeleitkörpers (21) eines benachbarten Konversionsmoduls (20) zumindest abschnittsweise gegenüberliegenden, ersten Außenseite (22/22a) angeordnet ist, und mit der Ausnehmung (26/26a/26b) in Verbindung steht, 1.1.2.1 der Wärmeaufnahmeabschnitt (21a) 1.1.2.1.1 keine vom Kühlmittel benetzte Fläche aufweist, 1.2 die Kühlmittelführung 1.2.1 Kühlmittelflusspassagen (37) zwischen den Wärmeabgabeabschnitten (21c) von Wärmeleitkörpern (21) benachbarter Konversionsmodule (20) besitzt, 1.2.2 für einen ersten Kühlmittelfluss zur Beströmung einer ersten Gruppe einer oder mehrerer Konversionsmodule (20) und 1.2.3 einen, zum ersten Kühlmittelfluss strömungstechnisch parallelen, zweiten Kühlmittelfluss zur Beströmung wenigstens einer zweiten Gruppe einer oder mehrerer Konversionsmodule (20) ausgebildet ist, 1.1.2 der Wärmeleitkörper (21) 1.1.2.3 wenigstens einen Wärmeleitabschnitt (21b) aufweist, der 1.1.2.3.1 zwischen dem Wärmeaufnahmeabschnitt (21a) und dem Wärmeabgabeabschnitt (21c) angeordnet ist und 1.1.2.3.2 wenigstens eine Dichtfläche (24) besitzt, über die zumindest abschnittsweise eine Dichtung erfolgt, die zu einem Einschluss von Kühlmittel in den Kühlmittelflusspassagen (37) beiträgt, und 2 von der Kühlmittelzu- und abführeinrichtung (40) 2.3 zumindest ein Abschnitt, der den Kühlmittelauslass (45a/46a) und/oder den Kühlmitteleinlass (45b/46b) aufweist, in Wärmeleitrichtung abseits der Konversionsanordnung (30/30') angeordnet ist.
Konversionseinheit nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeabgabeabschnitt (21c) eine Vielzahl von Ausnehmungen (26/26a/26b) mit jeweils wenigstens einer Wärmeabgabefläche (26*) aufweist, die jeweils mit wenigstens einer Öffnung (27/27a), die auf wenigstens einer, dem Wärmeabgabeabschnitt (21c) des Wärmeleitkörpers (21) einer benachbarten Halbleiterbaugruppe (20) zumindest abschnittsweise gegenüberliegenden, ersten Außenseite (22/22a) angeordnet ist, in Verbindung stehen.
Konversionseinheit nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (26/26a) jeweils die besagte Öffnung (27/27a) aufweisen.
Konversionseinheit nach Anspruch 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (26/26a) sich von der ersten Außenseite (22) in Richtung zu einer der ersten Außenseite (22) gegenüberliegenden zweiten Außenseite (22a) und/oder von einer der ersten Außenseite (22) gegenüberliegenden zweiten Außenseite (22a) in Richtung der ersten Außenseite (22) erstrecken.
Konversionseinheit nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (26) sich von der ersten Außenseite (22) zu einer der ersten Außenseite (22) gegenüberliegenden zweiten Außenseite (22a) erstrecken, wobei die Ausnehmungen (26) jeweils wenigstens eine erste Öffnung (27) aufweisen, die auf der ersten Außenseite (22) angeordnet ist, sowie wenigstens eine zweite Öffnung (27a), die auf der zweiten Außenseite (22a) angeordnet ist.
Konversionseinheit nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeabgabeabschnitt (21c) eine erste Gruppe von Ausnehmungen (26) und wenigstens eine zweite Gruppe von Ausnehmungen (26a) besitzt, wobei sich die Ausnehmungen der ersten Gruppe von Aus nehmungen (26) von einem Zwischenraum (48) zwischen der ersten Außenseite (22) und einer der ersten Außenseite (22) gegenüberliegenden zweiten Außenseite (22a) zur ersten Außenseite (22) erstrecken und die Ausnehmungen der zweiten Gruppen von Ausnehmungen (26a) von dem Zwischenraum zur zweiten Außenseite (22a) erstrecken und die Kühlmittelführung für einen ersten Kühlmittelfluss zur Durchströmung der ersten Gruppe von Ausnehmungen (26) und einen zum ersten Kühlmittelfluss strömungstechnisch parallelen, zweiten Kühlmittelfluss zur Durchströmung der zweiten Gruppe von Ausnehmungen (26a) ausgebildet ist.
Konversionseinheit nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeabgabeabschnitt (21c) eine erste Gruppe von Ausnehmungen (26) und wenigstens eine zweite Gruppe von Ausnehmungen (26a) besitzt, wobei sich die Ausnehmungen der ersten Gruppe von Ausnehmungen (26) von der ersten Außenseite (22) in Richtung zu einer der ersten Außenseite (22) gegenüberliegenden zweiten Außenseite (22a) erstrecken und die Ausnehmungen der zweiten Gruppen von Ausnehmungen (26a) von einer der ersten Außenseite (22) gegenüberliegenden zweiten Außenseite (22a) in Richtung der ersten Außenseite (22) erstrecken und die Kühlmittelführung für einen seriellen Kühlmittelfluss zur einander nachfolgenden Durchströmung der ersten Gruppe von Ausnehmungen (26) und der zweiten Gruppe von Ausnehmungen (26a) ausgebildet ist.
Konversionseinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeabgabeabschnitt (21c) zumindest abschnittsweise als Kühlrippenkörper ausgebildet ist, der sich in Wärmeleitrichtung von dem Wärmeaufnahmeabschnitt (21a) wegstehende Kühlrippen (26'/26'a) aufweist, zwischen denen für die Aufnahme von Kühlmittel ausgebildete Ausnehmungen (26/26a) vorliegen, die über wenigstens eine Öffnung (27/27a) mit Kühlmittel beströmbar sind und/oder aus denen über wenigstens eine Öffnung (27/27a) das Kühlmittel abfließen kann.
Konversionseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleitkörper (21) wenigstens bereichsweise elektrisch leitfähig ist, der elektrisch leitfähige Bereich des Wärmeleitkörpers (21) elektrisch mit dem Konversionselement (10) verbunden ist und der Wärmeabgabeabschnitt (21c) wenigstens an von Kühlmittel benetzten Flächen mit wenigstens einer elektrisch nicht leitfähigen, oder einer aus wenigstens einem Refraktärmetall bestehenden Schicht versehen ist.
Konversionseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Konversionselement (10) wenigstens eine, auf einer ersten Seite angeordnete, erste elektrische Kontaktfläche (11) aufweist sowie wenigstens eine, zur ersten elektrischen Kontaktfläche gegenpolige, zweite Kontaktfläche (12).
Konversionseinheit nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Kontaktfläche des Konversionselementes (10/10') eines ersten Konversionsmoduls (20/20') in elektrischer Verbindung steht mit der zweiten elektrischen Kontaktfläche des Konversionselementes eines, dem ersten Konversionsmodul in wenigstens einer Anordnungsrichtung unmittelbar benachbarten, zweiten Konversionsmoduls.
Konversionseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von Gruppen von Konversionsmodulen (20/20') gleich der Anzahl von Konversionsmodulen (20/20') ist, womit jede Gruppe genau ein Konversionsmodul (20/20') aufweist und alle Konversionsmodule (20/20') strömungstechnisch parallel durchflossen werden.
Konversionseinheit nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelflusspassagen (37) in zur Kühlmittelzu- und Abführeinrichtung zugewandten Richtung geöffnet sind und die Ausnehmungen (26/26a) der Konversionsmodule in zur Kühlmittelzu- und Abführeinrichtung zugewandten Richtung geöffnet sind, wobei zulaufseitig das Kühlmittel in die Ausnehmungen (26/26a) der Konversionsmodulen (20/20') eingebracht wird, aus denen es sich beim Verlassen jeweils in zwei Kühlmittelportionen aufteilt, die durch die Kühlmit telflusspassagen (37) von auf einander gegenüberliegenden Seiten von Konversionsmodulen (20/20') eintreten und sich dort mit den Kühlmittelportionen aus den jeweils nächst benachbarten Konversionsmodulen (20/20') vereinigen um ablaufseitig die Konversionsanordnung (30) über die Kühlmittelflusspassage (37) zu verlassen.
Konversionseinheit nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelflusspassagen (37) in zur Kühlmittelzu- und Abführeinrichtung zugewandten Richtung geöffnet sind und in eine erste Schar von zulaufseitigen und eine zweite Schar von ablaufseitigen Kühlmittelflusspassagen unterteilt sind, wobei sich zulaufseitige und ablaufseitige Kühlmittelflusspassagen in Anordnungsrichtung (35/35a, 36/36a) einander abwechseln und zulaufseitig das Kühlmittel in den zulaufseitigen Kühlmittelflusspassagen (37) in zwei Kühlmittelportionen aufgeteilt wird, die durch die Ausnehmungen (26/26a/26b) von auf einander gegenüberliegenden Seiten der Kühlmittelflusspassage (37) angeordneten Konversionsmodulen (20/20') fließen und sich ablaufseitig in den nächst benachbarten ablaufseitigen Kühlmittelflusspassagen (37) mit den Kühlmittelportionen aus den übernächst benachbarten zulaufseitigen Kühlmittelflusspassagen (37) vereinigen, um ablaufseitig die Konversionsanordnung (30) über die ablaufseitigen Kühlmittelflusspassagen (37) zu verlassen.
Konversionseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Konversionsmodule (20/20') in einer ersten Schar von Konversionsmodulen (20/20') und wenigstens in einer zweiten Schar von Konversionsmodulen (20/20') vorliegen, wobei jeweils wenigstens ein Konversionsmodul (20/20') der zweiten Schar von Konversionsmodulen (20/20) wenigstens einem Konversionsmodul (20/20') der ersten Schar von Konversionsmodulen (20/20) strömungstechnisch nachgeschaltet ist.
Konversionseinheit nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von Konversionsmodulen (20/20') in einer Gruppe von Konversionsmodulen (20/20') gleich der Anzahl von Scharen von Konversionsmodulen (20/20') ist, so dass sich die Anzahl der Konversions module (20/20') insgesamt aus der Multiplikation der Anzahl von Gruppen mit der Anzahl von Scharen von Konversionsmodulen (20/20') ergibt.
Konversionseinheit nach Anspruch 15 oder 16 dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (26/26a) der Konversionsmodule in zur Kühlmittelzu- und Abführeinrichtung zugewandten Richtung geöffnet sind und die Konversionsmodule (20/20') in einer ersten Schar von zulaufseitigen Konversionsmodulen (20/20') und in einer zweiten Schar von ablaufseitigen Konversionsmodulen (20/20') vorliegen, wobei sich zulaufseitige und ablaufseitige Konversionsmodule in Anordnungsrichtung (35/35a, 36/36a) einander abwechseln und zulaufseitig das Kühlmittel in die Ausnehmungen (26/26a) der zulaufseitigen Konversionsmodulen (20/20') eingebracht wird, aus denen es sich beim Verlassen in zwei Kühlmittelportionen aufteilt, die durch die Kühlmittelflusspassagen (37) von auf einander gegenüberliegenden Seiten der zulaufseitigen Konversionsmodulen (20/20') fließen und sich ablaufseitig in den nächst benachbarten ablaufseitigen Konversionsmodulen (20/20') mit den Kühlmittelportionen aus den übernächst benachbarten zulaufseitigen Konversionsmodulen (37) vereinigen und vereinigt durch die Ausnehmungen (26/26a) der ablaufseitigen Konversionsmodulen (20/20') fließen, um ablaufseitig die Konversionsanordnung (30) zu verlassen.
Konversionseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaufnahmefläche (21a) oberseitig am Wärmeleitkörper (21) angeordnet ist und die Dichtfläche (24) zumindest abschnittsweise ober- und unterseitig am Wärmeleitkörper (21) angeordnet ist und parallel oder um weniger als 45° zur Wärmeaufnahmefläche (21a) geneigt orientiert ist.
Konversionseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 17 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaufnahmebereich (21a) eine zur Ober- und Unterseite des Wärmeleitkörpers (21) geneigte frontseitige Endfläche (23a) aufweist und die Dichtfläche 24 den Wärmeleitkörper (21) im Wärmeleitabschnitt (21b) umlaufend umgibt und parallel oder um weniger als 45° zur frontseitigen Endfläche (23a) geneigt ist.
Konversionseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einander in Anordnungsrichtung (35/35a, 36/36a) benachbarten Konversionsmodulen (20/20') ein Zwischenstück (34) angeordnet ist, das die Kühlmittelflusspassage (37) in Form einer Ausnehmung aufweist.
Konversionseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 19 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einander in Anordnungsrichtung (35/35a, 36/36a) benachbarten Konversionsmodulen (20/20') ein Dichtmittel (33) vorliegt, das den Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Dichtflächen (24) benachbarter Konversionsmodule (20/20') überbrückt oder zu einer dichten Überbrückung desselben beiträgt und zwischen zwei Dichtmittelbereichen ein als Kühlmittelflusspassage (37) ausgebildeter Freiraum vorliegt.
Konversionseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Konversionseinheit ist als Strahlungsquelle (50) ausgebildet ist, wobei die Konversionsanordnung eine Strahlungsemissionsanordnung (30) ist, die Konversionsmodule Strahlung emittierende Halbleiterbaugruppen (20) sind und die halbleitenden Konversionselemente Strahlung emittierende Halbleiterbauelemente (10) sind.
Konversionseinheit nach Anspruch 22 dadurch gekennzeichnet, dass das strahlungsemittierende Halbleiterbauelement ein Laserdiodenelement (10) ist und die Halbleiterbaugruppe ein Diodenlaserelement (20) ist.
Konversionseinheit nach Anspruch 23 dadurch gekennzeichnet, dass das Laserdiodenelement ein kantenemittierendes Laserdiodenelement (10) ist, das auf einer ersten Seite wenigstens eine erste elektrische Kontaktfläche (11) und auf einer, der ersten Seite gegenüberliegenden, zweiten Seite wenigstens eine zweite elektrische Kontaktfläche (12) aufweist sowie eine zur ersten und/oder zur zweiten Kontaktfläche geneigte Strahlungsaustrittsfläche, aus der im Betrieb Strahlung eine Abstrahlungsrichtung (15/15a) emittiert wird, und seitens seiner ersten Seite stoffschlüssig an den Wärmeaufnahmeabschnitt (21a) angebunden ist.
Konversionseinheit nach Anspruch 24 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeabgabeabschnitt (21c) zumindest abschnittsweise in Projektion des kantenemittierenden Laserdiodenelementes (10) senkrecht zur Wärmeaufnahmefläche (21*) angeordnet ist, die Wärmeleitrichtung senkrecht zur Wärmeaufnahmefläche (21*) orientiert ist und die Diodenlaserbauelemente (20) in einer Tiefenrichtung (36b) parallel zur Abstrahlungsrichtung (15/15a) zumindest abschnittsweise hintereinander angeordnet sind, wobei jeweils das Laserdiodenelement (10) eines einem ersten Diodenlaserbauelement (20) entgegen der Abstrahlungsrichtung unmittelbar benachbarten zweiten Diodenlaserbauelementes (20) gegenüber dem Laserdiodenelement (10) des ersten Diodenlaserbauelementes (20) entgegen der Wärmeleitrichtung versetzt ist.
Konversionseinheit nach Anspruch 24 dadurch gekennzeichnet, dass die Diodenlaserbauelemente 20 in einer Stapelrichtung (35/35a) senkrecht zur Wärmeaufnahmefläche (21*) und/oder senkrecht zur Wärmeleitrichtung abschnittsweise übereinander angeordnet sind, und der Wärmeabgabeabschnitt (21c) vollständig außerhalb einer in Stapelrichtung (35/35a) weisenden Projektion des kantenemittierenden Laserdiodenelementes (10) angeordnet ist.
Konversionseinheit nach Anspruch 24 oder 26 dadurch gekennzeichnet, dass die Diodenlaserbauelemente 20 in einer Reihenrichtung (36/36a) parallel zur Wärmeaufnahmefläche (21*) und/oder senkrecht zur Wärmeleitrichtung abschnittsweise nebeneinander angeordnet sind, und der Wärmeabgabeabschnitt (21c) vollständig außerhalb einer senkrecht zur Wärmeaufnahmefläche (21*) verlaufenden Projektion des kantenemittierenden Laserdiodenelementes (10) angeordnet ist.
Konversionseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 21 dadurch gekennzeichnet, dass die Konversionseinheit ist als Strahlungsempfänger (50') ausgebildet ist, wobei die Konversionsanordnung eine Strahlungsempfangsanordnung (30') ist, die Konversionsmodule Strahlung absorbierende Halbleiterbaugruppen (20') und die halbleitenden Konversionselemente Strahlung absorbierende Halbleiterbauelemente (10') sind.
Konversionseinheit nach Anspruch 28 dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsempfänger als photovoltaischer Generator (50') ausgebildet ist, wobei die Strahlung absorbierenden Halbleiterbaugruppen Solarmodule (20') und die Strahlung absorbierende Halbleiterbauelemente Solarzellen (10') sind.
Optische Anordnung (60') mit einer Konversionseinheit (50') nach Anspruch 29 gekennzeichnet durch eine Sammeloptik, die das Strahlenbündel der Sonne mit erhöhter Bestrahlungsstärke auf die Gesamtheit der Solarzellen (10') der Strahlungsempfangsanordnung (30') lenkt.