高功率二极管激光器相变冷却技术

根据高功率二极管激光器的散热需求,设计了一种储能式相变冷却实验系统,并开展了喷雾相变冷却器和微通道相变冷却器的设计。采用多孔微结构的换热表面,用氨做制冷剂,实现了喷雾相变冷却器表面温度37 ℃时,散热功率密度达到了511 W/cm2。采用节流汽化原理,分别设计了背冷式相变微通道冷却器和薄片型的模块式相变微通道冷却器,背冷式相变微通道冷却器采用氨做制冷剂, 散热功率密度达到了550 W/cm2,采用R124做制冷剂,散热功率密度约270 W/cm2。采用R124做制冷剂,实现了脉冲激光功率3 kW和连续激光功率100 W的相变冷却二极管激光器模块封装。     

大功率半导体激光器散热研究综述

近年来,半导体激光器功率不断提高,由之引发的散热问题已成为限制半导体激光器发展的瓶颈。芯片温度升高引起激光器性能下降,要使激光器在大功率条件下依然保持良好特性就必须强化对激光器芯片的散热。通过分析激光器芯片温度对激光器各项性能指标的影响,说明了降低芯片温度对保证激光器正常工作的重要性。鉴于流体侧的对流传热热阻在总热阻起主导作用,重点分析半导体激光器散热结构中流体侧的散热方法,并将其分为传统散热方法和新型散热方法,传统散热方法包括平板热沉散热、大通道水冷等,新型散热方法包括微通道散热、喷雾冷却、射流冲击、热管散热和液态金属散热。总结了各种方法的优缺点,从热流密度和温差两个指标评价各种散热方法,探讨其在激光器散热上的应用前景。     

大功率光导开关硅微通道散热器设计与测试

 因焦耳加热导致光导开关芯片温度升高并形成局部热点,影响了光导开关功率容量、重复频率和寿命的提高,因此需对光导开关进行主动冷却。设计了一种矩形微槽硅微通道散热器,其由散热器本体和盖板两部分组成,散热器本体上设有分流槽、矩形微槽阵列、汇流槽,盖板通过半导体刻蚀工艺形成通孔,两部分通过硅-硅键合工艺连接以形成闭合通道。以水为工质,实验测试了不同冷却工质流量、进口温度时微通道散热器的换热性能、温度均匀性和流体阻力,证明该微通道散热器在适中的冷却工质流量下具有较高的换热性能、较低的流体阻力和较好的温度均匀性,满足重复频率大功率光导开关的散热冷却需求。     

激光二极管高效铜微通道冷却器设计

 通过对铜微通道冷却器的散热分析，设计出５层结构的模块式铜微通道冷却器。采用常规的线切割工艺加工，散热通道宽大约200μm，深300μm，各层间用真空钎焊的方法组装。该冷却器对于腔长06mm、宽10mm的线阵激光二极管芯片热阻为0.58℃/W。通过面阵激光二极管封装实验证明，该冷却器可用于10％占空比工作的面阵激光二极管封装。     

二极管激光器阵列微通道冷却实验研究

针对某二极管激光器阵列现有冷却器的实际问题,设计并制作了一种铜基液冷微通道冷却器.采用细密的短微通道来代替原来较宽的长通道,大幅度提高了有限空间内的对流换热面积,并可充分利用入口效应来增强换热,从而在保持较低流动阻力、较高流体流量和较低流体温升的前提下,显著提高了冷却器整体冷却能力,并改善了冷却器与热源器件界面上的温度分布均匀性.在本实验最大流量G=70 mL/s情况下,微通道部分的压降只有10.3 kPa;当冷却器与热源器件界面上的平均温升为25.7 K时,冷却器的散热能力可达730 W,相当于128.5 W/cm2的界面热流密度.实验结果还验证了Shah和London提出的表观阻力系数关联式、用于预测平均努谢尔数的Sieder-Tate关联式以及Shah&London关联式.     

高功率二极管激光器模块式微通道冷却器研制

针对高功率二极管激光器(DL)的散热需求,对不同结构的微通道冷却器进行了模拟散热计算,优化了冷却器的结构参数.冷却器采用Cu-WCu合金复合结构,由多层金属片焊接而成,其内部散热片采用具有高热导率的无氧铜制作,上、下表面采用硬度高,热导率也较高的WCu合金制作.这种结构不仅避免了无氧铜较软、面形和棱边质量难控制的缺点,还可提高冷却器的强度,使冷却器可以做得较薄.冷却器外形尺寸为25.0 mm×12.0 mm×1.5 mm.使用连续二极管激光器板条和模拟热源对不同内部结构的微通道冷却器的热阻进行了实验测量,冷却器的热阻为0.4～0.8 K/W.研制的模块式微通道冷却器可满足连续50 W或脉冲功率120 W(20%占空比)的高功率二极管激光器板条的散热需求,堆叠的二维叠阵DL可以很好地用作高平均功率DPL的泵浦源.     

多孔微热沉大功率LED阵列散热数值分析

对采用多孔微热沉的大功率LED阵列主动散热方案进行散热分析,系统采用一个微泵驱动,依靠封闭多孔微热沉系统实现大功率LED阵列的高效散热。数值分析表明:在没有采用多孔微热沉而仅依靠冷却工质散热的情况下,芯片最高温度为87℃,采用上述冷却方案后,芯片温度大幅度降低,系统散热效果明显改善。并且孔隙率和工质入口流速都对系统换热有很大的影响。研究结果表明多孔微热沉系统可以有效解决大功率LED阵列散热问题,提高LED芯片的寿命和性能。     

微通道迎流角对自相似热沉性能的影响

自相似微通道热沉(Self-similarity heat sink,SSHS)综合性能优于一般的微通道热沉,在电子芯片冷却领域有很大应用前景,但SSHS原型结构存在内部流量分配及散热不均等问题,需要在研制过程中进一步改进。本文将SSHS原结构中直微通道设计改为锯齿形微通道,通过数值模拟方法对改进设计进行了验证,并以SSHS中的一个换热单元为研究对象,分析了锯齿形通道迎流角对SSHS内部流动和传热过程的影响。     

周期性分流微通道的结构设计及散热性能

微通道散热器在集成电路中具有重要应用,但目前传统的长直微通道散热过程导致温度不均匀,散热效率较低.本文设计了一种周期性分流微结构并与传统微通道进行集成,实现了一种高效率的周期性分流微通道散热器.基于以上周期性分流微通道,系统研究了单根微通道内微结构数目、微结构的排布方式及结构参数对其散热性能的影响.结果表明,引入的分流微结构可增大换热面积、打破原有层流边界层、促进冷/热冷却液混合、显著改善微通道散热性能.在100 W/cm2的热流密度下,入口端冷却液流速为1.18 m/s时,单根微通道内引入9组微结构后,其最高温度下降约24 K,热阻下降约44%,努塞尔数增大约124%,整体传热性能(PEC)达1.465.进一步地,微结构采用交错渐变的周期排布方式,沿流动方向逐渐变宽的扰流元使得冷却液被充分利用,减少了高/低温区的存在且缓解了散热面沿流动方向存在的温度梯度,压降损失相较于均匀排布也有一定程度的降低,有效提升了散热效率.本文提出的周期性分流微通道将在大功率集成电路及电子冷却领域中具有广阔的应用前景.     

微槽群相变散热器传热性能的实验研究

本文对应用于大功率芯片散热的微槽群相变散热器的散热性能进行了实验研究,实验中采用了一种能强化系统换热性能的混合液体工质2-Methylpentane与甲醇.实验结果表明,一定的真空度和充液率下,充入一定摩尔配比的该种混合工质,在同一散热热流密度下,与前人的工作相比,能够使芯片表面温度降低7～9℃.其散热性能能够满足当今大功率高性能电子芯片的散热需求.     

辐冷器视场角对其制冷性能的影响

本文对抛物面G型辐冷器,在水平视场角变化的情况下不同工况下的制冷性能进行了计算。通过数值计算发现,视场角的减小导致辐冷器制冷性能的明显下降,虽然视场角影响辐冷器的因素很复杂,但最后的结果是两者呈现出良好的线性关系。其次,通过对辐冷器降温特性的研究,提出了通过改变辐冷器外壳控温方式来减小视场角变化对辐冷器制冷性能的负面影响,计算结果表明这种解决措施是非常有效的。     

The performance evaluation of a micro/nano-scaled cooler working with an ideal Bose gas

Based on the size effect of a confined ideal Bose gas, the design concept of a quantum cooler is originally put forward. The cooler consists of two long tubes with the same length but different sizes of cross section, which are filled up with the ideal Bose gas, and is operated between two heat reservoirs. Expressions for the refrigeration rate and coefficient of performance (COP) of the cooler are derived. The effects of the size effect on the refrigeration rate and COP are discussed. The general performance characteristics of the cooler are revealed.     

一种喷射式快速启动制冷器的研制

为了提高红外探测器用制冷器的启动时间,研究设计了一种新型喷射式快速启动制冷器。这种制冷器带有两级制冷,比传统的单级制冷器启动时间更短,采用多层换热管结构和多个节流孔技术,极大地提高了其换热效率和降温时间。对这种制冷器的工作原理进行了分析,确定了影响其启动时间的因素。设计了一系列试验,测试得出了这种制冷器在不同氮气压力下的启动时间。该实验结果表明,这种制冷器能在数秒内达到77K,实现了快速启动,并对更进一步提高其启动时间的方法提出了建议。     

线性分置式斯特林制冷机批量生产过程中工艺参数的控制研究

文章通过对线性分置式斯特林制冷机批量生产过程中主要工艺参数的分析与控制研究,归结了影响线性分置式斯特林制冷机产品质量一致性和稳定性的一些重要因素,阐述了批生产过程中工艺参数控制的重要性.     

微通道冷却器内流动和传热特性的数值模拟

为满足固体激光器用微通道冷却器的换热要求, 根据冷却器结构分别建立了二维和三维物理模型, 利用计算流体力学方法首先对比研究两者的流动特性, 然后考察雷诺数和玻片生热量对微通道流动和传热特性的影响。结果表明:对于类似大平板间的矩形微通道层流流动区域, 其流动及传热特性可直接采用二维简化模型进行模拟分析;对于重点关注的转捩区, 采用三维模型模拟分析更好;当雷诺数增大到转捩点, 流体的传热效果得到明显增强;随着雷诺数的增大, 玻片生热量对通道内最低压力需求的影响逐渐减小;不同玻片生热量对微通道流动影响不可忽略, 对努赛尔数和通道总压降基本无影响。     

固体激光微通道冷却器内流动特性的数值模拟

建立了固体激光微通道冷却器数学模型,运用商业软件Fluent进行求解计算,并与文献中数据进行对比,验证了模型的可靠性。分析微通道尺寸及结构对转捩雷诺数影响,结果表明:微通道当量直径对于转捩雷诺数影响甚微,收缩比的大小是引起转捩雷诺数不同的关键因素,最终确定了不同收缩比下的转捩雷诺数。     

高频线性斯特林制冷机的性能测试和分析

线性压缩机 SL 4 0 0用于红外探测器及超导应用的高频同轴式脉管制冷机的研制。在不同的输入功率、不同的工作频率下 ,测试了 SL 4 0 0型压缩机驱动 SL 2 0 0型及 SL 10 0型斯特林制冷机冷指的制冷性能。输入功率在 10 W～ 10 0 W范围内调整 ,输入功率为 5 0 W时 ,在 4 0 Hz～ 6 0 Hz变化压缩机的工作频率 ,测试和计算制冷机的 COP系数及压缩机的效率。对制冷机冷指不同放置方向时的制冷性能作了测试 ;比较了散热片风冷及水冷情况下制冷机的性能 ;得出了 SL4 0 0型压缩机的工作特性。     

气动分置式斯特林制冷机间隙密封优化

气体泄漏及间隙传热会导致制冷机性能恶化,因此间隙密封技术是气动分置式斯特林制冷机的一项关键技术。对三种不同间隙密封结构展开研究,搭建Sage模型分析结构参数对制冷机性能的影响,模拟结果显示:间隙高度H不仅影响泄漏率,还与穿梭损失及泵气损失相关;双段式间隙密封的密封1长度比例越大,制冷量越大。当长度比例及密封1、间隙1高度分别为0.7-0.3,10μm,500μm时,双段式间隙密封结构性能达到最优。与单段式间隙密封相比,双段式间隙密封结构的制冷量与COP提高9%和21%;与三段式间隙密封相比,双段式间隙密封结构简单,加工方便,因此在设计膨胀气缸与活塞间隙密封时,优选该结构作为斯特林制冷机密封结构。     

80 K温区的小型行波低温热声制冷机

热声制冷机由于结构简单、无运动部件,具有广阔的应用前景。本文在已有的小型行波热声发动机的基础上,开展了热声制冷的工作。利用线性热声理论对制冷机进行数值模拟,并对制冷机的各热声元件优化。优化后,系统整体装配横向尺寸仅0.5 m,在充气压力3 MPa,发动机输入功率384 W的条件下,达到了80 K的无负载温度。由于本制冷机由行波型热声发动机驱动,并且是通过线性热声理论优化,因此称之为小型行波低温热声制冷机。     

自由活塞斯特林制冷机间隙密封技术研究

间隙密封作为自由活塞斯特林制冷机中的一项关键技术,可以在完成密封作用的同时消除接触磨损和因此而产生的污染,同时由于间隙内气体的泄漏,引起了冷量损失,使制冷量减少。文中建立了层流工况下间隙密封的数学模型,推导了密封间隙的泄漏率。针对自由活塞斯特林制冷机的结构,对三处不同位置的间隙密封分别进行分析,提出了不同位置的间隙密封设计要求。对于直线压缩机的间隙密封,压缩机间隙密封的泄漏会带来压力波损失并同时影响压缩机固有频率;为消除压缩活塞的偏置,要求周期泄漏量为零,对于膨胀机的间隙密封,除了泄漏损失还包括了穿梭损失和摩擦损失等。最后,考虑实际加工和装配工艺的局限性,对间隙密封的偏心影响进行了分析,并对自由活塞斯特林制冷机间隙密封的安装技术和检测手段提出了简单的建议。