润滑油对基于制冷循环的喷雾冷却系统性能的影响

针对高功率固体激光器的散热需求,设计了一种基于制冷循环的喷雾冷却系统,并对其换热性能进行研究。由于制冷系统的压缩机需要润滑,冷却液中不可避免地会混有润滑油。润滑油会对冷却液的粘度、表面张力产生影响,并可能产生油膜,从而对冷却液的换热过程产生强化或抑制。因此,通过实验研究,分析了润滑油对喷雾冷却换热性能的影响。实验结果表明,冷却液中存在润滑油,会增大冷却液流经喷嘴过程中的阻力,减小流量,但根据本系统的应用情况,可以忽略;在低热流密度时,含有一定量的润滑油更有利于热源表面温度的均匀分布,高热流密度时,2%(质量分数)的含油量对温度分布不均的影响可以忽略;润滑油的存在可以提高临界热流密度,使得系统的散热能力得到提高,更有利于其在高功率固体激光器散热领域的应用。     

喷雾冷却换热机理和影响换热性能的因素

 基于目前国内外相关研究结果,分析了喷雾冷却的传热特性,阐述了喷雾冷却换热机理,给出了强化方法,研究了影响换热性能的因素,并给出一些理论临界热流密度（CHF）模型。最后结合高功率激光器件的散热需求,提出了喷雾冷却的发展方向。     

高功率二极管激光器喷雾冷却实验研究

通过以液氨为制冷工质的开式喷雾冷却系统,在相同实验条件下研究了二极管激光器(DL)热沉喷雾表面分别为光滑表面、均匀密排微孔、深孔和多孔表面结构时的冷却效果,实验结果表明:在热流密度达到300W/cm2时,冷却表面温度均保持在28℃以内,适用于高热流密度下的DL热管理问题;喷雾表面均布微结构能显著强化喷雾冷却性能,当采用均匀密排多孔表面时,散热功率达511.5 W/cm2,对流传热系数为346 701.1W/(m2·℃),传热系数较光滑表面时提高了83.9%。     

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。     

1.2 kW便携式光纤激光器

高功率光纤激光器通常采用如水冷散热方式进行控温,难以满足轻量化等的需求。而利用相变储能材料的特性,采用多相变控温技术,可大幅减小高功率光纤激光器系统的体积、重量。对光纤激光器的温控技术进行了分析,采用多相变温控技术,实现了波长1.08 μm、最大功率1.26 kW的全光纤激光输出,光-光效率75.4%,光束质量因子M_x2=1.21,M_y2=1.23,有效减小了激光器的体积和质量,为高功率光纤激光器的热管理提供了新方法。     

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。     

微槽群相变与热电制冷结合的激光器冷却系统

本文运用微槽群复合相变和热电制冷(TEC)技术来实现激光器系统低温下的高热流密度散热.通过对不同工质在不同充液率下的实验研究发现,工质和充液率对系统的运行状况有重要的影响.在选用甲醇作为循环工质,并且在系统充液率为1.5的情况下,系统能够达到所需的散热冷却效果;本文实验分析了冷凝器的工作状况对蒸发器表面温度的影响,提出通过提高TEC制冷片的制冷量和强化铜散热片的散热能力来降低冷凝器的温度,进而降低蒸发器的温度.     

R1336mzz闪蒸喷雾冷却传热特性的实验研究

闪蒸喷雾冷却是高热流密度电子器件有效的散热技术之一。本研究采用新型工质R1336mzz,建立了一个闭式闪蒸喷雾冷却实验平台,研究了喷雾流量和入口温度等影响因素对其传热特性的影响。实验结果表明,闪蒸喷雾冷却的传热性能随流量的增加先增大后减小,在流量为1.4 L/min时,获得最佳的传热性能,临界热流密度最高可达349 W/cm²。较高的入口温度能够改善传热性能,这是因为高入口温度有助于提高闪蒸雾化效果,产生更多细小液滴,大大提高了闪蒸喷雾冷却系统的传热性能。     

千瓦级双包层光纤激光器冷却方案设计理论和实验研究

尽管双包层光纤激光器的散热性能好于传统的固体激光器的散热性能,光纤激光器中的热沉积仍然是限制提高其输出功率的重要因素.以双端抽运的400 W双包层光纤激光器为实例,定量分析了光纤内的热沉积分布.根据所建立的散热模型,为了确保千瓦级双包层光纤激光器安全稳定的运行,抽运端附近的对流换热系数应大于2.8×10^-2W·cm^-2K^-1.据此设计出高功率双包层光纤激光器抽运端冷却装置并成功应用在激光系统中,获得了千瓦级的激光输出. 关键词： 热沉积 散热 双包层光纤激光器     

高功率双包层光纤激光器热效应及功率极限

 基于稳态热传导方程,对高功率双包层光纤激光器的热效应进行了研究,分析了光纤尺寸、冷却条件、泵浦功率等因素对光纤温度场的影响。对给定参数的光纤,给出了理论功率极限。指出对于目前常用双包层光纤激光器,最大输出功率主要受各外包层材料的熔点和非线性效应限制,从而可以确定功率限制的瓶颈所在,提出有效的改进方案,如减弱或消除线性效应、提高外包层的耐热能及改进制冷方案。     

喷雾冷却相变传热的建模与模拟计算

喷雾冷却是一种高效的热控技术,为了探索形成完善的喷雾冷却技术设计流程,文章开展了喷雾冷却传热过程的建模研究.针对喷雾冷却传热过程的模拟计算,基于喷雾冷却相变传热的4个传热机制:液膜对流传热、池沸腾传热、二次气泡沸腾传热、二次气泡高频化机制,利用Monte Carlo方法描述了不同粒径与速率分布的液滴撞击液膜并生成二次气泡的过程,通过液态介质中气泡生长速率的解析计算模型考虑了气泡的生长过程,并结合模化气泡与气泡之间、液滴与气泡之间、气泡与液膜之间的干涉行为描述了气泡的演化过程,通过综合液膜单相对流与气泡相变传热,发展了喷雾冷却相变传热模拟计算方法.基于喷雾冷却实验台开展了稳态喷雾冷却实验,实验校核结果表明,计算方法能够较好地模拟喷雾冷却相变传热性能.另外还分析了影响本方法计算精度的两类因素.      

耦合高压斯特林制冷效应的复合磁制冷循环的数值模拟

本文借助计算流体力学软件, 对复合磁制冷机进行整机数值模拟分析. 以复合磁制冷机为建模原形, 分别计算了主动式磁制冷循环以及复合磁制冷循环. 利用模型计算分析了利用系数, 工作频率对主动式磁制冷的制冷效果影响, 同时模拟计算了不同相位角、不同频率下的复合磁制冷机的制冷效果, 计算得到适合复合磁制冷循环的最佳匹配相位角. 模拟计算结果对后续实验台的设计搭建有很好的指导作用.     

喷雾冷却过程的数值模拟方法探索

喷雾冷却是一种高效的热控技术，为了探索形成喷雾冷却技术设计流程，文章研究了喷雾冷却过程的数值模拟方法.针对单相模式和相变模式的喷雾冷却数值模拟，利用发展成熟的内燃机燃油喷雾油膜模拟方法来模化喷雾冷却液膜的相变与传热，开展了基于计算流体动力学的模拟计算.同时建立了喷雾冷却实验台，开展了稳态喷雾冷却实验.计算结果与实验对比表明，基于内燃机燃油喷雾的油膜模拟方法能够较准确地计算单相传热模式下的喷雾冷却性能，而会显著低估相变传热模式下的喷雾冷却性能.      

Experimental Investigation of Continual- and Intermittent-Spray Cooling

This work involved continual- and intermittent-spray cooling heat transfer experiments on a flat surface to study the effects of the spray cycle, duty ratio, and spray time. The spray droplet parameters were similar, while the heat transfer coefficients for continual-spray cooling were appreciably larger than those of intermittent-spray cooling for the same pressure; however, the heat dissipated per kilogram of water for the intermittent-spray cooling was larger, especially in the non-boiling region. The results show that an optimal spray cycle and optimal duty ratio make more efficient use of the coolant in intermittent-spray cooling.     

Parametric optimum analysis of an irreversible Ericsson cryogenic refrigeration cycle working with an ideal Fermi gas

An irreversible model of an Ericsson cryogenic refrigeration cycle working with an ideal Fermi gas is established, which is composed of two isothermal and two isobaric processes. The influence of both the quantum degeneracy and the finite-rate heat transfer between the working fluid and the heat reservoirs on the performance of the cycle is investigated, based on the theory of statistical mechanics and thermodynamic properties of an ideal Fermi gas. The inherent regeneration losses of the cycle are analyzed. Expressions for several important performance parameters such as the coefficient of performance, cooling rate and power input are derived. By using numerical solutions, the cooling rate of the cycle is optimized for a given power input. The maximum cooling rate and the corresponding parameters are calculated numerically. The optimal regions of the coefficient of performance and power input are determined. Especially, the optimal performance of the cycle in the strong and weak gas degeneracy cases and the high temperature limit is discussed in detail. The analytic expressions of some optimized parameters are derived. Some optimum criteria are given. The distinctions and connections between the Ericsson refrigeration cycles working with the Fermi and classical gases are revealed.      

开式单喷嘴喷雾冷却均匀性实验研究

针对高热流密度激光介质高效散热与均匀冷却技术需求，设计并搭建了以去离子水为冷却工质的开式单喷嘴喷雾冷却实验平台，实验研究获得了不同热流密度（16～110 W/cm2）、不同冷却工质流量（200～300 mL/min）以及不同喷雾高度（15～25 mm）下单相喷雾冷却换热系数及其冷却均匀性效果。结果表明:该实验工况下，不同热流密度条件下喷雾高度及工质流量对于单相喷雾冷却换热效率及温度均匀性影响显著；喷雾高度15 mm、工质流量200 mL/min时获得最大对流换热系数为5.93 W/（cm2·K）；喷雾高度15 mm、工质流量250 mL/min时面积20 mm×20 mm的热源表面温度均匀性最佳可优于0.6 ℃。     

R600a喷雾冷却系统换热过程

以R600a压力式封闭系统喷雾冷却过程为研究对象,对其换热过程进行分析。对液滴撞击热面后的状态进行建模,分析了其运动状态。通过忽略液膜的对流换热,引入韦伯数来简化并修正雾滴与热源表面的对流换热系数关联式;借鉴二次成核理论,通过单位时间内,单位面积上覆盖的雾滴数量对核态沸腾换热系数关联式修正。通过上述分析,以对流换热和核态沸腾换热两种机理为中心,建立了新的换热系数关联式。通过与其他文献的关联式、实验测量值进行比较、不同工质进行比较、不同实验系统比较,发现该式预测值和实验测量值偏差在±20%以内,能够很好地预测压力式封闭系统喷雾冷却过程的换热系数。