高功率光纤激光器热控技术研究

发布时间：2017-03-24 20:00

  本文关键词：高功率光纤激光器热控技术研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：目前高功率光纤激光器已在科研、民用和军事方面得到了广泛的应用,随着对光纤激光器功率的要求越来越高,其较大的表面积和体积比,已经不能满足散热要求。大量的热积累会对关键的功率器件造成热损坏,甚至影响光纤激光器的系统及性能。因此就需要采取有效的热控技术对高功率光纤激光器进行散热处理,以满足安全使用要求。本文以高功率光纤激光器为研究对象,根据光纤激光器关键功率器件的散热机理,在对水冷散热结构优化的基础上,提出了一种基于相变储热的空间用高功率光纤激光器的无水冷却技术。主要工作如下:首先,分析了光纤激光器系统的组成和工作原理,对不同的产热部位进行产热机理和热分布规律研究,搭建相应的产热数学模型,分析了热效应对不同的关键功率器件的性能影响。针对地面和空间的不同工况条件,选用水冷和无水冷却两种不同的热控技术对激光器进行散热。其次,在ICEPAK中建立水冷板结构有限元仿真模型,设置相应的边界条件,对流道结构、流体流速等多因素进行研究,分析其对散热效果的影响。在Pro/E中建立无水冷却的热缓冲装置模型,在Workbench中进行有限元热分析,增加半导体制冷(TEC),进行相变储热冷却的强化研究,优化散热效果。最后,对优化的结果进行实验研究,对比仿真结果,分析了误差产生的原因,相互验证了仿真和实验的可靠性与准确性,从而真实地反映了不同的散热措施,不同的参数对散热效果的影响。结果表明:水冷散热中水冷板的结构、流体的流速、流道的截面积对水冷的散热效果影响程度较大。基于相变储热的无水冷却,通过增加金属导热和热电制冷的方式可有效减缓相变材料的潜热阶段,使潜热的时间延长了15%,降低了光纤激光器的工作占空比,与铝热沉相比质量减小了60%,满足空间全固态、轻量化要求。在此基础之上,又进行了千瓦级光纤激光器的整机水冷和无水冷却设计。为高功率光纤激光器的散热提供了理论支持和实际应用经验。因此,研究高功率光纤激光器的热控技术,尤其是空间用高功率光纤激光器的热控技术,对后续高功率激光器的设计和优化具有工程实际应用价值和理论指导意义。
【关键词】：光纤激光器 有限元 热效应 水冷 相变冷却
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN248
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-18
• 1.1 课题来源、背景和意义11-13
• 1.1.1 课题来源11
• 1.1.2 课题背景11-12
• 1.1.3 课题目的和意义12-13
• 1.2 热设计的研究现状13-14
• 1.3 高功率光纤激光器热控技术的研究现状14-16
• 1.3.1 国内外研究现状14-16
• 1.4 本文的主要研究内容16-17
• 1.5 本章小结17-18
• 2 热设计理论基础18-34
• 2.1 热源和热阻18-19
• 2.2 热传递方式19-23
• 2.2.1 热传导19-20
• 2.2.2 热对流20-21
• 2.2.3 热辐射21-22
• 2.2.4 稳态和瞬态传热22-23
• 2.3 热控制方法23-24
• 2.4 冷板散热24-29
• 2.4.1 流态判断25-26
• 2.4.2 液冷冷板的换热计算26-29
• 2.5 储热冷板29-30
• 2.5.1 储热冷板的换热计算29-30
• 2.6 热电制冷30-32
• 2.6.1 热电制冷的基本原理30-32
• 2.7 本章小结32-34
• 3 高功率光纤激光器热分析34-46
• 3.1 光纤激光器的组成及原理34-35
• 3.2 泵浦源的热分析35-38
• 3.2.1 泵浦源产热机理35-37
• 3.2.2 热效应对LD的影响37-38
• 3.3 有源光纤的热分析38-42
• 3.3.1 有源光纤的产热机理38-39
• 3.3.2 有源光纤的热分布规律39-42
• 3.3.3 热效应对有源光纤的影响42
• 3.4 光纤熔接点热效应分析42-44
• 3.4.1 光纤熔接点的热分布规律43
• 3.4.2 热效应对光纤熔接点的影响43-44
• 3.5 热控制方法的选择44-45
• 3.6 本章小结45-46
• 4 高功率光纤激光器的液冷散热技术研究46-66
• 4.1 液冷系统介绍46
• 4.2 冷板结构设计46-48
• 4.3 冷却介质的选取48-49
• 4.4 冷板散热数值仿真研究49-50
• 4.4.1 热分析软件介绍49-50
• 4.4.2 边界条件和求解器设置50
• 4.5 不同参量对散热效果影响程度分析50-61
• 4.5.1 三种光纤槽的散热效果50-51
• 4.5.2 不同冷板结构的散热效果研究51-57
• 4.5.3 不同流速对散热效果的影响57-58
• 4.5.4 不同流道截面积对散热效果的影响58-60
• 4.5.5 热源与流道间的距离对散热效果的影响60
• 4.5.6 不同尺寸绕流柱对散热效果的影响60-61
• 4.6 冷板的优化设计61-64
• 4.6.1 冷板散热的实验测试62-64
• 4.6.2 实验数据分析64
• 4.7 光纤激光器水冷设计64-65
• 4.8 本章小结65-66
• 5 高功率光纤激光器无水冷却技术研究66-82
• 5.1 无水冷却系统66-67
• 5.2 相变材料的选取67-68
• 5.3 热缓冲装置结构设计68-69
• 5.4 相变储热散热数值仿真研究69-73
• 5.4.1 热沉结构的散热效果研究69-70
• 5.4.2 相变储热的强化分析70-73
• 5.5 相变储热和热电制冷相结合的优化散热研究73-75
• 5.6 无水冷却的测试与分析75-80
• 5.6.1 无水冷却的实验测试75-77
• 5.6.2 实验数据分析77-80
• 5.7 光纤激光器无水冷却设计80
• 5.8 本章小结80-82
• 6 总结与展望82-85
• 6.1 总结82-83
• 6.2 展望83-85
• 参考文献85-89
• 攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果89-90
• 致谢90-91

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