大功率激光二极管阵列节流微蒸发制冷热沉的原理与实验研究

发布时间：2017-05-14 12:19

  本文关键词：大功率激光二极管阵列节流微蒸发制冷热沉的原理与实验研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：微型节流蒸发腔制冷(Micro miniature J-T Refrigerator:MMR)热沉是一种利用蒸汽压缩、节流蒸发、相变吸热的原理制成的微型化制冷装置,包含微型压缩机、风冷冷凝器、节流元件、微蒸发腔等部件。专用于发热面积小、热流密度高的电子元器件,特别是大功率激光二极管(Laser Diode:LD)散热。与传统的LD微通道液冷热沉相比较,利用冷却剂相变潜热,能够在冷却剂很小的质量与流量下实现很大的换热量、具备很高的散热密度;冷却剂在相变吸热的时候温度保持不变,克服了传统液冷微通道热沉由于冷却液在入口、出口温度不同而引起的LD阵列在不同发光点制冷效果差异而导致出光功率变化、波长漂移等不利因素。同时兼具冷却温度更低、冷却系统结构更简单、冷却系统体积更小、总耗能更低等优点。而随着大功率激光技术的发展,更大功率、热流密度更高的LD被研制,传统的液冷微通道单相传热冷却已经不能满足要求。因此,近年来,利用相变换热冷却微型化制冷的研究引起了国外相关科研机构和公司的广泛关注并相继报道了诸多具有重要意义的研究成果。国际上对MMR的研究可分为理论模拟研究、微型节流元件形式研究、制冷剂工质研究、微型制冷蒸发腔结构研究、包含微型压缩机等部件的微型制冷系统研究以及对包含大功率LD等高热流的不同热负载实验技术研究。国内研究目前处于起步阶段,集中在理论模拟、相变冷却方式、微蒸发腔结构等领域。理论研究方面主要从蒸汽压缩制冷的机理、微通道内冷却剂相变特性、微通道内单相流动特性、两相流动特性、数值模拟热沉温度分布等;节流元件形式包括节流阀、毛细管节流、多孔喷射节流等多种形式;在微蒸发腔的结构形式集中在对单一空腔简单结构、多微通道蒸发腔、蒸发腔的加工制作工艺、微蒸发腔材料等方面展开研究。另有少量对直流微型压缩机、冷凝器等制冷系统的研究。由于微蒸发腔制冷剂不同于冷却水一般液冷材料,冷却剂在微通道内的相变过程较为复杂,影响其换热的因素较多,目前的研究还不够完善,另外其在工作的时候需要考虑密封、制冷剂初期的加注工艺,因此,不同于大功率激光二极管广泛使用的微通道液冷热沉产品,目前国内外还没有成熟的基于微蒸发腔制冷的热沉产品销售和使用。大功率激光二极管的有效散热是LD能够在军事、工业、科研、医疗等广泛重要领域大规模推广应用的前提和根本,自是1962年R.N..Hall等人采用扩散技术研制出第一台Ga As同质结LD以来,其散热研究就一直是学术科研领域一个经典的课题,随着LD制作工艺的成熟、出光功率的提高,其散热方式经历了常规传导冷却、TEC制冷冷却、常规通道水冷、硅微通道和铜微通道水冷等方式,得到了层出不穷的研究成果。在国内的研究机构中,重庆师范大学光学工程重点实验室戴特力教授于1998年于国内首次研制成功硅微通道水冷热沉,使我国成为第5个国家掌握该技术的国家之一。2010年同一实验室的作者意识到微通道液冷的不足之处及其散热的极限后,根据当时国外的少量文献报道,创新性提出针对大功率LD散热的微蒸发制冷方法和研究方案,2011年申请国家自然科技基金项目《大功率半导体激光器阵列的微蒸发冷却封装组件的原理与实验研究》并获基金支持(No:61008059),2014年提出该项目的后续研究申请重庆市科委前沿技术项目《大功率激光二极管微蒸发腔制冷组件的设计制作及特性参数研究》并获资助(No:cstc2014jcyjA70005)。本文基于上述两个项目的基础,主要采用理论分析、数值模拟和实验相结合的方法研究了大功率LD微型蒸发腔制冷系统的相变制冷原理,对微蒸发腔热沉散热温度分布进行了数值模拟,设计了结合微通道的微蒸发腔结构尺寸,研究了微蒸发腔制作加工工艺、封装工艺、激光二极管条与热沉的焊接工艺,完成了微蒸发腔制冷系统的设计与实验。具体内容如下:①根据热力学第二定律,从基本的单级蒸气压缩式制冷的理论原理入手,分析了单级循环制冷的系统组成、系统的压力-比焓图、温度-比熵图,建立了基于微型化的膨胀阀、压缩机、蒸发器、冷凝器各部件的热力学及系统性能参数计算模型。②根据大功率LD的发热特性、热流密度,设计了含毛细管节流元件、微蒸发腔集成一体的5层结构微蒸发腔组件,并进行了有限元法冷却散热的数值模拟,得到了在LD热负载为60瓦时的温度分布与热流密度。模拟结果表明,该设计方案能够实现对60瓦热负载的大功率LD进行冷却。③实验研究了微蒸发腔的制作工艺,采用5层高导热无氧铜作为蒸发腔基本材料,研究了制作微蒸发腔的线切割工艺、多层无氧铜焊接工艺、表面光滑腐蚀工艺、LD焊接工艺以及制冷系统各部件的组装配合工艺。④开展了采用蒸镀金属电阻的方式充当LD热源的多次实验研究。分别实验了单根弯曲毛细管并采用机械雕刻机制作的三层结构的微蒸发腔、多通道的三层结构微蒸发腔、多通道的5层结构微蒸发腔。观察了微通道中沸腾-蒸发现象,详细记录了实验过程及实验现象与数据,仔细探讨了试验中出现的困难与不足,最后得到较为满意的满足LD散热的微蒸发腔结构尺寸和样品。⑤开展了使用R22、R134a、以及混合工质等不同制冷剂工质的微蒸发实验,得到各自的实验数据,开展了在压缩机不同转速下LD的出光特性实验,得到了不同转速与输出光功率、输出波长、制冷效率等参数的关系。
【关键词】：大功率激光二极管 微蒸发腔冷却器 热沉 节流汽化 相变冷却
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB657;TN248.4
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-12
• 1 绪论12-44
• 1.1 引言12
• 1.2 半导体激光二极管的发展与研究12-17
• 1.3 新型半导体激光器的发展及研究17-18
• 1.4 半导体激光器冷却方式及制冷热沉的研究18-27
• 1.4.1 大功率半导体激光器的传导冷却方式及相应封装热沉19-21
• 1.4.2 大功率半导体激光器的液体冷却方式及相应封装热沉21-25
• 1.4.3 多片半导体激光器的冷却封装25-27
• 1.5 大功率激光二极管热沉优化27-40
• 1.6 大功率半导体激光器相变制冷研究40-41
• 1.7 本论文主要研究工作及创新性41-42
• 1.8 论文组织结构42-43
• 1.9 本章小结43-44
• 2 半导体激光器发热特性及危害性研究44-54
• 2.1 引言44
• 2.2 半导体激光器的输出参数特性44-46
• 2.2.1 电光转换效率44-45
• 2.2.2 半导体激光器输出光束特性45-46
• 2.3 半导体激光器的热效应对输出参数的影响46-50
• 2.3.1 结点温度对阈值电流的影响47
• 2.3.2 结点温度对斜效率的影响47-48
• 2.3.3 结点温度对输出功率的影响48-49
• 2.3.4 结点温度对激光器输出波长的影响49-50
• 2.3.5 结点温度对寿命的影响50
• 2.4 半导体激光器的热来源50-52
• 2.5 本章小结52-54
• 3 大功率激光微蒸发腔蒸气压缩制冷原理及理论分析54-64
• 3.1 引言54
• 3.2 蒸气压缩式制冷的热力循环54-56
• 3.2.1 循环及热效率54-55
• 3.2.2 逆卡诺循环55-56
• 3.2.3 变温热源的逆卡诺循环56
• 3.3 单级蒸气压缩制冷的热力循环56-60
• 3.3.1 单级蒸气压缩制冷的理论热力循环56-58
• 3.3.2 单级蒸气压缩制冷的实际热力循环58-60
• 3.4 单级蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算60-61
• 3.4.1 膨胀阀60-61
• 3.4.2 压缩机61
• 3.4.3 蒸发腔61
• 3.4.4 冷凝器61
• 3.5 传热学基础及制冷交换器61-63
• 3.6 本章小结63-64
• 4 微蒸发腔制冷组件的设计及散热数值模拟64-78
• 4.1 引言64
• 4.2 微蒸发腔组件的设计64-70
• 4.2.1 微蒸发腔组件材料的选择66
• 4.2.2 微蒸发腔的设计结构与尺寸66-70
• 4.3 微蒸发腔热沉的散热数值模拟70-73
• 4.4 微蒸发腔数值模拟结果及讨论73-76
• 4.5 本章小结76-78
• 5 微蒸发腔冷却组件制作工艺研究及系统装置实验78-106
• 5.1 引言78
• 5.2 第一代微蒸发腔的制作78-90
• 5.2.1 微蒸发腔组件内部结构及尺寸79-82
• 5.2.2 微蒸发腔通道主体及毛细管的机械初加工82
• 5.2.3 微蒸发腔通道主体及毛细管的化学后处理82-85
• 5.2.4 上下盖板的制作85-86
• 5.2.5 微通道组件的进出管道焊接86-87
• 5.2.6 微蒸发三层部件的打磨及组装钎焊87-88
• 5.2.7 微蒸发腔制冷系统及实验88-90
• 5.2.8 第一代微蒸发腔组件研制及实验总结90
• 5.3 第二代5层结构微蒸发腔组件的制作与大功率激光二极管条制冷系统的设计及实验90-104
• 5.3.1 多层微蒸发腔组件的设计与制作90-92
• 5.3.2 基于多层结构微蒸发腔的大功率LD封装工艺研究92-96
• 5.3.3 微蒸发腔制冷热沉单极压缩微型系统实验设计96-100
• 5.3.4 微蒸发腔制冷热沉热阻测试实验及结果讨论100-104
• 5.4 本章总结104-106
• 6 结论与展望106-110
• 6.1 论文总结106-107
• 6.2 论文创新点107-108
• 6.3 后续工作与展望108-110
• 致谢110-112
• 参考文献112-124
• 附录124-125
• A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录124
• B. 作者在攻读博士学位期间获得的专利科技成果124-125
• C. 作者在攻读博士学位期间主持的科研项目125

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本文编号：365179