本文關鍵詞：大功率激光二極管陣列節(jié)流微蒸發(fā)制冷熱沉的原理與實驗研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：微型節(jié)流蒸發(fā)腔制冷(Micro miniature J-T Refrigerator:MMR)熱沉是一種利用蒸汽壓縮、節(jié)流蒸發(fā)、相變吸熱的原理制成的微型化制冷裝置,包含微型壓縮機、風冷冷凝器、節(jié)流元件、微蒸發(fā)腔等部件。專用于發(fā)熱面積小、熱流密度高的電子元器件,特別是大功率激光二極管(Laser Diode:LD)散熱。與傳統(tǒng)的LD微通道液冷熱沉相比較,利用冷卻劑相變潛熱,能夠在冷卻劑很小的質(zhì)量與流量下實現(xiàn)很大的換熱量、具備很高的散熱密度;冷卻劑在相變吸熱的時候溫度保持不變,克服了傳統(tǒng)液冷微通道熱沉由于冷卻液在入口、出口溫度不同而引起的LD陣列在不同發(fā)光點制冷效果差異而導致出光功率變化、波長漂移等不利因素。同時兼具冷卻溫度更低、冷卻系統(tǒng)結構更簡單、冷卻系統(tǒng)體積更小、總耗能更低等優(yōu)點。而隨著大功率激光技術的發(fā)展,更大功率、熱流密度更高的LD被研制,傳統(tǒng)的液冷微通道單相傳熱冷卻已經(jīng)不能滿足要求。因此,近年來,利用相變換熱冷卻微型化制冷的研究引起了國外相關科研機構和公司的廣泛關注并相繼報道了諸多具有重要意義的研究成果。國際上對MMR的研究可分為理論模擬研究、微型節(jié)流元件形式研究、制冷劑工質(zhì)研究、微型制冷蒸發(fā)腔結構研究、包含微型壓縮機等部件的微型制冷系統(tǒng)研究以及對包含大功率LD等高熱流的不同熱負載實驗技術研究。國內(nèi)研究目前處于起步階段,集中在理論模擬、相變冷卻方式、微蒸發(fā)腔結構等領域。理論研究方面主要從蒸汽壓縮制冷的機理、微通道內(nèi)冷卻劑相變特性、微通道內(nèi)單相流動特性、兩相流動特性、數(shù)值模擬熱沉溫度分布等;節(jié)流元件形式包括節(jié)流閥、毛細管節(jié)流、多孔噴射節(jié)流等多種形式;在微蒸發(fā)腔的結構形式集中在對單一空腔簡單結構、多微通道蒸發(fā)腔、蒸發(fā)腔的加工制作工藝、微蒸發(fā)腔材料等方面展開研究。另有少量對直流微型壓縮機、冷凝器等制冷系統(tǒng)的研究。由于微蒸發(fā)腔制冷劑不同于冷卻水一般液冷材料,冷卻劑在微通道內(nèi)的相變過程較為復雜,影響其換熱的因素較多,目前的研究還不夠完善,另外其在工作的時候需要考慮密封、制冷劑初期的加注工藝,因此,不同于大功率激光二極管廣泛使用的微通道液冷熱沉產(chǎn)品,目前國內(nèi)外還沒有成熟的基于微蒸發(fā)腔制冷的熱沉產(chǎn)品銷售和使用。大功率激光二極管的有效散熱是LD能夠在軍事、工業(yè)、科研、醫(yī)療等廣泛重要領域大規(guī)模推廣應用的前提和根本,自是1962年R.N..Hall等人采用擴散技術研制出第一臺Ga As同質(zhì)結LD以來,其散熱研究就一直是學術科研領域一個經(jīng)典的課題,隨著LD制作工藝的成熟、出光功率的提高,其散熱方式經(jīng)歷了常規(guī)傳導冷卻、TEC制冷冷卻、常規(guī)通道水冷、硅微通道和銅微通道水冷等方式,得到了層出不窮的研究成果。在國內(nèi)的研究機構中,重慶師范大學光學工程重點實驗室戴特力教授于1998年于國內(nèi)首次研制成功硅微通道水冷熱沉,使我國成為第5個國家掌握該技術的國家之一。2010年同一實驗室的作者意識到微通道液冷的不足之處及其散熱的極限后,根據(jù)當時國外的少量文獻報道,創(chuàng)新性提出針對大功率LD散熱的微蒸發(fā)制冷方法和研究方案,2011年申請國家自然科技基金項目《大功率半導體激光器陣列的微蒸發(fā)冷卻封裝組件的原理與實驗研究》并獲基金支持(No:61008059),2014年提出該項目的后續(xù)研究申請重慶市科委前沿技術項目《大功率激光二極管微蒸發(fā)腔制冷組件的設計制作及特性參數(shù)研究》并獲資助(No:cstc2014jcyjA70005)。本文基于上述兩個項目的基礎,主要采用理論分析、數(shù)值模擬和實驗相結合的方法研究了大功率LD微型蒸發(fā)腔制冷系統(tǒng)的相變制冷原理,對微蒸發(fā)腔熱沉散熱溫度分布進行了數(shù)值模擬,設計了結合微通道的微蒸發(fā)腔結構尺寸,研究了微蒸發(fā)腔制作加工工藝、封裝工藝、激光二極管條與熱沉的焊接工藝,完成了微蒸發(fā)腔制冷系統(tǒng)的設計與實驗。具體內(nèi)容如下:①根據(jù)熱力學第二定律,從基本的單級蒸氣壓縮式制冷的理論原理入手,分析了單級循環(huán)制冷的系統(tǒng)組成、系統(tǒng)的壓力-比焓圖、溫度-比熵圖,建立了基于微型化的膨脹閥、壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器各部件的熱力學及系統(tǒng)性能參數(shù)計算模型。②根據(jù)大功率LD的發(fā)熱特性、熱流密度,設計了含毛細管節(jié)流元件、微蒸發(fā)腔集成一體的5層結構微蒸發(fā)腔組件,并進行了有限元法冷卻散熱的數(shù)值模擬,得到了在LD熱負載為60瓦時的溫度分布與熱流密度。模擬結果表明,該設計方案能夠?qū)崿F(xiàn)對60瓦熱負載的大功率LD進行冷卻。③實驗研究了微蒸發(fā)腔的制作工藝,采用5層高導熱無氧銅作為蒸發(fā)腔基本材料,研究了制作微蒸發(fā)腔的線切割工藝、多層無氧銅焊接工藝、表面光滑腐蝕工藝、LD焊接工藝以及制冷系統(tǒng)各部件的組裝配合工藝。④開展了采用蒸鍍金屬電阻的方式充當LD熱源的多次實驗研究。分別實驗了單根彎曲毛細管并采用機械雕刻機制作的三層結構的微蒸發(fā)腔、多通道的三層結構微蒸發(fā)腔、多通道的5層結構微蒸發(fā)腔。觀察了微通道中沸騰-蒸發(fā)現(xiàn)象,詳細記錄了實驗過程及實驗現(xiàn)象與數(shù)據(jù),仔細探討了試驗中出現(xiàn)的困難與不足,最后得到較為滿意的滿足LD散熱的微蒸發(fā)腔結構尺寸和樣品。⑤開展了使用R22、R134a、以及混合工質(zhì)等不同制冷劑工質(zhì)的微蒸發(fā)實驗,得到各自的實驗數(shù)據(jù),開展了在壓縮機不同轉(zhuǎn)速下LD的出光特性實驗,得到了不同轉(zhuǎn)速與輸出光功率、輸出波長、制冷效率等參數(shù)的關系。
【關鍵詞】：大功率激光二極管 微蒸發(fā)腔冷卻器 熱沉 節(jié)流汽化 相變冷卻
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TB657;TN248.4
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-12
• 1 緒論12-44
• 1.1 引言12
• 1.2 半導體激光二極管的發(fā)展與研究12-17
• 1.3 新型半導體激光器的發(fā)展及研究17-18
• 1.4 半導體激光器冷卻方式及制冷熱沉的研究18-27
• 1.4.1 大功率半導體激光器的傳導冷卻方式及相應封裝熱沉19-21
• 1.4.2 大功率半導體激光器的液體冷卻方式及相應封裝熱沉21-25
• 1.4.3 多片半導體激光器的冷卻封裝25-27
• 1.5 大功率激光二極管熱沉優(yōu)化27-40
• 1.6 大功率半導體激光器相變制冷研究40-41
• 1.7 本論文主要研究工作及創(chuàng)新性41-42
• 1.8 論文組織結構42-43
• 1.9 本章小結43-44
• 2 半導體激光器發(fā)熱特性及危害性研究44-54
• 2.1 引言44
• 2.2 半導體激光器的輸出參數(shù)特性44-46
• 2.2.1 電光轉(zhuǎn)換效率44-45
• 2.2.2 半導體激光器輸出光束特性45-46
• 2.3 半導體激光器的熱效應對輸出參數(shù)的影響46-50
• 2.3.1 結點溫度對閾值電流的影響47
• 2.3.2 結點溫度對斜效率的影響47-48
• 2.3.3 結點溫度對輸出功率的影響48-49
• 2.3.4 結點溫度對激光器輸出波長的影響49-50
• 2.3.5 結點溫度對壽命的影響50
• 2.4 半導體激光器的熱來源50-52
• 2.5 本章小結52-54
• 3 大功率激光微蒸發(fā)腔蒸氣壓縮制冷原理及理論分析54-64
• 3.1 引言54
• 3.2 蒸氣壓縮式制冷的熱力循環(huán)54-56
• 3.2.1 循環(huán)及熱效率54-55
• 3.2.2 逆卡諾循環(huán)55-56
• 3.2.3 變溫熱源的逆卡諾循環(huán)56
• 3.3 單級蒸氣壓縮制冷的熱力循環(huán)56-60
• 3.3.1 單級蒸氣壓縮制冷的理論熱力循環(huán)56-58
• 3.3.2 單級蒸氣壓縮制冷的實際熱力循環(huán)58-60
• 3.4 單級蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計算60-61
• 3.4.1 膨脹閥60-61
• 3.4.2 壓縮機61
• 3.4.3 蒸發(fā)腔61
• 3.4.4 冷凝器61
• 3.5 傳熱學基礎及制冷交換器61-63
• 3.6 本章小結63-64
• 4 微蒸發(fā)腔制冷組件的設計及散熱數(shù)值模擬64-78
• 4.1 引言64
• 4.2 微蒸發(fā)腔組件的設計64-70
• 4.2.1 微蒸發(fā)腔組件材料的選擇66
• 4.2.2 微蒸發(fā)腔的設計結構與尺寸66-70
• 4.3 微蒸發(fā)腔熱沉的散熱數(shù)值模擬70-73
• 4.4 微蒸發(fā)腔數(shù)值模擬結果及討論73-76
• 4.5 本章小結76-78
• 5 微蒸發(fā)腔冷卻組件制作工藝研究及系統(tǒng)裝置實驗78-106
• 5.1 引言78
• 5.2 第一代微蒸發(fā)腔的制作78-90
• 5.2.1 微蒸發(fā)腔組件內(nèi)部結構及尺寸79-82
• 5.2.2 微蒸發(fā)腔通道主體及毛細管的機械初加工82
• 5.2.3 微蒸發(fā)腔通道主體及毛細管的化學后處理82-85
• 5.2.4 上下蓋板的制作85-86
• 5.2.5 微通道組件的進出管道焊接86-87
• 5.2.6 微蒸發(fā)三層部件的打磨及組裝釬焊87-88
• 5.2.7 微蒸發(fā)腔制冷系統(tǒng)及實驗88-90
• 5.2.8 第一代微蒸發(fā)腔組件研制及實驗總結90
• 5.3 第二代5層結構微蒸發(fā)腔組件的制作與大功率激光二極管條制冷系統(tǒng)的設計及實驗90-104
• 5.3.1 多層微蒸發(fā)腔組件的設計與制作90-92
• 5.3.2 基于多層結構微蒸發(fā)腔的大功率LD封裝工藝研究92-96
• 5.3.3 微蒸發(fā)腔制冷熱沉單極壓縮微型系統(tǒng)實驗設計96-100
• 5.3.4 微蒸發(fā)腔制冷熱沉熱阻測試實驗及結果討論100-104
• 5.4 本章總結104-106
• 6 結論與展望106-110
• 6.1 論文總結106-107
• 6.2 論文創(chuàng)新點107-108
• 6.3 后續(xù)工作與展望108-110
• 致謝110-112
• 參考文獻112-124
• 附錄124-125
• A. 作者在攻讀博士學位期間發(fā)表的論文目錄124
• B. 作者在攻讀博士學位期間獲得的專利科技成果124-125
• C. 作者在攻讀博士學位期間主持的科研項目125

【相似文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 孫愛民,邊海琴,田翠鋒,沈東星;平面熱沉[J];西北師范大學學報(自然科學版);2005年01期

2 周杭生;張惠生;毛亨國;;大型空間環(huán)境模擬設備熱沉設計與研究[J];低溫與超導;2009年05期

3 王愛國;袁俊飛;武德勇;高松信;唐大偉;曹宏章;;兩相沖擊強化換熱激光二極管用單片熱沉[J];中國激光;2011年10期

4 劉青,夏國棟,劉啟明,馬曉雁;高效微射流陣列冷卻熱沉的數(shù)值模擬[J];自然科學進展;2005年08期

5 邊海琴,孫愛民,沈東星,田翠鋒;低溫大電流測量中熱沉的設計[J];西北師范大學學報(自然科學版);2005年06期

6 魯進利;韓亞芳;;平行細小槽道熱沉的綜合性能實驗測試[J];低溫與超導;2014年04期

7 李勇銅;徐會金;鞏亮;張克舫;;金屬泡沫微流道熱沉內(nèi)流體流動與傳熱特性的數(shù)值研究[J];應用數(shù)學和力學;2014年03期

8 周西朋,郭永勝,林瑞森,方文軍;吸熱型碳氫燃料熱沉測定裝置研究[J];浙江大學學報(理學版);2005年04期

9 姜傳勝,白焱,王浚;熱沉最佳穩(wěn)定工況仿真技術[J];高技術通訊;1998年07期

10 孫愛民,邊海琴,田翠鋒,沈東星;低溫測量中的熱沉尺寸效應[J];低溫物理學報;2005年02期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 單巍巍;劉波濤;丁文靜;劉敏;;重力式自循環(huán)系統(tǒng)中熱沉結構設計方法研究[A];第九屆全國低溫工程大會論文集[C];2009年

2 王者昌;;帶熱沉鎢極氬弧焊應力變形若干問題的探討(4)[A];第十六次全國焊接學術會議論文摘要集[C];2011年

3 丁文靜;劉波濤;劉敏;王紫娟;簡亞彬;;調(diào)溫熱沉應用的技術研究[A];第八屆全國低溫工程大會暨中國航天低溫專業(yè)信息網(wǎng)2007年度學術交流會論文集[C];2007年

4 徐飛;;不銹鋼管銅翅片結構熱沉關鍵加工技術研究[A];中國真空學會2012學術年會論文摘要集[C];2012年

5 王者昌;;帶熱沉鎢極氬弧焊應力變形若干問題的探討(3)[A];第十六次全國焊接學術會議論文摘要集[C];2011年

6 張文杰;魏仁海;張立偉;楊萬青;陳金明;孟凡雷;卜京懷;;不銹鋼管銅翅片熱沉研制關鍵技術[A];第八屆全國低溫工程大會暨中國航天低溫專業(yè)信息網(wǎng)2007年度學術交流會論文集[C];2007年

7 馮上升;鄺九杰;盧天健;;翅片/泡沫熱沉沖擊換熱特性數(shù)值研究[A];中國力學大會——2013論文摘要集[C];2013年

8 王者昌;;帶熱沉鎢極氬弧焊應力應變?nèi)舾蓡栴}的探討(1)[A];第十六次全國焊接學術會議論文摘要集[C];2011年

9 岳磊;方文軍;郭永勝;許莉;;高熱流密度下正構烷烴熱沉的測定及分析[A];中國化學會成立80周年第十六屆全國化學熱力學和熱分析學術會議論文集[C];2012年

10 王者昌;;帶熱沉鎢極氬弧焊應力應變?nèi)舾蓡栴}的探討(2)[A];第十六次全國焊接學術會議論文摘要集[C];2011年

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 范嗣強;大功率激光二極管陣列節(jié)流微蒸發(fā)制冷熱沉的原理與實驗研究[D];重慶大學;2015年

2 劉用鹿;高效微小通道熱沉散熱系統(tǒng)設計及其實驗研究[D];華中科技大學;2010年

3 崔珍珍;微針肋熱沉結構優(yōu)化及Micro-PIV系統(tǒng)下單相與兩相可視化研究[D];北京工業(yè)大學;2013年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 袁嘉隆;基于不同入口角度下矩形微通道熱沉流動和換熱特性研究[D];集美大學;2015年

2 孫華強;小型熱真空環(huán)境模擬裝置熱沉的熱力學分析[D];東北大學;2013年

3 李賀;LED微陣列器件的熱學性能分析及熱沉結構設計[D];中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所);2015年

4 承磊;液氮/冷氦氣雙冷源高低溫箱試驗和模擬研究[D];上海交通大學;2015年

5 朱丹陽;吸熱型碳氫燃料熱沉的測定及影響因素[D];天津大學;2004年

6 金漫麗;高效微小通道熱沉的設計及實驗研究[D];華中科技大學;2011年

7 馬曉雁;高效微射流陣列熱沉內(nèi)流體壓降和傳熱特性的研究[D];北京工業(yè)大學;2006年

8 李宴君;流體橫掠叉排微針肋熱沉流動和傳熱特性研究[D];北京工業(yè)大學;2008年

9 邊海琴;低溫測量中熱沉的分析[D];西北師范大學;2005年

10 劉剛;雙熱沉微型熱泵系統(tǒng)的實驗研究[D];北京工業(yè)大學;2014年

  本文關鍵詞：大功率激光二極管陣列節(jié)流微蒸發(fā)制冷熱沉的原理與實驗研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

，

本文編號：365179