發(fā)布時(shí)間：2020-12-11 12:18

　　二極管抽運(yùn)固體激光器(DPSSL)熱管理技術(shù)是決定其小型化、插頭效率和光束質(zhì)量等性能的關(guān)鍵因素之一。研究了基于低熔點(diǎn)液態(tài)金屬鎵合金相變材料的二極管抽運(yùn)激光器(DPL)溫控技術(shù)。對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明,與體積更大的風(fēng)冷肋片散熱器相比,相變材料散熱器能使激光器在高溫55℃環(huán)境中正常工作時(shí)間從1 min延長(zhǎng)到6 min、制冷功耗減小到46%、散熱分系統(tǒng)體積減小到53%,并使激光器系統(tǒng)的插頭效率由3.02%提高到3.77%。理論計(jì)算和有限元仿真模擬再現(xiàn)了液態(tài)金屬相變過(guò)程中溫度變化規(guī)律,再次表明液態(tài)金屬相變材料散熱器具有功耗低和體積小等優(yōu)勢(shì)。為拓展液態(tài)金屬相變材料在激光器熱管理領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ),具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。 

【文章來(lái)源】：中國(guó)激光. 2016年01期 第39-45頁(yè) 北大核心

【文章頁(yè)數(shù)】：7 頁(yè)

【部分圖文】：

圖1兩種散熱器實(shí)物照片

魘奔湟?蟆?圖1兩種散熱器實(shí)物照片。(a)相變散熱器;(b)風(fēng)冷肋片散熱器Fig.1Photosoftwolaserheatradiators.(a)Laserwithphasechangematerialheatradiator;(b)laserwithair-cooledheatradiator相變材料主要采用鎵基合金，其熱導(dǎo)率k=13W/(m·℃)[明顯高于水的熱導(dǎo)率0.68W/(m·℃)，更高于石蠟的熱導(dǎo)率0.3~0.5W/(m·℃)，低于鋁的熱導(dǎo)率203W/(m·℃)，因此如果在相變材料散熱器殼體內(nèi)部加幾片輔助導(dǎo)熱的肋片效果會(huì)更好，本實(shí)驗(yàn)中未加]，密度為7.564g/cm3。合金的等效熱容Cp通過(guò)差示掃描量熱儀測(cè)試獲得，其溫度依賴關(guān)系見圖2。合金的相變過(guò)程融化開始于58℃，終于70℃。根據(jù)此圖，合金相變時(shí)在55~70℃區(qū)間吸收熱量約為304J/cm3。融化開始溫度為58℃，比最高環(huán)境溫度55℃高3℃，可以確保合金不會(huì)提前發(fā)生融化。圖2相變材料等效熱容圖Fig.2EquivalentthermalcapacityofPCM用高低溫箱，在最高環(huán)境溫度為55℃下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。用兩個(gè)熱敏電阻分別監(jiān)控LD和散熱器的溫度，并記錄其溫度變化曲線。通過(guò)不斷調(diào)節(jié)TEC致冷電流電壓，使LD溫度穩(wěn)定在53~62℃(目前實(shí)驗(yàn)采用手動(dòng)調(diào)節(jié)，因此溫度波動(dòng)較大，以后將使用自動(dòng)溫控電源)。規(guī)定LD溫度明顯超出正常工作范圍(大于或者等于62℃)時(shí)，激光器能量將低于指標(biāo)要求，不能正常工作。LD剛好超過(guò)62℃之前的時(shí)間，定義為激光器正常工作時(shí)間。每隔30s記錄一次散熱器和LD的溫度以及TEC電流和電壓。2.2實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)根據(jù)LD工作特性，選擇最佳的散熱器參數(shù)對(duì)于優(yōu)化散熱性能至關(guān)重要。因此，下面將先討論2.1節(jié)中實(shí)驗(yàn)設(shè)置的理論依據(jù)。LD發(fā)熱功率可以由下式估算：QLD=U×I×τ×f×η,(1)式中U、I、τ、f、η分別表示LD的輸入電壓為126V、電流為60A、脈寬為240μs、重復(fù)頻率為50Hz、發(fā)熱效率為55%。計(jì)算得到LD發(fā)熱功率?

中國(guó)激光0102005-2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析為了驗(yàn)證其控溫效果，做了對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究。圖3記錄了分別使用兩種散熱器時(shí)，激光器內(nèi)部LD和散熱器底部各自的溫度變化曲線。從圖3可以看出，相變散熱器，可以正常工作3個(gè)循環(huán)，激光器正常工作時(shí)間大于6min。6min后，相變結(jié)束，相變散熱器溫度不斷升高，不能穩(wěn)定控溫了；而風(fēng)冷肋片散熱器在第1min溫度即超過(guò)了62℃，不能對(duì)LD穩(wěn)定控溫，激光器正常工作時(shí)間小于1min。如果想讓具有風(fēng)冷散熱器的激光器正常工作3個(gè)循環(huán)，必須極大地加大散熱面積。圖355℃時(shí)，兩種激光器的LD及散熱器溫度變化曲線Fig.3TemperaturescurvesoftwoLDsandheatradiatorsat55℃從圖3可以看出，前6min，相變材料散熱器的溫度都明顯低于風(fēng)冷肋片散熱器，對(duì)于溫差越小制冷效率越高的TEC來(lái)說(shuō)，理論上可以節(jié)省很多致冷功率。實(shí)驗(yàn)中TEC輸入電流電壓不斷波動(dòng)，采用相變材料散熱器時(shí)，TEC平均功率約為23.7W；而采用風(fēng)冷肋片散熱器時(shí)，TEC平均功率約為49.2W。LD輸入功率為126V×60A×240μs×50Hz=90.7W，實(shí)測(cè)激光單脈沖能量平均輸出為86.1mJ，風(fēng)扇功耗2.8W。根據(jù)上述參數(shù)，可以計(jì)算出使用液態(tài)金屬相變散熱器時(shí)，激光器插頭效率為3.77%，而使用風(fēng)冷肋片散熱器時(shí)，激光器插頭效率為3.02%。且液態(tài)金屬相變散熱器體積明顯小于肋片風(fēng)扇散熱器(省了風(fēng)扇的體積)。3仿真及分析為更加精確進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)和分析，使用ANSYS進(jìn)行模擬。首先建立模型，使用Solidworks按上述實(shí)驗(yàn)裝置尺寸(62mm×60mm×17mm)分別建立相變材料散熱器的容器、蓋板和內(nèi)部相變材料的模型(液態(tài)金屬?zèng)]有完全裝滿，上面留有0.5mm空隙)。材料參數(shù)如表1所示。表1材料參數(shù)表Table1ParametersofmaterialsAlPCMThermalcapacity/[J/(kg·℃)]900seeFig.1Density/(kg/m3)27007564Ther

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]氣體冷卻激光二極管抽運(yùn)的固體激光放大模塊設(shè)計(jì)及熱管理研究[J]. 徐鵬翔,李學(xué)春,王江峰,黃文發(fā),彭宇杰,張玉奇.  中國(guó)激光. 2014(10)
[2]CCEPS激光器水冷設(shè)計(jì)的流固耦合傳熱數(shù)值研究[J]. 劉剛,唐曉軍,徐鎏婧,王超,劉磊,王文濤,劉洋.  中國(guó)激光. 2014(04)
[3]相變熱控在高空光學(xué)遙感器CCD組件中的應(yīng)用[J]. 李延偉,楊洪波,張洪文,丁亞林,冷雪,張繼超,遠(yuǎn)國(guó)勤.  紅外與激光工程. 2012(11)
[4]熱電制冷在激光器冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 高光波,鄭四木.  航空精密制造技術(shù). 2012(02)
[5]固體激光器中多塊熱沉夾持晶體散熱時(shí)接觸熱導(dǎo)研究[J]. 劉海強(qiáng),過(guò)振,王石語(yǔ),林林,李兵斌,蔡德芳.  中國(guó)激光. 2011(05)
[6]強(qiáng)迫空氣加相變散熱研究[J]. 金華群.  電子機(jī)械工程. 2005(06)
[7]大功率半導(dǎo)體激光器恒溫系統(tǒng)[J]. 張洪武,張亮,李坤,張?jiān)迄i.  吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版). 2005(05)



本文編號(hào)：2910510