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.pdf

1、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量與流量下實現(xiàn)很大的換熱量、具備很高的散熱密度

2、；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

3、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

4、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

5、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GaAs同質結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

6、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

7、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

8、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：
　?、俑鶕?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。
　?、诟鶕?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

9、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，該設計方案能夠實現(xiàn)對60瓦熱負載的大功率LD進行冷卻。
　?、蹖嶒炑芯苛宋⒄舭l(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

10、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、以及混合工質等不同制冷劑工質的微蒸發(fā)實驗，得到各自的實驗數(shù)據(jù)，開展了在壓縮機不同轉速下LD的出光特性實驗，得到了不同轉速與輸出光