基于微通道热沉的片状激光放大器散热模拟及优化

为实现片状结构高重复频率大能量激光放大器的高效热管理，采用有限元分析(FEA)方法，充分考虑增益介质内部非均匀热分布、微通道热沉中的流速、对流扩散等影响因素，引入流-热-固多物理场耦合数值分析模型，对激光放大器热沉进行分析优化，并基于优化结果探讨了不同流速下微通道热沉的散热冷却能力。模拟结果表明：当基底厚度H_b=2 mm、单个微通道高度H_c=4 mm和宽度W_c=0.4 mm、两微通道的间距W_w=0.3 mm时，微通道热沉冷却能力最强，热阻最小；微通道内冷却液流速过大会导致较大的流动压力损失；微通道热沉的平均等效换热系数可达50000 W/(m²·K)。     

均匀热源条件下类叶状微通道矩形热沉的构形设计

针对均匀背景热流条件下的散热问题,构建了类叶状微通道矩形热沉模型,基于构形理论,在给定热沉体积与液冷通道总体积的约束条件下,以热沉最高温度和压降最小化为 目标,以微通道单元数、主通道与分支通道的夹角、主通道与分支通道的管径比为设计变量进行了优化设计.结果表明:通过增加微通道单元数、减小主通道与分支通道的夹角、采用较小的主通道与分支通道之管径比,可以降低热沉的最高温度,但是会增大压降损失.     

高光束质量大功率半导体激光阵列的微通道热沉

针对现有高光束质量大功率半导体激光阵列内部发光单元条宽、填充因子不断减小,腔长不断增加的发展趋势所带来的热源分布及长度变化影响器件热阻的问题,利用分离热源边界条件结合商用计算流体力学(CFD)软件FLUENT进行数值计算,获得微通道热沉热阻随阵列器件发光单元条宽、空间位置变化关系以及不同阵列腔长对应的微通道优化长度.根据优化参数制备获得尢氧铜微通道热沉,并对宽1 cm,腔长1 mm,条宽100μm,填充因子为25%的半导体激光阵列进行散热能力测试,冷却器外形尺寸27 mm×11 mm×1.5 mm.微通道热沉热阻0.34 K/W,能够满足半导体激光阵列器件高功率集成输出的散热需求.     

复合型微通道热沉设计与制作技术研究

从大功率半导体激光器可靠性封装和应用考虑,利用商用有限元软件Abaqus与CFdesign对微通道热沉材料、结构进行优化设计,结合相应的制造工艺流程制备实用化复合型微通道热沉。微通道热沉尺寸为27 mm×10.8 mm×1.5 mm,并利用大功率半导体激光阵列器件对所制备热沉进行散热能力、封装产生的"微笑效应"进行了测试,复合微通道热沉热阻约0.3 K/W,"微笑"值远小于无氧铜微通道封装线阵列,可以控制在1μm以下。复合型微通道热沉能满足半导体激光阵列器件高功率集成输出的散热需求与硬焊料封装的可靠性要求。     

高功率轴快流CO2激光器激励源热沉结构优化设计

为了提高激励源的热稳定性,保证4kW轴快流CO₂激光器的光束质量,采用计算流体动力学的方法,理论分析了激光器激励源热沉的散热机理,对热流密度为106W/m2、面积为16cm2的激励源热沉结构进行了优化设计。结果表明,经过优化之后的热沉其表面的最高温度低于340K,完全能够满足激光器正常工作时激励源核心功率MOSFET对散热指标的要求;同时经过数值模拟得到了带凹槽微通道热沉的优化结构尺寸,分别是微通道凹槽间距P=0.6mm,微通道凹槽倾角θ=45°,微通道凹槽交错距离s=0.1mm,同时当雷诺数Re=546.9时,热沉有最优的散热效果,激光输出功率的稳定度可以控制在±2%以内。此研究为设计具有高效散热能力的微通道热沉提供了理论指导。     

高功率微波装置散热热沉传热流动特性

高功率微波装置在运行时面临的高热流密度散热是当前热控必须解决的难题。微小通道热沉散热结构简单,换热能力突出,在一定程度上能够解决高热流密度散热的问题。但使用微小通道热沉散热时,散热面温度在沿工质流动方向不断升高,这对器件稳定运行不利。而射流冲击技术中流体垂直于热源喷射,温度边界层薄,温度梯度大,换热效果强。将射流冲击技术与微通道热沉相结合,不仅能提高换热系数,增大换热量,而且能实现良好的温度均匀性。对高热流密度下射流冲击微小通道热沉进行数值模拟,分析不同射流孔径对其传热和流动特性的影响。结果表明,增大远离出口处的射流孔径,有利于提高传热效率和减小流动阻力。优化后的射流微通道热沉,在质量流量为14 g/s时,换热系数接近39 000 W/(m2·K)。     

大功率三维系统封装散热微通道结构优化

从微通道截面形状参数及微通道数目角度对大功率三维系统封装进行了散热优化分析。基于正交试验的设计方法对影响三维系统封装散热特性的微通道截面参数及微通道数目进行了试验设计,并利用ANSYS的FLOTRAN热流体耦合分析了上下层芯片结温、流体压力差等表征三维系统封装散热特性的因素。最后,综合考虑芯片温度、三维系统封装的可制造性和结构设计合理性,优化了微通道截面形状参数及微通道数目参数,实现了三维系统封装的散热优化。     

基于微通道散热的板条激光放大器热仿真分析

众所周知,热效应是限制大功率高能量激光器发展的一大瓶颈,在高能激光产生的过程中伴随着大量的废热产生,影响高能量激光器的光束质量甚至会影响其正常工作。为了保证高能量激光器的稳定运作并研究其工作物质的散热过程中的热分布状态,本文建立了一种用于高能Zig-Zag板条激光放大器的双端入水微通道散热模型,利用CFD模拟仿真软件在额定工况下对微通道与空腔热沉进行散热对比,还研究了模型的可变参量：通道高度、翅片厚度,以及水流量对于散热性能的影响。模拟研究发现本文提出的微通道热沉冷却效果优于全腔水冷效果,微通道热沉将晶体表面最高温差控制在4℃以内,表面温度也降低了32%;同时在压降允许范围内优化通道参数能再将冷却效果提升10%,实现增益介质分布式高效散热。     

用于激光脱毛的低成本810 nm半导体激光模块

针对国内激光脱毛设备的需求,提出了宏通道加传导散热热沉的散热设计,并采用正交实验方法对影响宏通道散热能力的4个关键参数和3个水平进行了结构优化设计.仿真结果表明,对于该模块,本文设计的宏通道具有和微通道相同的散热能力.使用宏通道加传导散热热沉研制出低成本半导体激光器模块,测试结果表明,与设计值一致,输出峰值功率达到了603 W,波长807.5 nm,整体结构热阻为0.28℃/W,可以满足激光脱毛设备的使用要求.宏通道热沉成功取代了传统的微通道热沉,达到了降低成本的目的.     

基于扰流的蜂窝层叠微通道热沉散热实验研究

针对一种基于扰流作用的多层蜂窝形微通道热沉结构设计,在不同流量、不同加热功率、不同热沉设计尺寸等实验条件下时其进行了散热测试实验,对影响该系统性能的因素进行了分析和讨论.散热实验结果显示在热沉进出口管径采用外径为φ6 mm,内径为φ4 mm不锈钢毛细管时,其有效散热热流密度可达18.2 W/cm2,基板温度为48.3℃,微泵耗功为2.4 W,具有良好的换热效果.     

芯片散热微通道仿生拓扑结构研究

为提升高热流密度芯片的散热能力,借鉴自然界中众多具有优良传质传热特性的网络拓扑,设计了多种仿生微通道拓扑结构.利用数值模拟方法,分析了不同拓扑结构的散热效果及压降特性,结果表明不同拓扑结构的散热能力存在一定差异,且芯片热流密度越高差异越明显.对数值分析中综合性能优秀的蜘蛛网结构的散热特性进行了理论分析,并通过3D打印加工了微通道散热器,测试表明其散热能力和压降相对现有平直微通道均有明显提高.     

单层与双层高效微小通道换热器的数值研究及优化

单层微通道热沉解决了高热流密度器件冷却问题,但被冷却器件表面存在温差大的缺点,双层微通道热沉由于其独特的结构设计,提高了被冷却表面的温度均匀性。建立了双层热沉的三维流固耦合模型,以恒定泵功为约束条件,热阻为热沉性能评价指标,比较了单层、双层逆向与双层同向热沉性能,结果表明,在泵功0.05 W和热流密度100 W/cm~2时,三种不同形式热沉热阻分别为0.1677k/W、0.1535k/W、0.1895k/W,热沉被冷却表面的最大温差分别为9.76 K、6.06 K、12.34 K,通过比较双层逆向热沉显著改善被冷器件温度均匀性,降低热阻。双层热沉上下通道泵功分配对热沉性能有较大影响,通过优化,分别使双层同向热沉、逆向热沉热阻减小15.83%、9.84%。     

连续40 W 808 nm量子阱线阵二极管激光封装技术

研究了高功率二极管激光 (LD)封装中的铟焊料蒸镀工艺和回流焊工艺对芯片焊接状态的影响。在数值模拟和实验研究的基础上 ,优化了冷却器结构设计 ,研制出具有热阻低、压降小的铜微通道液体冷却器 ,可以满足热耗散功率大于 6 0W的二极管激光器散热冷却需要。通过封装实验得到输出功率 40W ,波长 80 8nm ,谱线半高宽<2nm ,电光效率近 40 %的连续线阵二极管激光器。用该激光器进行了抽运Nd∶YAG固体激光实验 ,在抽运功率为 40W时 ,获得 11 8W单横模固体激光输出 ,光 光效率约为 30 %。     

两相冲击强化换热激光二极管用单片热沉

针对大功率激光二极管(LD)的冷却需求,基于沸腾-空化耦合效应,以及场协同理论,研制了一种微通道两相冲击强化相变热沉,封装腔长1.5 mm的LD线阵。实验测试了连续功率LD输出0~100 W时的电-光转换效率以及电流-输出功率等特性,冷却工质采用R134a,磁驱齿轮泵电机转速23 Hz时热沉热阻为0.211℃/W。结果显示微通道相变热沉具有良好的取热能力,能够满足大功率LD的散热要求。与改进前的热沉相比,基于场协同理论优化了的两相冲击热沉,热阻明显下降。     

新型高效冷却热沉设计及其流体热力学模拟

为了满足高功率密度的激光二极管列阵叠层的封装需求,设计了新型小通道高效冷却热沉,并利用Ansys-Fluent软件模拟了它的热特性和冷却水的流动特性。相对于传统的宏通道热沉,小通道热沉的有效散热面积的增加大大提高了其散热效果。同样的散热需求下,小通道热沉所需冷却水水流流速更低,因此也就降低了对水冷机的水压要求。对于不同散热要求的高功率密度激光二极管叠层封装的热沉设计,可根据本文所述的流体热力学模拟方法及其详细的数据分析,对该类小通道热沉进行结构参数优化、热特性仿真及所需冷却水流速的预估。所设计的高效冷却小通道热沉结构具有加工简单,成本低,且方便耐用、寿命长等优点,是高功率密度激光二极管叠层器件封装的有效散热热沉结构。     

凹槽型微通道传热与流动性能的数值分析

针对电子器件的散热问题,提出了四种具有对称和等距凹槽的微通道,并通过三维数值模拟,研究了不同雷诺数下凹槽形状及布局对微通道性能的影响。结果表明:在给定的雷诺数范围内,圆形凹槽的传热性能仅次于三角凹槽,而梯形和矩形凹槽的传热性能较差。三角凹槽压降最大,其次是圆形,而梯形和矩形凹槽压降差异较小;同种形状不同布局的凹槽,压降几乎一致,这表明通过改变凹槽布局来提高性能不会产生额外压降损失。综合换热和压降特性,微通道热性能系数先增后减,故三角凹槽在雷诺数为600时获得最优热性能,而在雷诺数为900时等距圆形凹槽的热性能超过三角凹槽。     

微通道散热大功率半导体激光器研究

基于GaInAs/AlGaAs应变量子阱大光腔结构激光器芯片和无氧铜微通道热沉,采用In焊料烧结工艺,制作了976nm大功率连续激光器单条。在20℃热沉冷却条件下,输入电流110A时,输出功率104.9W,电光转换效率达到最大值64%。输入电流300A时,输出功率276.6W,电光转换效率达到54.2%。对激光器单条的热阻以及特征温度进行了测试分析,根据分析结果模拟了激光器单条在大电流下的输出特性,模拟结果显示热饱和是限制激光器最大输出功率的原因。因此,为了提高大功率激光器的输出功率,需要进一步提高激光器的特征温度,并降低热阻以改善散热情况。     

内凹形微通道热沉换热流动性能的数值分析

针对大功率LED阵列的热控问题,提出了一种内凹形("Ω"形)铜基微通道热沉,并采用数值模拟(CFD)方法分析对比了其与常见矩形微通道热沉的性能。此外,还对其在不同流速、进口水温、热流密度下的单相对流传热、流动性能进行了研究。结果表明,该内凹形微通道较常见的矩形微通道热沉,通过减少泵功损失获得了更高的综合性能;采用较高的流速和较小的进口水温能够提高其换热性能,增大热沉底面温度均匀性,从而提高LED的寿命和稳定性;雷诺数约为300时,层流向湍流转捩。     

高功率固体激光器用一体化制冷喷雾冷却系统实验研究

为改善高功率固体激光器的散热性能,以R600a为冷却工质,将制冷系统和喷雾冷却系统相结合,设计了一体化制冷喷雾冷却系统,并进一步研究了热流密度、蒸发压力、喷嘴进口压力对换热性能的影响。实验中在123 W/cm2的热流密度条件下,可保证热沉表面温度低于60℃;在喷嘴进口压力350 kPa,蒸发压力185 kPa的条件下换热系数可以达到25000 W/(m2.K),在热流密度130 W/cm2时,热沉表面温度标准差为2.5℃。结果表明,该系统能够获得较低的热沉表面温度、温度分布均匀并且具有较高的换热系数,能够满足高功率固体激光器对散热的需求。     

基于微通道致冷的大功率LED阵列封装热分析

采用微通道致冷技术,设计了大功率LED阵列封装的微通道致冷结构,并应用热分析软件模拟了其热性能,探讨不同鳍片结构尺寸、流速、功率等参数对LED多芯片散热效果的影响.文中提出了采用交错通道以提高LED封装的散热能力,模拟结果显示,交错微通道致冷的封装结构能很好地满足大功率LED阵列的散热需要.