高功率光纖激光器熱控技術(shù)研究.pdf

1、目前高功率光纖激光器已在科研、民用和軍事方面得到了廣泛的應(yīng)用，隨著對光纖激光器功率的要求越來越高，其較大的表面積和體積比，已經(jīng)不能滿足散熱要求。大量的熱積累會對關(guān)鍵的功率器件造成熱損壞，甚至影響光纖激光器的系統(tǒng)及性能。因此就需要采取有效的熱控技術(shù)對高功率光纖激光器進(jìn)行散熱處理，以滿足安全使用要求。本文以高功率光纖激光器為研究對象，根據(jù)光纖激光器關(guān)鍵功率器件的散熱機(jī)理，在對水冷散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，提出了一種基于相變儲熱的空間用高功率光纖

2、激光器的無水冷卻技術(shù)。主要工作如下：
　　首先，分析了光纖激光器系統(tǒng)的組成和工作原理，對不同的產(chǎn)熱部位進(jìn)行產(chǎn)熱機(jī)理和熱分布規(guī)律研究，搭建相應(yīng)的產(chǎn)熱數(shù)學(xué)模型，分析了熱效應(yīng)對不同的關(guān)鍵功率器件的性能影響。針對地面和空間的不同工況條件，選用水冷和無水冷卻兩種不同的熱控技術(shù)對激光器進(jìn)行散熱。
　　其次，在ICEPAK中建立水冷板結(jié)構(gòu)有限元仿真模型，設(shè)置相應(yīng)的邊界條件，對流道結(jié)構(gòu)、流體流速等多因素進(jìn)行研究，分析其對散熱效果的影響。在

3、Pro/E中建立無水冷卻的熱緩沖裝置模型，在Workbench中進(jìn)行有限元熱分析，增加半導(dǎo)體制冷（TEC），進(jìn)行相變儲熱冷卻的強(qiáng)化研究，優(yōu)化散熱效果。
　　最后，對優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，對比仿真結(jié)果，分析了誤差產(chǎn)生的原因，相互驗(yàn)證了仿真和實(shí)驗(yàn)的可靠性與準(zhǔn)確性，從而真實(shí)地反映了不同的散熱措施，不同的參數(shù)對散熱效果的影響。
　　結(jié)果表明：水冷散熱中水冷板的結(jié)構(gòu)、流體的流速、流道的截面積對水冷的散熱效果影響程度較大。基于相變儲熱

4、的無水冷卻，通過增加金屬導(dǎo)熱和熱電制冷的方式可有效減緩相變材料的潛熱階段，使?jié)摕岬臅r(shí)間延長了15％，降低了光纖激光器的工作占空比，與鋁熱沉相比質(zhì)量減小了60%，滿足空間全固態(tài)、輕量化要求。
　　在此基礎(chǔ)之上，又進(jìn)行了千瓦級光纖激光器的整機(jī)水冷和無水冷卻設(shè)計(jì)。為高功率光纖激光器的散熱提供了理論支持和實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。因此，研究高功率光纖激光器的熱控技術(shù)，尤其是空間用高功率光纖激光器的熱控技術(shù)，對后續(xù)高功率激光器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有工程實(shí)際應(yīng)