微槽群相变冷却激光器热管理系统取热单元相关基础及关键技术研究

激光器输出功率的提高受到激光器散热性能和热控制性能,即热管理技术水平的严重制约,热量的积累使激光器阈值升高,光束质量和效率降低,因此激光器的热管理问题已成为激光器向高功率发展的瓶颈。本文以基于矩形毛细微槽群相变方法的激光器先进热管理技术为目标,具体研究矩形毛细微槽群热沉内固液汽三相接触线沿微槽轴向的变化特性,进而得到液体工质在微槽内的润湿状况,结合微槽群热沉表面包括汽液界面在内的温度场分布的测量及分析,掌握矩形毛细微槽内工质的润湿对换热特性的影响规律,在此基础上设计高性能微槽群中间换热器及蒸发器,为激光器的热管理提供高效可靠的冷却方法。 本文采用宽视场体视显微成像的可视化技术结合光学微调节方法,以在透明硼硅玻璃上加工的矩形毛细微槽群为测试对象,首次直接观测了矩形毛细微槽内三角形区域三相接触线沿微槽轴向的变化情况,从而确定了三角形区域液膜厚度和润湿长度沿微槽轴向的变化规律,获得了微槽内液体工质的总润湿长度。研究发现:液体工质的种类、微槽的几何尺寸、倾斜角度、热流密度等因素对微槽内液体工质的总润湿长度及在三角形区域内的润湿特性有重要的影响。在实验研究的基础上,对矩形毛细微槽中三角形区域的润湿长度进行了理论研究,提出了理论计算模型,计算结果与实验结果的比较表明:所提出的理论模型能够较好的反映三角形区域的润湿长度与各种影响因素之间的关系。 采用红外热成像方法对矩形毛细微槽群热沉表面进行观测,获得了受热微槽群热沉表面包括汽液界面在内的不同工况下的温度场。研究发现:除了液体工质的种类、微槽的几何尺寸、倾斜角度、热流密度等因素的影响外,热源位置对微槽群热沉表面的温度场分布有很大的影响。 在实验研究和理论分析的基础上,结合本课题组已有的研究工作,研发了两种换热单元,一种是用于微通道单相对流与毛细微槽群相变换热联合冷却系统中的MC-MG中间换热器,另一种是用于毛细微槽群与热电制冷组合热控制系统(MG-TEC)中的微槽群蒸发器。在本文的实验范围内,MC-MG中间换热器的换热系数可达1.6×10~4W/(m~2·K),总热阻小于0.21K/W,说明MC-MG中间换热器能够满足目前灯泵浦固体激光器工作物质冷却系统的要求。在一定的真空度条件下,通过改变工质的种类和充液率,MG-TEC系统中蒸发器的表面温度可以降低到25℃,温度波动控制在±1℃以内,能够满足激光器要求的工作条件,并实现了小体积、高热流密度的取热。