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Abstract
College of Electrical and Information Engineering, Quzhou University, Quzhou 324000, China
An immersed liquid cooling slab laser is demonstrated with deionized water as the coolant and a Nd:YAG slab as the gain medium. Using waveguides, a highly uniform pump beam distribution is achieved, and the flow velocity distribution is also optimized in the channels of the gain module (GM). At various flow velocities, the convective heat transfer coefficient (CHTC) is obtained. Experimentally, a maximum output power of 434 W is obtained with an optical–optical efficiency of 27.1% and a slope efficiency of 36.6%. To the best of our knowledge, it is the highest output power of an immersed liquid cooling laser oscillator with a single Nd:YAG slab.
liquid cooling slab laser oscillator convective heat transfer coefficient Chinese Optics Letters
2023, 21(8): 081401
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术联合国家重点实验室，上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
3 中国科学院大学，北京 100049
低温应用的大功率器件需要设计高冷却效率的液冷室结构。采用计算流体动力学（CFD）方法模拟了以液氮-氮气两相流为制冷剂的空腔结构、微通道结构和扰流柱结构的流动与传热过程。结果表明，相比于空腔结构和微槽道结构，扰流柱结构具有较好的换热能力。圆形扰流柱易发展45°方向支流，而方形扰流柱结构有利于垂直方向流速均匀化。相较于平行排布，扰流柱交错排列时圆形和方形扰流柱结构中流速分布更为均匀。对比对流换热系数发现，交错排布优于平行排布，方形扰流柱优于圆形扰流柱。换热效果最好的结构为交错排布的2 mm方形扰流柱，对流换热系数为4223 W/(m2·K)，较空腔结构提高125.83%。采用上述结构进行测试验证，在107.6 W加热功率工况下冷头测温点温度与相同功率下仿真结果有较好的对应性。
大功率器件 扰流柱 两相流 对流换热系数 high-power devices pin-fin two-phase flow convective heat transfer coefficient 红外与激光工程
2022, 51(10): 20220085
1 安徽建筑大学环境与能源工程学院, 安徽 合肥 230601
2 合肥工业大学汽车与交通工程学院, 安徽 合肥 230009
在密闭狭小空间,散热问题是制约大功率LED在汽车大灯领域发展的因素之一。提出了一种用于汽车LED大灯的以铜粉为烧结芯的平板微热管组散热装置,针对车灯运行的不同工况,研究了热阻、环境温度及翅片组上的对流换热系数等参数对散热器性能的影响,最后进行了微热管车灯散热实验。结果表明:正常工作环境下,当LED灯的功率为60 W时,LED结点温度为67 ℃,散热器的热阻稳定在0.61 K/W;复杂环境和高功率工况下,LED结点温度都低于120 ℃,在翅片上的对流换热系数大于80 W/(m
2·K)后,LED结点温度趋于平稳。同时,实验验证了散热器的性能,在输出功率为50 W的情况下,热管式散热器LED结点温度为58 ℃,说明该新型热管式散热器能满足汽车LED大灯散热的要求。
光学器件 LED大灯 热管 结点温度 对流换热系数 激光与光电子学进展
2018, 55(11): 112301
四川大学 电子信息学院, 激光微纳工程研究所, 成都 610064
流体直接冷却Nd: YAG片状激光器系统中,流体流经增益介质时存在水力入口段,使用Ansys仿真软件,讨论了不同水力入口段距离对流体热交换系数的影响,并在此基础上,将水力入口段距离进行分类,分析了水力入口段距离对热应力以及光束传输的影响; 模拟了不同冷却液的冷却效果; 研究了流体处于不同流动状态时,水力入口段距离与流体热交换系数的关系,以及水力入口段距离与增益介质温度分布的关系; 得到了这种高功率激光器冷却系统中,最佳水力入口段距离的范围。结果表明：流体流经增益介质时,不同的水力入口段距离只是规律性地移动了流体的热交换系数曲线,因此,避开流体热交换系数曲线中变化较大的区域,即0～2.25 mm范围内的水力入口段距离,可实现介质内更小的温度梯度,同时降低热应力以及波前畸变,从而实现更好的冷却效果。
片状激光器 热交换系数 温度分布 应力分布 波前畸变 流体直接冷却 thin disk laser heat transfer coefficient temperature distribution thermal stress distribution wavefront distortion liquid direct cooling 强激光与粒子束
2017, 29(8): 081002
1 热力过程节能技术北京市重点实验室(中国科学院理化技术研究所), 北京 100190
2 中原工学院 能源与环境学院, 郑州 450007
3 国内贸易设计研究院, 北京 100069
以R600a压力式封闭系统喷雾冷却过程为研究对象,对其换热过程进行分析.对液滴撞击热面后的状态进行建模,分析了其运动状态.通过忽略液膜的对流换热,引入韦伯数来简化并修正雾滴与热源表面的对流换热系数关联式;借鉴二次成核理论,通过单位时间内,单位面积上覆盖的雾滴数量对核态沸腾换热系数关联式修正.通过上述分析,以对流换热和核态沸腾换热两种机理为中心,建立了新的换热系数关联式.通过与其他文献的关联式、实验测量值进行比较、不同工质进行比较、不同实验系统比较,发现该式预测值和实验测量值偏差在±20%以内,能够很好地预测压力式封闭系统喷雾冷却过程的换热系数.
喷雾冷却 对流换热 核态沸腾 换热系数 spray cooling heat convection nucleate boiling heat transfer coefficient 强激光与粒子束
2015, 27(7): 071001
1 华南理工大学高分子光电材料与器件研究所, 广东 广州 510640
2 华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室, 广东 广州 510640
3 佛山科学技术学院光电子与物理学系, 广东 佛山 528000
为了实现大功率多芯片LED的芯片直装散热(COH)封装的高效散热，提出了一种开缝基板的新型散热结构，并运用Icepak仿真软件模拟分析了在自然对流下不同缝间距对结温、热阻、流场分布和换热特性的影响。结果表明，开缝基板能有效改善流场分布，提高表面换热系数，增加散热性能。在传导和对流的双重作用下，存在最佳缝间距使结温和热阻最低，输入功率为1 W时，结温和热阻分别降低3.2 K和1.01 K/W。随芯片输入功率的增加，开缝基板的散热效果愈发明显。同时，开缝基板的提出也节省了器件封装成本。
光学器件 散热性能 结温 热阻 换热系数 基板质量 光学学报
2014, 34(11): 1123002
1 中国科学院理化技术研究所, 北京 100190
2 中原工学院能源与环境学院, 河南 郑州 450007
3 国内贸易设计研究院, 北京 100069
针对高功率固体激光器的散热需求，设计了一种以R600a为制冷工质、基于制冷循环的喷雾冷却系统，并对其换热性能进行研究。研究结果表明，热源表面温度受喷嘴进口压力和喷雾室内蒸发压力等因素的影响，降低喷雾室内蒸发压力更有助于表面温度的明显降低，50 kPa的压力降低，可以使表面温度降低8 ℃；换热系数受喷嘴进口压力、蒸发压力共同影响，实验中获得了高达35000 W/(m2·℃)的换热系数；表面温度标准差主要受喷嘴进口压力影响，而喷雾室内蒸发压力的增加，几乎不会对表面温度分布产生影响。
光学设计 喷雾冷却 表面温度 换热系数 光学学报
2014, 34(s1): s114010
为了分析喷流冷却技术对薄片激光器的冷却效果，从湍流换热理论出发，定义了评定喷流冷却换热能力和冷却均匀性的两个参数: 面均对流换热系数和平均最大温差。利用ANSYS CFX流体力学仿真软件，建立喷流冷却的物理模型，对多种喷板结构进行求解计算。设计加工了整套喷流冷却实验装置，并进行了模拟热源喷流冷却实验。分析结果表明，喷流冷却换热能力和冷却均匀性主要受喷板结构参数的影响，仿真计算结果可以定性地指导喷板结构参数的优化设计。
薄片激光器 喷流冷却 对流换热系数 湍流仿真 disk laser jet cooling heat transfer coefficient turbulence simulation 强激光与粒子束
2014, 26(1): 011003
随着泵浦源功率的提高和双包层抽运技术的发展, 掺Tm3+光纤激光器的输出功率已达到kW量级, 热效应逐渐成为限制掺Tm3+光纤激光器输出功率和光束质量提高的关键因素。主要分析了掺Tm3+光纤激光器的热效应以及一些常用的应对措施。
掺Tm3+光纤激光器 热效应 温度分布 换热系数 Tm3+-doped fiber lasers thermal effect temperature distribution heat transfer coefficient
