本文關(guān)鍵詞：高功率光纖激光器熱控技術(shù)研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：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(duì)光纖激光器功率的要求越來(lái)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(huì)對(duì)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(duì)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(duì)象,根據(jù)光纖激光器關(guān)鍵功率器件的散熱機(jī)理,在對(duì)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(chǔ)熱的空間用高功率光纖激光器的無(wú)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(duì)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(duì)不同的關(guān)鍵功率器件的性能影響。針對(duì)地面和空間的不同工況條件,選用水冷和無(wú)水冷卻兩種不同的熱控技術(shù)對(duì)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(duì)流道結(jié)構(gòu)、流體流速等多因素進(jìn)行研究,分析其對(duì)散熱效果的影響。在Pro/E中建立無(wú)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(chǔ)熱冷卻的強(qiáng)化研究,優(yōu)化散熱效果。最后,對(duì)優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,對(duì)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(duì)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(duì)水冷的散熱效果影響程度較大。基于相變儲(chǔ)熱的無(wú)水冷卻,通過(guò)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(zhǎng)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(jí)光纖激光器的整機(jī)水冷和無(wú)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(duì)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)用價(jià)值和理論指導(dǎo)意義。
【關(guān)鍵詞】：光纖激光器 有限元 熱效應(yīng) 水冷 相變冷卻
【學(xué)位授予單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN248
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 緒論11-18
• 1.1 課題來(lái)源、背景和意義11-13
• 1.1.1 課題來(lái)源11
• 1.1.2 課題背景11-12
• 1.1.3 課題目的和意義12-13
• 1.2 熱設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀13-14
• 1.3 高功率光纖激光器熱控技術(shù)的研究現(xiàn)狀14-16
• 1.3.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-16
• 1.4 本文的主要研究?jī)?nèi)容16-17
• 1.5 本章小結(jié)17-18
• 2 熱設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)18-34
• 2.1 熱源和熱阻18-19
• 2.2 熱傳遞方式19-23
• 2.2.1 熱傳導(dǎo)19-20
• 2.2.2 熱對(duì)流20-21
• 2.2.3 熱輻射21-22
• 2.2.4 穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)傳熱22-23
• 2.3 熱控制方法23-24
• 2.4 冷板散熱24-29
• 2.4.1 流態(tài)判斷25-26
• 2.4.2 液冷冷板的換熱計(jì)算26-29
• 2.5 儲(chǔ)熱冷板29-30
• 2.5.1 儲(chǔ)熱冷板的換熱計(jì)算29-30
• 2.6 熱電制冷30-32
• 2.6.1 熱電制冷的基本原理30-32
• 2.7 本章小結(jié)32-34
• 3 高功率光纖激光器熱分析34-46
• 3.1 光纖激光器的組成及原理34-35
• 3.2 泵浦源的熱分析35-38
• 3.2.1 泵浦源產(chǎn)熱機(jī)理35-37
• 3.2.2 熱效應(yīng)對(duì)LD的影響37-38
• 3.3 有源光纖的熱分析38-42
• 3.3.1 有源光纖的產(chǎn)熱機(jī)理38-39
• 3.3.2 有源光纖的熱分布規(guī)律39-42
• 3.3.3 熱效應(yīng)對(duì)有源光纖的影響42
• 3.4 光纖熔接點(diǎn)熱效應(yīng)分析42-44
• 3.4.1 光纖熔接點(diǎn)的熱分布規(guī)律43
• 3.4.2 熱效應(yīng)對(duì)光纖熔接點(diǎn)的影響43-44
• 3.5 熱控制方法的選擇44-45
• 3.6 本章小結(jié)45-46
• 4 高功率光纖激光器的液冷散熱技術(shù)研究46-66
• 4.1 液冷系統(tǒng)介紹46
• 4.2 冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)46-48
• 4.3 冷卻介質(zhì)的選取48-49
• 4.4 冷板散熱數(shù)值仿真研究49-50
• 4.4.1 熱分析軟件介紹49-50
• 4.4.2 邊界條件和求解器設(shè)置50
• 4.5 不同參量對(duì)散熱效果影響程度分析50-61
• 4.5.1 三種光纖槽的散熱效果50-51
• 4.5.2 不同冷板結(jié)構(gòu)的散熱效果研究51-57
• 4.5.3 不同流速對(duì)散熱效果的影響57-58
• 4.5.4 不同流道截面積對(duì)散熱效果的影響58-60
• 4.5.5 熱源與流道間的距離對(duì)散熱效果的影響60
• 4.5.6 不同尺寸繞流柱對(duì)散熱效果的影響60-61
• 4.6 冷板的優(yōu)化設(shè)計(jì)61-64
• 4.6.1 冷板散熱的實(shí)驗(yàn)測(cè)試62-64
• 4.6.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析64
• 4.7 光纖激光器水冷設(shè)計(jì)64-65
• 4.8 本章小結(jié)65-66
• 5 高功率光纖激光器無(wú)水冷卻技術(shù)研究66-82
• 5.1 無(wú)水冷卻系統(tǒng)66-67
• 5.2 相變材料的選取67-68
• 5.3 熱緩沖裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)68-69
• 5.4 相變儲(chǔ)熱散熱數(shù)值仿真研究69-73
• 5.4.1 熱沉結(jié)構(gòu)的散熱效果研究69-70
• 5.4.2 相變儲(chǔ)熱的強(qiáng)化分析70-73
• 5.5 相變儲(chǔ)熱和熱電制冷相結(jié)合的優(yōu)化散熱研究73-75
• 5.6 無(wú)水冷卻的測(cè)試與分析75-80
• 5.6.1 無(wú)水冷卻的實(shí)驗(yàn)測(cè)試75-77
• 5.6.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析77-80
• 5.7 光纖激光器無(wú)水冷卻設(shè)計(jì)80
• 5.8 本章小結(jié)80-82
• 6 總結(jié)與展望82-85
• 6.1 總結(jié)82-83
• 6.2 展望83-85
• 參考文獻(xiàn)85-89
• 攻讀碩士期間發(fā)表的論文及所取得的研究成果89-90
• 致謝90-91

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4 本報(bào)記者 胡Z

本文編號(hào)：266065