基于沸腾空化耦合效应的LD微通道热沉研制研究.pdf

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：093514 基于沸腾空化耦合效应的LD 微通道热沉研制 1 1，3 1 2 2 曹宏章 王爱国 唐大伟 徐洪波 田长青 (1. 中国科学院工程热物理研究所 北京 100190 2.中国科学院理化技术研究所 北京 100190) （3．中国科学院研究生院 北京 100190） （TEL：010 Email:caohongzhang@mail.etp.ac.cn） 摘要：为使大功率 DPL 冷却系统小型化，基于沸腾空化耦合效应，针对二极管激光器（LD ）研制了 一种微通道相变热沉，热沉厚度1.6mm，宽12mm，长20mm ，冷却工质采用R134a ，测试过程中LD 输出功率由0 增至60W，热沉内工质一直保持为两相，没有发生蒸干现象，LD 输入电流—输出功率 关系一直保持线性，测试结果表明热沉性能良好，可应用于大功率LD 的冷却。 关键词：沸腾空化耦合，LD 冷却，微通道热沉 1 前言 二极管激光器（LD ）是DPL 系统中最主要的废热产生元件，正常工作时的热耗占 总功耗的50％以上，其输出特性强烈依赖于结温，目前应用最为广泛的是微通道液冷热 沉[1-3]，由于采用显热换热形式，大功率DPL 系统需要庞大的冷却系统，采用相变换 热可使冷却系统小型化，其中相变热沉是冷却系统中的关键元件。本文基于沸腾空化耦 合效应研制了一种微通道相变热沉，封装腔长 1.5mm 的LD ，在满足输入电流-输出功 率线性条件下，LD 输出达到了60W。 2 沸腾空化耦合效应 微通道内的流动沸腾过程由于具有极高的换热系数已成为近年来国际传热界的研 究热点之一，得到了国内外学者的广泛关注。许多研究者注意到微通道内流动沸腾过程 中会出现振荡现象，表现为通道壁面温度和进出口压力反复振荡，沸腾早期极易发生局 部蒸干[4-8]。抑制振荡现象是将微通道流动沸腾应用于高热流密度冷却领域所需解决的 关键问题，Kandlikar ［9 ］在实验中采用进口节流阀结合在通道壁面人工设置核化点的 方法减少不稳定的产生，在较高流速下气泡不再向上游生长，但通道内仍然有大的气泡； Ali Kosar ［10］的实验研究结果显示在微通道进口布置矩形节流微孔可以抑制不稳定现 象；王国栋和郑平［11］发现高流速、低热流时流动是稳定的；B. Schneider ［12,13］ 在设置进口节流微孔的微通道内实验研究了伴随水力空化效应的流动沸腾过程，实验结 果得到了稳定的充分发展泡状流，并且与未设置进口节流微孔的微通道实验结果相比， 传热能力有了很大程度的强化，他们将触发空化的原因解释为节流微孔喉部主流静压降 低所致；曹宏章等［14］在实验研究中发现微通道内设置突扩截面后，在突扩截面处触 发了水力空化现象，并且进口流动工况对于空化区域有显著影响，由于在通道截面突扩 处主流静压并不降低，反而是增大的，此种情况下绕流涡的影响是触发空化的主要原因， 在沸腾初始后即出现了充分发展的超细泡状流，同时在加热量变化时流形没有出现振荡 并且保持稳定，图1 所示[14]， (a) (b) (c) 图1 沸腾空化耦合流形：(a) 加热功率8W (b) 加热功率15W (c) 加热功率23W 可见微通道内沸腾空化耦合效应可以达到稳定的流动沸腾状态，可应用于高热流密度冷 却领域，由此，本文设计了一种LD 线阵微通道相变热沉，并进行了性能测试。 3 热沉结构 热沉材料采用无氧铜，多层叠焊，封装LD 线阵长度10mm，腔长1.5mm，设计输 出功率60W，电—光转换效率约50%，热沉内冷却通道为矩形，长4.2mm ，宽0.4mm ， 深0.3mm，其中空化结构长0.5mm ，宽0.2mm ，热沉及通道结构如图2 所示，图3 为