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工程设计学报
Chinese Journal of Engineering Design  2025, Vol. 32 Issue (3): 421-426    DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2025.04.185
Basic Parts Design     
Design and performance analysis of phase-change direct cooling plate for 2 kW laser pump source
Yuxiang JIANG1(),Chaochao ZHOU1,Yong CHEN1,Zhongxiang LIN2,Yunfeng DUAN3,Changjun QIU1()
1.Hunan Provincial Key Laboratory of Equipment Safety Service Technology under Abnormal Environment, University of South China, Hengyang 421001, China
2.China Coal Geology Group Co. , Ltd. , Beijing 100040, China
3.BWT Tianjin Ltd. , Tianjin 300201, China
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Abstract  

In order to achieve precise heat dissipation and component lightweighting for a 2 kW fiber laser, and to ensure its stable and reliable operation, effective thermal management for its pump source is necessary. A phase-change direct cooling plate was designed for a 2 kW fiber laser, using a method of compressor-driven and refrigerant phase-change direct cooling. The internal flow channel of the phase-change direct cooling plate was optimized, and the heat dissipation performance of the cooling plate was analyzed through CFD (computational fluid dynamics) numerical simulation and experimental test. it was determined that adopting the phase-change direct cooling plate with a single flow path and variable diameter of flow channel could maintain the working temperature of (26±0.5) ℃ at the pump source simulation heat source under the maximum heating power of 2.8 kW, while meeting the heat transfer condition. The result indicated that the colding plate could meet the heat dissipation requirements for the stable and reliable operation of a 2 kW fiber laser. The research results provide theoretical support for the production of principle prototype of phase-change direct cooling system.

Key words： fiber laser      thermal management      phase-change direct cooling     
Received: 18 December 2024      Published: 02 July 2025
CLC:  TB 663  
Corresponding Authors: Changjun QIU     E-mail: j1922868468@163.com;qcj@usc.edu.cn
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Yuxiang JIANG
Chaochao ZHOU
Yong CHEN
Zhongxiang LIN
Yunfeng DUAN
Changjun QIU
Cite this article:

Yuxiang JIANG,Chaochao ZHOU,Yong CHEN,Zhongxiang LIN,Yunfeng DUAN,Changjun QIU. Design and performance analysis of phase-change direct cooling plate for 2 kW laser pump source. Chinese Journal of Engineering Design, 2025, 32(3): 421-426.

URL:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/10.3785/j.issn.1006-754X.2025.04.185     OR     https://www.zjujournals.com/gcsjxb/Y2025/V32/I3/421


2 kW激光器泵浦源相变直冷板设计与性能分析

为了实现2 kW光纤激光器的精准散热和部件轻量化，保证其稳定可靠工作，需对其泵浦源进行有效的热管理。针对2 kW光纤激光器设计了一种相变直冷板，其采用压缩机驱动、制冷剂相变直冷的方式；优化了相变直冷板的内部流道，并对冷板的散热性能进行CFD（computational fluid dynamics，计算流体动力学）数值模拟分析和实验测试。结果表明，在换热条件下，采用单流程加变径流道的相变直冷板，可以使泵浦源模拟热源在2.8 kW最高发热功率下工作温度保持为(26±0.5) ℃，表明该冷板能够满足2 kW光纤激光器稳定可靠工作的散热需求。研究结果为相变直冷系统原理样机的制作提供了理论支持。


关键词： 光纤激光器,  热管理,  相变直冷 
Fig.1 Schematic diagram of refrigerant flow channel
Fig.2 Physical picture of colding plate
Fig.3 Pressure difference between import and export of flow channel before and after optimization
Fig.4 Simulation model of colding plate
Fig.5 Temperature distribution nephograms of colding plate
Fig.6 Cooling system experimental platform
Fig.7 Setting of temperature measurement points on colding plate
Fig.8 Temperature changes of cooling plate temperature measurement points before and after flow channel optimization
Fig.9 Temperature rise time of colding plate temperature measurement points
Fig.10 Temperature rise curves of colding plate temperature measurement points
Fig.11 Principle prototype of phase-change direct cooling system
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