2 kW激光器泵浦源相变直冷板设计与性能分析

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2025.04.185

2 kW激光器泵浦源相变直冷板设计与性能分析

蒋宇翔^,^,¹, 周超超¹, 陈勇¹, 林中湘², 段云锋³, 邱长军^,¹

1.南华大学超常环境下机电装备安全服役技术湖南省重点实验室，湖南衡阳 421001

2.中煤地质集团有限公司，北京 100040

3.天津凯普林光电科技有限公司，天津 300201

Design and performance analysis of phase-change direct cooling plate for 2 kW laser pump source

JIANG Yuxiang^,^,¹, ZHOU Chaochao¹, CHEN Yong¹, LIN Zhongxiang², DUAN Yunfeng³, QIU Changjun^,¹

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

通讯作者: 邱长军（1965—），男，教授，博士，从事激光增材制造等研究，E-mail: qcj@usc.edu.cn

收稿日期: 2024-12-18 修回日期: 2025-01-27

基金资助:

国家重点研发计划资助项目. 2023YFC3010901

Received: 2024-12-18 Revised: 2025-01-27

作者简介 About authors

蒋宇翔（1999—），男，硕士生，从事光纤激光器散热系统研究，E-mail:j1922868468@163.com,https://orcid.org/0009-0003-2411-9364 , E-mail：j1922868468@163.com

摘要

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

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.

Keywords： fiber laser ; thermal management ; phase-change direct cooling

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本文引用格式

蒋宇翔, 周超超, 陈勇, 林中湘, 段云锋, 邱长军. 2 kW激光器泵浦源相变直冷板设计与性能分析[J]. 工程设计学报, 2025, 32(3): 421-426 doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2025.04.185

JIANG Yuxiang, ZHOU Chaochao, CHEN Yong, LIN Zhongxiang, DUAN Yunfeng, QIU Changjun. Design and performance analysis of phase-change direct cooling plate for 2 kW laser pump source[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2025, 32(3): 421-426 doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2025.04.185

光纤激光器具有结构紧凑、稳定性好、转换效率高、光束质量好、易于散热等优点，在激光先进制造、激光医疗、国防军事等领域得到了广泛应用^[1-3]。特别是近些年在工业和军事上的应用，促进了其快速发展^[4]。光纤激光器若热积累过大，会导致光功率降低、波长漂移、有源光纤过热损伤、泵浦LD（laser diode，激光二极管）损坏等现象^[5]。因此，有必要利用高效的散热手段对泵浦源等关键功率器件进行热管理，来提高光纤激光器系统的可靠性，延长其工作寿命。同时，在野外清障、破拆中，对光纤激光器的携带便捷性提出了较高的要求^[6]。散热系统作为激光器系统的重要组成部分，其小型化、轻量化对提高激光器的便携性具有重要作用。

通常，激光器散热技术包括风冷、水冷、传导冷却（包括传导到外壳及热管等）等。风冷散热存在效率低、可靠性差等问题，主要应用于低功率激光器^[7]。水冷散热是目前高功率光纤激光器的主要热管理手段，但是水冷散热系统也存在一些缺陷，例如功耗大、体积大及质量大等。有研究表明^[8-10]，1.2 kW激光器与相变直冷温控系统一体化后，其质量仅为50 kg，而同等功率激光器水冷机的质量达90 kg以上。相变直冷技术是一种非常高效的散热技术^[11-12]，其主要利用相变材料，如被广泛使用的中低温环保型制冷剂四氟乙烷（R134a）^[13-17]，材料在相变点吸收/释放巨大热量的同时保持功率器件等温或近似等温，实现对功率器件的热管理。实验结果显示^[18]，与风冷散热方式相比，相变温控系统的功耗减小了54%。目前市面上用于高效率、轻量化激光器的相变直冷散热系统较少，大部分还处在设计和实验阶段，已知产品有深圳市英维克科技股份有限公司生产的一款1.5 kW激光器相变直冷温控系统，其总质量约为50 kg。作者针对2 kW光纤激光器设计了一种泵浦源专用相变直冷板（以下简称冷板），对其制冷能力进行了CFD（computational fluid dynamics，计算流体动力学）数值模拟分析，并搭建了由压缩机驱动的相变直冷实验平台，进行冷板制冷实验，来进一步验证设计方案的可行性与可靠性。

1 冷板设计

1.1　材料选择

R134a是一种在制冷系统中广泛使用的中低温环保型制冷剂，而6061铝合金是一种具有良好机械性能和耐腐蚀性的铝合金材料。制冷剂选用R134a、蒸发器材料选用6061铝合金的优点有：

1）轻量化。6061铝合金的密度为2.7 g/cm³，低于铜的密度（8.96 g/cm³），因此可以减小蒸发器的质量。

2）良好的导热性。6061铝合金的导热系数为155 W/(m·K），虽然小于铜的导热系数（380 W/(m·K）），但通过优化设计，可以提高其换热效率，满足制冷剂的热交换需求。

3）良好的耐腐蚀性。6061铝合金具有良好的耐腐蚀性，适用于多种环境，而R134a不会腐蚀铝合金，也不会引起其他不良反应，可确保系统长期稳定运行。

1.2　流道设计

在确保冷板结构强度和功能的前提下，通过其壁厚优化设计，来减少材料用量、降低制造成本及减小整体质量，实现轻量化设计的目标。冷板的核心作用在于吸收热量而促使冷媒转换相态，而其薄壁设计能有效提升热传导性能，减小热阻。根据Barlow（巴洛）公式，壁厚的经验计算公式为^[19]：

S \geq \frac{p \times (C + D)}{2 \times [σ] \times F}

(1)

式中：S为壁厚，mm；p为工作压力，MPa；C为腐蚀余量，一般取0.5~1 mm；D为管道外径，mm； $[σ]$ 为材料的许用应力，MPa；F为安全系数，一般取1.5~2。

取p=2 MPa，C=0.5 mm，D=6 mm， $[σ]$ =102 MPa，F=2，代入式(1)，可算得S $\geq$ 0.03 mm。结合实际加工条件，最终取冷板最小壁厚为1 mm。

根据空调的技术参数可知，在1匹（735 W）空调中，其蒸发器的管道是外径为6 mm、总长度为15 m的铜管。因此，在冷板制冷剂流道的设计中，采用了内径为6 mm的流道，使其流阻与1匹空调蒸发器的管道流阻相匹配，从而减小流道的总长度。最终设计的制冷剂流道如图1所示。通过机加工得到冷板实物，如图2所示。冷板的尺寸为320 mm×320 mm×20 mm，最小壁厚为1 mm，流道长度为300 mm×12。

图1

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图1 制冷剂流道示意图

Fig.1 Schematic diagram of refrigerant flow channel

图2

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图2 冷板实物

Fig.2 Physical picture of colding plate

如图1所示，优化部分流道的内径由6 mm增大到10 mm。通过通入氮气来测试流道的进出口压差。优化前后流道的进出口压差如图3所示。由图可知，优化后流道的进出口压差约比优化前减小25%。可见，流道内制冷剂的流阻减小了，在相同的压降下流速增大，流道拐角处的湍流流动变强，因此制冷剂与流道壁面的换热面积增大，冷板的整体换热效率得到提升。

图3

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图3 优化前后流道进出口压差

Fig.3 Pressure difference between import and export of flow channel before and after optimization

2 冷板制冷仿真

2 kW激光器泵浦源模拟热源由泵浦LD热源和光纤等其他功率器件热源组成。采用2块内置加热棒的6061铝合金，分别安装在冷板的正面和背面。冷板仿真模型如图4所示。其中：模型正面的红色区域1是热生成率为0.008 39 W/mm³的泵浦源LD热源，其发热功率为2.35 kW；模型背面的红色区域2是热生成率为0.001 28 W/mm³的光纤等其他功率器件热源，发热功率为0.45 kW。泵浦源模拟热源总功率为2.8 kW。

图4

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图4 冷板仿真模型

Fig.4 Simulation model of colding plate

制冷剂R134a在冷板流道中发生相变，从液态吸热蒸发转变为气态，且同时存在液态和气态的混合物。利用ANSYS Fluent软件对冷板的制冷能力进行CFD数值模拟。采用上述冷板仿真模型，设置环境温度为25 ℃，在2 kW光纤激光器全功率运行状态下，得到泵浦LD和光纤等其他功率器件的温度分布，如图5所示。由图可知，整个模型的温度为20.00~28.55 ℃，正面的泵浦LD和背面的光纤等其他功率器件与冷板接触面的温度约分别为25.5 ℃和22.5 ℃，表明该冷板能够满足2 kW光纤激光器连续工作的散热需求。

图5

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图5 冷板温度分布云图

Fig.5 Temperature distribution nephograms of colding plate

3 冷板制冷实验

冷板（泵浦LD及光纤等模拟热源贴合在其正面和背面）加工完成后，选用容积为27 cm³、额定制冷量为3 kW的压缩机，换热量为3 kW的冷凝器，机械膨胀阀和散热风扇等，搭建了冷却系统实验平台，如图6所示。

图6

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图6 冷却系统实验平台

Fig.6 Cooling system experimental platform

将泵浦源模拟热源的功率调至0.6~2.8 kW，采用精度为0.1 ℃的贴片式探头温度计和点温计测量冷板与泵浦源模拟热源上下两接触端的温度。测温点的设置如图7所示。在同一水平线上选取12个测温点，取其温度平均值。

图7

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图7 冷板测温点设置

Fig.7 Setting of temperature measurement points on colding plate

流道优化前后测温点的温度变化如图8所示。由图可知：在不同的泵浦源模拟热源功率下，流道优化前上测温点的温度不超过27 ℃，能够满足泵浦源工作要求，而下测温点的温度均高于27 ℃，最高温度达到37.5 ℃，上、下测温点的温差最高为11 ℃，这显然不符合泵浦源正常工作的要求；流道优化后上、下测温点的温度都不超过27 ℃，在2.8 kW满功率稳态运行下工作温度保持为（26±0.5） ℃，且上、下监测点的温差保持为(2±0.5) ℃，满足了泵浦源正常工作的要求。

图8

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图8 流道优化前后冷板测温点的温度变化

Fig.8 Temperature changes of cooling plate temperature measurement points before and after flow channel optimization

为了提高系统的热惯性及控制系统的可靠性，防止在激光器出光之前冷却系统启动导致泵浦源结露而对线路造成损坏，增加了一套水循环系统并进行测试。水循环系统中有一个水加热器，可以设定20~30 ℃的温度。经过反复测试后发现，当温度设定为24 ℃时泵浦源不会出现结露现象。在25 ℃室温下打开泵浦源模拟热源，在有/无水循环系统下冷板上、下测温点的温度均升至55、60、65 ℃所需的时间如图9所示，在40 s内测温点的温升曲线如图10所示。由图10可知，由于水的比热容较大，开启水循环系统后，测温点的温升曲线比较平缓，系统的热惯性最好。

图9

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图9 冷板测温点温升时间

Fig.9 Temperature rise time of colding plate temperature measurement points

图10

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图10 冷板测温点温升曲线

Fig.10 Temperature rise curves of colding plate temperature measurement points

天津凯普林光电科技有限公司设计了光、电、温控一体化的相变直冷系统原理样机，如图11所示，其质量仅为27.5 kg。

图11

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图11 相变直冷系统原理样机

Fig.11 Principle prototype of phase-change direct cooling system

4 结论

作者设计了一种内径分别为6 mm和10 mm的相变直冷板的变径流道，结合CFD数值模拟分析了冷板热传导后的温度分布情况。搭建了由压缩机驱动、以R134a为制冷剂的冷却系统实验平台，通过实验验证了冷板的制冷性能，为原理样机的设计提供了理论支持。得到如下结论：

1）区别于传统的风冷、水冷等散热方式，采用压缩机驱动的相变直冷方式能更好地实现对激光器泵浦源的精准散热和部件轻量化。所设计的冷板的制冷性能在实验平台上得到了验证。

2）流道优化后，当泵浦源模拟热源功率为0.6~2.8 kW时，冷板上、下测温点的温度均保持在27 ℃以下，在2.8 kW满功率稳态运行下工作温度保持为(26±0.5) ℃，说明冷板能够满足2 kW光纤激光器的散热需求，初步实现了泵浦源稳定工作所要求的(25±2) ℃的温度。

3）水循环系统不仅能均匀化模拟热源的热量，降低局部热密度，提高冷板整体的换热效率，还提升了整个冷却系统的热惯性。当水加热器温度设定为24 ℃时，冷板与热源接触处不会出现结露现象。

参考文献

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文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

胡志涛，何兵，周军，等.

高功率光纤激光器热效应的研究进展

［J］. 激光与光电子学进展， 2016， 53（8）： 14-24. doi：10.3788/lop53.080002