1、微型節(jié)流蒸發(fā)腔制冷（Micro miniature J-T Refrigerator:MMR）熱沉是一種利用蒸汽壓縮、節(jié)流蒸發(fā)、相變吸熱的原理制成的微型化制冷裝置，包含微型壓縮機(jī)、風(fēng)冷冷凝器、節(jié)流元件、微蒸發(fā)腔等部件。專用于發(fā)熱面積小、熱流密度高的電子元器件，特別是大功率激光二極管（Laser Diode：LD）散熱。與傳統(tǒng)的LD微通道液冷熱沉相比較，利用冷卻劑相變潛熱，能夠在冷卻劑很小的質(zhì)量與流量下實(shí)現(xiàn)很大的換熱量、具備很高的散熱密度

2、；冷卻劑在相變吸熱的時(shí)候溫度保持不變，克服了傳統(tǒng)液冷微通道熱沉由于冷卻液在入口、出口溫度不同而引起的LD陣列在不同發(fā)光點(diǎn)制冷效果差異而導(dǎo)致出光功率變化、波長(zhǎng)漂移等不利因素。同時(shí)兼具冷卻溫度更低、冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、冷卻系統(tǒng)體積更小、總耗能更低等優(yōu)點(diǎn)。而隨著大功率激光技術(shù)的發(fā)展，更大功率、熱流密度更高的LD被研制，傳統(tǒng)的液冷微通道單相傳熱冷卻已經(jīng)不能滿足要求。因此，近年來(lái)，利用相變換熱冷卻微型化制冷的研究引起了國(guó)外相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和公司的廣泛

3、關(guān)注并相繼報(bào)道了諸多具有重要意義的研究成果。
　　國(guó)際上對(duì)MMR的研究可分為理論模擬研究、微型節(jié)流元件形式研究、制冷劑工質(zhì)研究、微型制冷蒸發(fā)腔結(jié)構(gòu)研究、包含微型壓縮機(jī)等部件的微型制冷系統(tǒng)研究以及對(duì)包含大功率LD等高熱流的不同熱負(fù)載實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究。國(guó)內(nèi)研究目前處于起步階段，集中在理論模擬、相變冷卻方式、微蒸發(fā)腔結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。理論研究方面主要從蒸汽壓縮制冷的機(jī)理、微通道內(nèi)冷卻劑相變特性、微通道內(nèi)單相流動(dòng)特性、兩相流動(dòng)特性、數(shù)值模擬熱沉溫度

4、分布等；節(jié)流元件形式包括節(jié)流閥、毛細(xì)管節(jié)流、多孔噴射節(jié)流等多種形式；在微蒸發(fā)腔的結(jié)構(gòu)形式集中在對(duì)單一空腔簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)、多微通道蒸發(fā)腔、蒸發(fā)腔的加工制作工藝、微蒸發(fā)腔材料等方面展開(kāi)研究。另有少量對(duì)直流微型壓縮機(jī)、冷凝器等制冷系統(tǒng)的研究。由于微蒸發(fā)腔制冷劑不同于冷卻水一般液冷材料，冷卻劑在微通道內(nèi)的相變過(guò)程較為復(fù)雜，影響其換熱的因素較多，目前的研究還不夠完善，另外其在工作的時(shí)候需要考慮密封、制冷劑初期的加注工藝，因此，不同于大功率激光二極管廣泛

5、使用的微通道液冷熱沉產(chǎn)品，目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有成熟的基于微蒸發(fā)腔制冷的熱沉產(chǎn)品銷售和使用。
　　大功率激光二極管的有效散熱是LD能夠在軍事、工業(yè)、科研、醫(yī)療等廣泛重要領(lǐng)域大規(guī)模推廣應(yīng)用的前提和根本，自是1962年R.N..Hall等人采用擴(kuò)散技術(shù)研制出第一臺(tái)GaAs同質(zhì)結(jié)LD以來(lái)，其散熱研究就一直是學(xué)術(shù)科研領(lǐng)域一個(gè)經(jīng)典的課題，隨著LD制作工藝的成熟、出光功率的提高，其散熱方式經(jīng)歷了常規(guī)傳導(dǎo)冷卻、TEC制冷冷卻、常規(guī)通道水冷、硅微通道和

6、銅微通道水冷等方式，得到了層出不窮的研究成果。在國(guó)內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)中，重慶師范大學(xué)光學(xué)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室戴特力教授于1998年于國(guó)內(nèi)首次研制成功硅微通道水冷熱沉，使我國(guó)成為第5個(gè)國(guó)家掌握該技術(shù)的國(guó)家之一。2010年同一實(shí)驗(yàn)室的作者意識(shí)到微通道液冷的不足之處及其散熱的極限后，根據(jù)當(dāng)時(shí)國(guó)外的少量文獻(xiàn)報(bào)道，創(chuàng)新性提出針對(duì)大功率LD散熱的微蒸發(fā)制冷方法和研究方案，2011年申請(qǐng)國(guó)家自然科技基金項(xiàng)目《大功率半導(dǎo)體激光器陣列的微蒸發(fā)冷卻封裝組件的原理與實(shí)驗(yàn)

7、研究》并獲基金支持（No：61008059），2014年提出該項(xiàng)目的后續(xù)研究申請(qǐng)重慶市科委前沿技術(shù)項(xiàng)目《大功率激光二極管微蒸發(fā)腔制冷組件的設(shè)計(jì)制作及特性參數(shù)研究》并獲資助（ No：cstc2014jcyjA70005）。
　　本文基于上述兩個(gè)項(xiàng)目的基礎(chǔ)，主要采用理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了大功率LD微型蒸發(fā)腔制冷系統(tǒng)的相變制冷原理，對(duì)微蒸發(fā)腔熱沉散熱溫度分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，設(shè)計(jì)了結(jié)合微通道的微蒸發(fā)腔結(jié)構(gòu)尺寸，研究了微

8、蒸發(fā)腔制作加工工藝、封裝工藝、激光二極管條與熱沉的焊接工藝，完成了微蒸發(fā)腔制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)。具體內(nèi)容如下：
　?、俑鶕?jù)熱力學(xué)第二定律，從基本的單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的理論原理入手，分析了單級(jí)循環(huán)制冷的系統(tǒng)組成、系統(tǒng)的壓力-比焓圖、溫度-比熵圖，建立了基于微型化的膨脹閥、壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器各部件的熱力學(xué)及系統(tǒng)性能參數(shù)計(jì)算模型。
　?、诟鶕?jù)大功率LD的發(fā)熱特性、熱流密度，設(shè)計(jì)了含毛細(xì)管節(jié)流元件、微蒸發(fā)腔集成一體的5層結(jié)構(gòu)微蒸

9、發(fā)腔組件，并進(jìn)行了有限元法冷卻散熱的數(shù)值模擬，得到了在LD熱負(fù)載為60瓦時(shí)的溫度分布與熱流密度。模擬結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)60瓦熱負(fù)載的大功率LD進(jìn)行冷卻。
　?、蹖?shí)驗(yàn)研究了微蒸發(fā)腔的制作工藝，采用5層高導(dǎo)熱無(wú)氧銅作為蒸發(fā)腔基本材料，研究了制作微蒸發(fā)腔的線切割工藝、多層無(wú)氧銅焊接工藝、表面光滑腐蝕工藝、LD焊接工藝以及制冷系統(tǒng)各部件的組裝配合工藝。
　　④開(kāi)展了采用蒸鍍金屬電阻的方式充當(dāng)LD熱源的多次實(shí)驗(yàn)研究。分別實(shí)

10、驗(yàn)了單根彎曲毛細(xì)管并采用機(jī)械雕刻機(jī)制作的三層結(jié)構(gòu)的微蒸發(fā)腔、多通道的三層結(jié)構(gòu)微蒸發(fā)腔、多通道的5層結(jié)構(gòu)微蒸發(fā)腔。觀察了微通道中沸騰-蒸發(fā)現(xiàn)象，詳細(xì)記錄了實(shí)驗(yàn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與數(shù)據(jù)，仔細(xì)探討了試驗(yàn)中出現(xiàn)的困難與不足，最后得到較為滿意的滿足LD散熱的微蒸發(fā)腔結(jié)構(gòu)尺寸和樣品。
　?、蓍_(kāi)展了使用R22、R134a、以及混合工質(zhì)等不同制冷劑工質(zhì)的微蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)，得到各自的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，開(kāi)展了在壓縮機(jī)不同轉(zhuǎn)速下LD的出光特性實(shí)驗(yàn)，得到了不同轉(zhuǎn)速與輸出光