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--> --> -->为此, 本文对国内外已有的五种CPS进行热效应仿真研究. 结果表明, 这些CPS对包层功率的剥离各具特色, 但并非是最优的; 通过改进剥离方法并改变填胶孔的形状, 本文提出了一种低温度峰谷值且热分布均匀的包层功率剥离器结构.
2.1.五种CPS结构
龚凯等[15]于2017年采用高折胶法制作了一种CPS, 结构如图1(a)所示, 称其为剥离器1; 其热沉材料为铝, 长120 mm, 宽20 mm, 高20 mm; 填胶孔呈圆柱形, 长120 mm, 半径为5 mm; 填胶孔内的光纤用折射率为1.68的高折胶涂覆.
图 1 五种CPS的结构图 (a)剥离器1; (b)剥离器2; (c)剥离器3; (d)剥离器4; (e)剥离器5Figure1. Structural diagrams of five CPS: (a) CPS1; (b) CPS2; (c) CPS3; (d)CPS4; (e) CPS5.
Wang等[16]于2013年采用高折胶法制作了一种CPS, 结构如图1(b)所示, 称其为剥离器2; 其热沉材料为铝, 长100 mm, 宽20 mm, 高20 mm; 填胶孔呈半椭球形, 长100 mm; 将其光纤除去涂覆层后分为三段, 用折射率为1.44, 1.46和1.56的高折胶进行间隔涂覆.
Zhang等[17]于2015年采用高折胶法制作了一种CPS, 结构如图1(c)所示, 称其为剥离器3; 其热沉材料为铝, 长100 mm, 宽20 mm, 高20 mm; 填胶孔是一个V型槽, 长100 mm; V型槽内的光纤用折射率为1.68的高折胶涂覆. 该CPS将光纤以圆环形式绕在圆盘上, 本文截取一段作为研究对象.
Reza Poozesh等[18]于2012年采用高折胶法和酸腐蚀法结合, 制作了一种CPS, 结构如图1(d)所示, 称其为剥离器4; 其热沉材料为铜, 长70 mm, 宽4 mm, 高5 mm; 填胶孔是一个方形槽, 长70 mm, 宽0.6 mm, 高2 mm; 方形槽中放置用HF酸腐蚀过的光纤, 用折射率为1.56的高折胶涂覆.
Yin等[19]于2017年采用酸腐蚀法制作了一种CPS, 结构如图1(e)所示, 称其为剥离器5; 其热沉材料为铝, 长100 mm, 宽10 mm, 高10 mm; 用HF酸将其光纤包层腐蚀成粗细不均匀的两段, 第一段长50 mm, 其包层半径为0.156 mm, 第二段长45 mm, 其包层半径为0.1 mm; 两段光纤中间由一段长5 mm的圆锥台形光纤衔接.
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2.2.仿真边界条件
使用Comsol软件的固体传热模块对五种CPS进行热效应仿真, 将外部环境温度设为293.15 K. 剥离器1—4是基于高折胶法制作的, 包层功率主要在高折胶与热沉金属界面转化为热; 由于高折胶固化后的光透过率很高, 界面光热转化功率近似为包层功率, 所以将边界热源设在胶-热沉界面. 剥离器5采用酸腐蚀法, 包层功率在被腐蚀的光纤表面剥离并转化为热, 所以将边界热源设在光纤表面. 热通量边界设为热沉的外表面, 包层功率剥离器封装在光纤激光器中, 故不考虑其热沉表面对流散热[20].2
2.3.结果分析
将包层功率设置为150 W, 对五种CPS进行热效应仿真, 其切片热分布如图2所示, 其中剥离器1—5分别对应图中的(a)—(e). 切片热分布图中每种CPS都有三列温度标示图, 从左至右分别给出了CPS xy平面、yz平面和zx平面的切片温度.
图 2 Pb = 150 W时五种CPS的切片热分布图 (a)剥离器1; (b)剥离器2; (c)剥离器3; (d)剥离器4; (e)剥离器5Figure2. The slice thermal profile of five CPS when Pb = 150 W: (a) CPS1; (b) CPS2; (c) CPS3; (d) CPS4; (e) CPS5.
首先, 从图2中可以发现, 剥离器1三个切片的温度峰值相同, 都是321 K; 温度谷值相差1 K, xy平面和zx平面的相同为314 K, yz平面的为315 K; 温度峰值和温度谷值差, xy平面和zx平面的相同为7 K, yz平面的为6 K. 剥离器2三个切片的温度峰值相差1 K, xy平面和zx平面的相同为312 K, yz平面的为313 K; 温度谷值相差1 K, yz平面和zx平面的相同为299 K, xy平面的为300 K; 温度峰值和温度谷值差, xy平面的为12 K, yz平面的为14 K, zx平面的为13 K. 剥离器3三个切片的温度峰值相同, 都是316 K; 温度谷值相差13 K, xy平面和yz平面的相同为295 K, zx平面的为308 K; 温度峰值和温度谷值差, xy平面和yz平面的相同为21 K, zx平面的为8 K. 剥离器4三个切片的温度峰值相同, 都是336 K; 温度谷值相同, 都是296 K; 温度峰值和温度谷值差, xy平面、yz平面和zx平面的相同, 都是40 K. 剥离器5三个切片的温度峰值相差1 K, yz平面和zx平面的相同为325 K, xy平面的为324 K; 温度谷值相同, 都是320 K; 温度峰值和温度谷值差, xy平面的为4 K, yz平面和zx平面的相同为5 K.
其次, 对比剥离器1—5的温度峰值及谷值, 发现剥离器2的温度峰值在五种剥离器中最低, 剥离器3的温度谷值最低, 所以剥离器2和3的散热性能更好. 原因可能是剥离器2的填胶孔呈半椭球形, 剥离器3的填胶孔呈三棱柱凹槽形; 相比于其他三种剥离器, 剥离器2和剥离器3填胶孔的表面积-体积比更大, 即其热源与传热介质间的表面积-体积比更大, 散热性能更好[21].
对比剥离器1—5的温度峰值及谷值变化, 再次发现剥离器4的切片热分布均匀性最好, 剥离器4三个切片的温度峰谷值相同. 其原因可能是剥离器4将高折胶法和酸腐蚀法结合, 使用HF酸将光纤的包层腐蚀, 可以使得光纤中的包层功率散射到高折胶中[9], 高折胶吸收来自不同方向的散射光, 所以剥离器内部由光转化的热也更加的均匀, 其切片热分布均匀性也更好.
对比温度峰值和谷值差, 最后发现剥离器5的温差最小, 仅5 K, 说明其整体热分布均匀性更好; 其原因可能是剥离器5采用了分段酸腐蚀法, 相比于传统的酸腐蚀法, 将光纤包层腐蚀成粗细不均匀的几段, 可以使包层功率在光纤轴向均匀的剥离, 从而使得剥离器内部的热分布更加均匀.
为此研究CPS的整体热分布性能. 包层功率为150 W时, 五种CPS的整体热性能数据记录在表1.
| 序号 | 温度峰值 | 温度谷值 | 温差 |
| 剥离器1 | 321 K | 314 K | 7 K |
| 剥离器2 | 313 K | 299 K | 14 K |
| 剥离器3 | 316 K | 295 K | 21 K |
| 剥离器4 | 336 K | 296 K | 40 K |
| 剥离器5 | 325 K | 320 K | 5 K |
表1Pb = 150 W时五种CPS的整体热性能数据
Table1.Overall thermal performance data of five CPS when Pb = 150 W.
由表1可以看出, 剥离器1温度峰值为321 K, 温度谷值为314 K, 温差为7 K; 剥离器2温度峰值为313 K, 温度谷值为299 K, 温差为14 K; 剥离器3温度峰值为316 K, 温度谷值为295 K, 温差为21 K; 剥离器4温度峰值为336 K, 温度谷值为296 K, 温差为40 K; 剥离器5温度峰值为325 K, 温度谷值为320 K, 温差为5 K. 剥离器2的温度峰值在五种剥离器中最低, 剥离器3的温度谷值最低, 剥离器5的温差最小. 该结果与切片热分布图得出的结果一致, 进一步证明了上述结论.
为了更进一步验证以上结论, 将包层功率设为200 W, 五种CPS的整体热性能数据见表2.
| 序号 | 温度峰值 | 温度谷值 | 温差 |
| 剥离器1 | 326 K | 318 K | 8 K |
| 剥离器2 | 319 K | 301 K | 18 K |
| 剥离器3 | 324 K | 295 K | 29 K |
| 剥离器4 | 350 K | 296 K | 54 K |
| 剥离器5 | 335 K | 328 K | 7 K |
表2Pb = 200 W时五种CPS的整体热性能数据
Table2.Overall thermal performance data of five CPS when Pb = 200 W.
由表2可以看出, 包层功率为200 W时, 剥离器1温度峰值为326 K, 温度谷值为318 K, 温差为8 K; 剥离器2温度峰值为319 K, 温度谷值为301 K, 温差为18 K; 剥离器3温度峰值为324 K, 温度谷值为295 K, 温差为29 K; 剥离器4温度峰值为350 K, 温度谷值为296 K, 温差为54 K; 剥离器5温度峰值为335 K, 温度谷值为328 K, 温差为7 K. 由此可知, 剥离器2的温度峰值在五种剥离器中最低, 剥离器3的温度谷值最低, 剥离器5的温差最小. 上述结论与包层功率为150 W时得出的结论一致, 进一步证明了本文结论.
图 3 剥离器6, 7, 8的结构图及两段式光纤细节图 (a)剥离器6; (b)剥离器7; (c)剥离器8; (d)两段式光纤细节图Figure3. Structural diagrams of CPS 6, 7, 8 and Two-section optical fiber detail diagram: (a) CPS6; (b) CPS7; (c) CPS8; (d)Two-section optical fiber detail diagram.
根据上述结论, 为了进一步提升CPS的热分布均匀性, 结合剥离器4和5的优点制作了剥离器7, 如图3(b)所示; 该剥离器热沉材料为铝, 长100 mm, 宽10 mm, 高10 mm; 填胶孔呈方形, 长100 mm, 宽4 mm, 高5 mm. 剥离器7将高折胶法和酸腐蚀法结合, 其内部光纤用HF酸腐蚀成粗细不均匀的两段, 粗端光纤呈圆柱形, 长50 mm, 半径为0.156 mm; 细端光纤也呈圆柱形, 长45 mm, 半径为0.1 mm; 两段光纤由一段呈圆锥台形的光纤衔接, 长5 mm, 顶面半径0.156 mm, 底面半径0.1 mm.
根据上述结论, 为了进一步降低CPS的温度峰谷值并提升其热分布均匀性, 结合剥离器2, 3, 4, 5的优点制作了剥离器8, 如图3(c)所示; 该剥离器热沉材料为铝, 长100 mm, 宽20 mm, 高20 mm; 其填胶孔形状与剥离器6相同, 呈圆锥台形, 长100 mm, 顶面半径为6 mm, 底面半径为4 mm; 剥离方法与剥离器7相同, 将高折胶法和酸腐蚀法结合, 其内部光纤用HF酸腐蚀成粗细不均匀的两段, 粗端光纤呈圆柱形, 长50 mm, 半径为0.156 mm; 细端光纤也呈圆柱形, 长45 mm, 半径为0.1 mm; 两段光纤由一段呈圆锥台形的光纤衔接, 长5 mm, 顶面半径为0.156 mm, 底面半径为0.1 mm. 图3(d)是两段式光纤细节展示图.
表3中分别记录了剥离器6, 7和8剥离150 W包层功率时的整体热性能数据. 由表3可以看出, 剥离器6温度峰值为309 K, 温度谷值为293 K, 温差为16 K; 剥离器7温度峰值为320 K, 温度谷值为315 K, 温差为5 K; 剥离器8温度峰值为298 K, 温度谷值为293 K, 温差为5 K.
| 序号 | 温度峰值 | 温度谷值 | 温差 |
| 剥离器6 | 309 K | 293 K | 16 K |
| 剥离器7 | 320 K | 315 K | 5 K |
| 剥离器8 | 298 K | 293 K | 5 K |
表3Pb = 150 W时剥离器6, 7, 8的整体整体热性能数据
Table3.Overall thermal performance data of CPS 6, 7 and 8 when Pb = 150 W.
首先对比表3中剥离器6与表1中剥离器2和3, 可以看出剥离器6的温度峰值相比于剥离器2下降了4 K, 比剥离器3下降了7 K; 剥离器6的温度谷值相比于剥离器2下降了6 K, 比剥离器3下降了2 K. 这证明了改变填胶孔的形状可以降低剥离器的温度峰谷值. 其次, 对比表3中剥离器7与表1中剥离器4和5, 可以看出剥离器7的温差为5 K, 相比于剥离器4下降了35 K, 与剥离器5相同. 这证明了将高折胶法和酸腐蚀法结合, 把光纤分段腐蚀成不均匀的两段可以提升剥离器的热分布均匀性. 最后, 对比表3中的剥离器6, 7和8, 发现剥离器8的温度峰值相比于剥离器6和7分别下降了11 K和22 K, 其温度谷值与剥离器6相同, 相比于剥离器7下降了22 K; 其温差与剥离器7相同都是5 K, 相比于剥离器6下降了11 K, 性能最优. 从而间接证明了上述分析的正确性.
