3D 打印三层微通道冷板的综合特性研究*

徐 冲，徐尚龙，李建军，黄紫淅

（1. 电子科技大学机械与电气工程学院，四川 成都611731；2. 四川航天烽火伺服控制技术有限公司，四川成都611130）

引 言

随着微通道散热器在大功率电子冷却领域的广泛应用[1]，将3D 打印技术应用于微通道散热器的制作成了一个研究热点[2-4]。选择性激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）工艺可以在不需要支撑结构的情况下加工出复杂的内部微观结构，在加工高密度、高机械性能、高精度的复杂结构件方面具有显著的优势[5]。采用SLM 工艺的零件相对密度可达99.5%以上[6]。SLM 工艺还具有定制几何形状和降低液体泄漏风险的优势[7]。文献[8]利用SLM 工艺制备了3 种带管脚的开放式微通道散热器，研究了空气作为流体介质的传热性能。文献[5]验证了SLM 工艺在一次注射过程中制造具有复杂内结构的散热器的可行性。文献[9]采用3D 打印制作了单层多通道的微通道冷板，发现当通道宽度为0.3 mm 时，有局部堵塞现象；同时验证了采用3D 打印制作铝合金微通道的最小通道宽度为0.5 mm。

通过改变通道结构或增大雷诺数来改善传热，许多学者在这方面已经做了大量研究，单层结构强化传热的能力有限。增加通道层数是提高微通道散热器换热效率的另一种有效途径。双层微通道散热器的概念是由文献[10]首先提出的。文献[11]采用数值方法研究了双层微通道散热器的流动和传热性能，对上下层流道进行了结构优化，使热源面温度比优化前降低了11◦C。文献[12]对双层微通道散热器的三维共轭传热进行了建模，研究了平行流配置的传热性能，并与逆流配置进行了比较。结果表明：在低雷诺数（Re ＜1 800）、低通道长宽比（＜2.49）的情况下，平行流配置具有较好的传热性能；平行流两层微通道散热器在中肋厚度较小的情况下，热阻较低。文献[13]设计了一种上层为矩形微通道、下层为复杂结构微通道的双层微通道，这种结构可以在保证良好换热性能的前提下，降低压降。为了在两层微通道散热器中获得更均匀的底部温度，文献[14]提出了一种新型的交错流布置。与逆流相比，交错流的流动布置使得总温度更低，底部温度更均匀。

本文评价了采用SLM 工艺制造的内部结构复杂的多层微通道散热器的综合性能，用实验和数值方法研究了三层微通道散热器（Three-Layered Microchannel Heat Sink, TLMHS）的流体力学和传热特性，并采用实验和数值方法研究了TLMHS 的连接结构，探讨了SLM 工艺TLMHS 的综合性能。

1 微通道散热器的制备

采用SLM 工艺和铝合金6061 材料制作了3 种不同的微通道散热器。前2 种散热器用于观察和验证散热器的尺寸精度和壁面粗糙度。如图1 所示，多区域微通道散热器（Multi-Area Microchannel Heat Sink,MAMHS）包含4 个不同的独立区域，梯度型微通道散热器（Gradient Type Microchannel Heat Sink,GTMHS）包含3 组不同的微肋。TLMHS 如图2 所示，该散热器用于开展流动和传热研究。3 种散热器的实测特性参数如表1 所示。TLMHS 的尺寸和参数如表2 所示。为了降低两面的接触热阻，采用表面磨削的方法来提高TLMHS 底面的粗糙度和平整度。

表2 三层微通道设计参数 mm

图1 MAMHS 和GTMHS

图2 TLMHS

2 实验

2.1 实验方案

通过压力实验对TLMHS 的防渗性、强度和刚度进行了测试。如图3 所示，微通道散热器内装满去离子水，高压空气通过单向阀进入其中，内部压力增加到0.1 MPa（微通道散热器的工作压力小于0.02 MPa）并保持20 h。20 h 后，TLMHS 无渗漏，无变形，压力无损失，力学性能符合技术要求。

图3 压力测试原理图

2.2 传热实验

实验装置示意见图4，主要由进口段、试验段、收集段和管道组成。在进口部分使用恒温水浴锅，以使工作流体的温度保持在25◦C。去离子水通过微流泵进入测试区，在微通道内换热后进入储液罐。通过可调节流阀控制试验段管道的流量来改变支路的流量。流量由测量范围为0 ～250 L/h 的转子流量计测量。采用40 mm×40 mm×0.5 mm 的陶瓷加热器作为加热片。电加热片固定在散热器底面，高效导热脂降低了电加热片与散热器之间的界面热阻。微通道冷板的顶部和底部被2 块亚克力板覆盖。亚克力板上部分布有6 个测温孔，利用红外热像仪通过测温孔监测微通道外部6 个点的温度。在出口安装了1 个温度传感器来测量出口温水的温度。在散热器和加热片之间插入另1 个温度传感器来测量最高温度。利用差压变送器测量了微通道散热器进出口间的压降。

图4 传热实验原理图

3 数值仿真

数值模型的尺寸与实验模型相同，但数值模型的表面是完全光滑的。当雷诺数小于800 时，微通道内的流动被认为是层流，质量和动量的变化可以用N-S方程来描述。提出了以下几个假设：1）流体是牛顿的，不可压缩的；2）忽略辐射效应和自然对流；3）墙体无滑移；4）流体和固体的热物理性质都是常数。根据这些假设，控制方程可以表示为[11]：

1）连续性方程

2）动量方程

3）液体的能量方程

4）固体的能量方程

式中：u,v,w 为流体在x,y,z 三个坐标方向的速度分量；ρ 为流体密度；λ 为流体的热导率；k 为固体的热导率；µ为流体动力粘度；p 为压强；c 为比热容；T 为温度。

4 结果分析

微通道内雷诺数为：

式中：uavg为微通道内的时间平均速度；D 为通道的特征长度；qV为试验段的体积流量；As为微通道的横截面积；P 为微通道的浸润周长。

实验中亚克力板起到保温作用，可以忽略自然对流换热和辐射的热损失。总换热量为：

式中，Tin和Tout分别为试验段的进、出口水温。

等效热阻Req和平均努塞尔数Nu 为：

式中，havg表示微通道内平均对流换热系数，由式(11)计算得出：

式中：Tmax和Tmin分别表示微通道底部最高温度和顶部最低温度；Ai为微通道内总换热面积。

4.1 压降特性

通过实验和仿真分析研究了三层微通道的流体力学和传热特性。以20 W/cm2恒定热流密度和不同质量流量为条件，分析比较了粗糙壁面和雷诺数对压降、等效热阻和平均努塞尔数的影响。入口温度设置为25◦C。

压降与雷诺数的关系如图5 所示。无论是实验结果还是仿真结果，压降与雷诺数都是呈近似二次增长的关系。而且，随着雷诺数的增大，实验结果明显大于仿真结果。

图5 压降变化

4.2 热性能

平均努塞尔数Nu 和等效热阻Req随雷诺数Re变化趋势如图6 和图7 所示。Nu 可以拟合为关于Re的近似二次方程，式(12)和式(13)分别为实验值和仿真值的近似方程：

显然，传热性能随雷诺数的增大而提高。当雷诺数在50 ～244 范围内时，仿真值略好于实验值。当雷诺数超过244 时，实验平均努塞尔数开始超过仿真值，且实验值和仿真值的差距随着雷诺数的增大而迅速增大。与雷诺数分别为680，730 和780 的仿真值相比，实验平均努塞尔数分别提高了30%，34%和37%。

图6 平均努塞尔数的变化

图7 等效热阻变化

4.3 效率系数

为了评价SLM 微通道的综合性能，提出了2 个综合指标，即能量效率系数ηE和流量效率系数ηF。ηE是平均努塞尔数与泵功率Pb的变化率之比：

式中：F 为通道横截面的压力；∆pe为通道进出口压降的实测值。ηF是平均努塞尔数与体积流量的变化率之比：

体积流量qV可由式(17)表示：

经过整理，ηE和ηF可以表示为：

图8 为效率因子随雷诺数变化趋势。由图8 可以看出，ηE和ηF的值随雷诺数的增加而先增大后减小，且始终小于1。在不考虑泵功率影响的情况下，流量对传热的提升效果显著。结果表明，在雷诺数为244 时，两个效率因子达到最优值（ηE= 74%，ηF= 32%）。TLMHS 在雷诺数为244 时可以获得最佳的强化性能。可以预测，当雷诺数增加到某个阈值时，ηE将接近0%。这意味着，通过不断增加泵功率来提高传热效率是不可持续的。

图8 效率因子随雷诺数变化趋势

5 结束语

本文采用SLM 技术制造了MAMHS、GTMHS和TLMHS。前两款微通道散热器为开放型，TLMHS为封闭型。测定了尺寸误差、形位误差和重量误差，验证了SLM 技术制造结构复杂的散热器的可行性。对TLMHS 进行了压力测试，以检验其防渗性、强度和刚度。以去离子水作为冷却剂，结合实验和数值方法，对TLMHS 的水动力和传热特性进行了综合研究。比较实验和数值结果，定义了两个效率系数（能量效率系数和流量效率系数）来表征综合传热性能。根据对比结果，得出如下结论：

1）3D 打印形成的粗糙表面使得微通道内的压降明显大于仿真值，且随着雷诺数的增大，实验值和仿真值的差距进一步扩大。

2）对于本实验中的三层微通道，当雷诺数小于244 时，3D 打印形成的粗糙内表面对传热有负面作用；当雷诺数大于244 时，粗糙内表面对传热有增强作用，这种增强效应随着雷诺数的增大而增大。

3）流量和泵功率对传热的增强作用随雷诺数Re的增大呈先增后减的趋势。当Re = 244 时，能效因子达到最大值。随着Re 进一步增大，流量和泵功率对传热的增强效应逐渐减弱。可以预测，当泵功率达到某一阈值后，泵功率对传热的增强作用几乎为零。