3D 打印三層微通道冷板的綜合特性研究*

徐 沖，徐尚龍，李建軍，黃紫淅

（1. 電子科技大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，四川 成都611731；2. 四川航天烽火伺服控制技術(shù)有限公司，四川成都611130）

引 言

隨著微通道散熱器在大功率電子冷卻領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[1]，將3D 打印技術(shù)應(yīng)用于微通道散熱器的制作成了一個(gè)研究熱點(diǎn)[2-4]。選擇性激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）工藝可以在不需要支撐結(jié)構(gòu)的情況下加工出復(fù)雜的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，在加工高密度、高機(jī)械性能、高精度的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)[5]。采用SLM 工藝的零件相對(duì)密度可達(dá)99.5%以上[6]。SLM 工藝還具有定制幾何形狀和降低液體泄漏風(fēng)險(xiǎn)的優(yōu)勢(shì)[7]。文獻(xiàn)[8]利用SLM 工藝制備了3 種帶管腳的開放式微通道散熱器，研究了空氣作為流體介質(zhì)的傳熱性能。文獻(xiàn)[5]驗(yàn)證了SLM 工藝在一次注射過程中制造具有復(fù)雜內(nèi)結(jié)構(gòu)的散熱器的可行性。文獻(xiàn)[9]采用3D 打印制作了單層多通道的微通道冷板，發(fā)現(xiàn)當(dāng)通道寬度為0.3 mm 時(shí)，有局部堵塞現(xiàn)象；同時(shí)驗(yàn)證了采用3D 打印制作鋁合金微通道的最小通道寬度為0.5 mm。

通過改變通道結(jié)構(gòu)或增大雷諾數(shù)來改善傳熱，許多學(xué)者在這方面已經(jīng)做了大量研究，單層結(jié)構(gòu)強(qiáng)化傳熱的能力有限。增加通道層數(shù)是提高微通道散熱器換熱效率的另一種有效途徑。雙層微通道散熱器的概念是由文獻(xiàn)[10]首先提出的。文獻(xiàn)[11]采用數(shù)值方法研究了雙層微通道散熱器的流動(dòng)和傳熱性能，對(duì)上下層流道進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使熱源面溫度比優(yōu)化前降低了11?C。文獻(xiàn)[12]對(duì)雙層微通道散熱器的三維共軛傳熱進(jìn)行了建模，研究了平行流配置的傳熱性能，并與逆流配置進(jìn)行了比較。結(jié)果表明：在低雷諾數(shù)（Re ＜1 800）、低通道長(zhǎng)寬比（＜2.49）的情況下，平行流配置具有較好的傳熱性能；平行流兩層微通道散熱器在中肋厚度較小的情況下，熱阻較低。文獻(xiàn)[13]設(shè)計(jì)了一種上層為矩形微通道、下層為復(fù)雜結(jié)構(gòu)微通道的雙層微通道，這種結(jié)構(gòu)可以在保證良好換熱性能的前提下，降低壓降。為了在兩層微通道散熱器中獲得更均勻的底部溫度，文獻(xiàn)[14]提出了一種新型的交錯(cuò)流布置。與逆流相比，交錯(cuò)流的流動(dòng)布置使得總溫度更低，底部溫度更均勻。

本文評(píng)價(jià)了采用SLM 工藝制造的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多層微通道散熱器的綜合性能，用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法研究了三層微通道散熱器（Three-Layered Microchannel Heat Sink, TLMHS）的流體力學(xué)和傳熱特性，并采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法研究了TLMHS 的連接結(jié)構(gòu)，探討了SLM 工藝TLMHS 的綜合性能。

1 微通道散熱器的制備

采用SLM 工藝和鋁合金6061 材料制作了3 種不同的微通道散熱器。前2 種散熱器用于觀察和驗(yàn)證散熱器的尺寸精度和壁面粗糙度。如圖1 所示，多區(qū)域微通道散熱器（Multi-Area Microchannel Heat Sink,MAMHS）包含4 個(gè)不同的獨(dú)立區(qū)域，梯度型微通道散熱器（Gradient Type Microchannel Heat Sink,GTMHS）包含3 組不同的微肋。TLMHS 如圖2 所示，該散熱器用于開展流動(dòng)和傳熱研究。3 種散熱器的實(shí)測(cè)特性參數(shù)如表1 所示。TLMHS 的尺寸和參數(shù)如表2 所示。為了降低兩面的接觸熱阻，采用表面磨削的方法來提高TLMHS 底面的粗糙度和平整度。

表2 三層微通道設(shè)計(jì)參數(shù) mm

圖1 MAMHS 和GTMHS

圖2 TLMHS

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

通過壓力實(shí)驗(yàn)對(duì)TLMHS 的防滲性、強(qiáng)度和剛度進(jìn)行了測(cè)試。如圖3 所示，微通道散熱器內(nèi)裝滿去離子水，高壓空氣通過單向閥進(jìn)入其中，內(nèi)部壓力增加到0.1 MPa（微通道散熱器的工作壓力小于0.02 MPa）并保持20 h。20 h 后，TLMHS 無滲漏，無變形，壓力無損失，力學(xué)性能符合技術(shù)要求。

圖3 壓力測(cè)試原理圖

2.2 傳熱實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置示意見圖4，主要由進(jìn)口段、試驗(yàn)段、收集段和管道組成。在進(jìn)口部分使用恒溫水浴鍋，以使工作流體的溫度保持在25?C。去離子水通過微流泵進(jìn)入測(cè)試區(qū)，在微通道內(nèi)換熱后進(jìn)入儲(chǔ)液罐。通過可調(diào)節(jié)流閥控制試驗(yàn)段管道的流量來改變支路的流量。流量由測(cè)量范圍為0 ～250 L/h 的轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量。采用40 mm×40 mm×0.5 mm 的陶瓷加熱器作為加熱片。電加熱片固定在散熱器底面，高效導(dǎo)熱脂降低了電加熱片與散熱器之間的界面熱阻。微通道冷板的頂部和底部被2 塊亞克力板覆蓋。亞克力板上部分布有6 個(gè)測(cè)溫孔，利用紅外熱像儀通過測(cè)溫孔監(jiān)測(cè)微通道外部6 個(gè)點(diǎn)的溫度。在出口安裝了1 個(gè)溫度傳感器來測(cè)量出口溫水的溫度。在散熱器和加熱片之間插入另1 個(gè)溫度傳感器來測(cè)量最高溫度。利用差壓變送器測(cè)量了微通道散熱器進(jìn)出口間的壓降。

圖4 傳熱實(shí)驗(yàn)原理圖

3 數(shù)值仿真

數(shù)值模型的尺寸與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗤?，但?shù)值模型的表面是完全光滑的。當(dāng)雷諾數(shù)小于800 時(shí)，微通道內(nèi)的流動(dòng)被認(rèn)為是層流，質(zhì)量和動(dòng)量的變化可以用N-S方程來描述。提出了以下幾個(gè)假設(shè)：1）流體是牛頓的，不可壓縮的；2）忽略輻射效應(yīng)和自然對(duì)流；3）墻體無滑移；4）流體和固體的熱物理性質(zhì)都是常數(shù)。根據(jù)這些假設(shè)，控制方程可以表示為[11]：

1）連續(xù)性方程

2）動(dòng)量方程

3）液體的能量方程

4）固體的能量方程

式中：u,v,w 為流體在x,y,z 三個(gè)坐標(biāo)方向的速度分量；ρ 為流體密度；λ 為流體的熱導(dǎo)率；k 為固體的熱導(dǎo)率；μ為流體動(dòng)力粘度；p 為壓強(qiáng)；c 為比熱容；T 為溫度。

4 結(jié)果分析

微通道內(nèi)雷諾數(shù)為：

式中：uavg為微通道內(nèi)的時(shí)間平均速度；D 為通道的特征長(zhǎng)度；qV為試驗(yàn)段的體積流量；As為微通道的橫截面積；P 為微通道的浸潤(rùn)周長(zhǎng)。

實(shí)驗(yàn)中亞克力板起到保溫作用，可以忽略自然對(duì)流換熱和輻射的熱損失。總換熱量為：

式中，Tin和Tout分別為試驗(yàn)段的進(jìn)、出口水溫。

等效熱阻Req和平均努塞爾數(shù)Nu 為：

式中，havg表示微通道內(nèi)平均對(duì)流換熱系數(shù)，由式(11)計(jì)算得出：

式中：Tmax和Tmin分別表示微通道底部最高溫度和頂部最低溫度；Ai為微通道內(nèi)總換熱面積。

4.1 壓降特性

通過實(shí)驗(yàn)和仿真分析研究了三層微通道的流體力學(xué)和傳熱特性。以20 W/cm2恒定熱流密度和不同質(zhì)量流量為條件，分析比較了粗糙壁面和雷諾數(shù)對(duì)壓降、等效熱阻和平均努塞爾數(shù)的影響。入口溫度設(shè)置為25?C。

壓降與雷諾數(shù)的關(guān)系如圖5 所示。無論是實(shí)驗(yàn)結(jié)果還是仿真結(jié)果，壓降與雷諾數(shù)都是呈近似二次增長(zhǎng)的關(guān)系。而且，隨著雷諾數(shù)的增大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果明顯大于仿真結(jié)果。

圖5 壓降變化

4.2 熱性能

平均努塞爾數(shù)Nu 和等效熱阻Req隨雷諾數(shù)Re變化趨勢(shì)如圖6 和圖7 所示。Nu 可以擬合為關(guān)于Re的近似二次方程，式(12)和式(13)分別為實(shí)驗(yàn)值和仿真值的近似方程：

顯然，傳熱性能隨雷諾數(shù)的增大而提高。當(dāng)雷諾數(shù)在50 ～244 范圍內(nèi)時(shí)，仿真值略好于實(shí)驗(yàn)值。當(dāng)雷諾數(shù)超過244 時(shí)，實(shí)驗(yàn)平均努塞爾數(shù)開始超過仿真值，且實(shí)驗(yàn)值和仿真值的差距隨著雷諾數(shù)的增大而迅速增大。與雷諾數(shù)分別為680，730 和780 的仿真值相比，實(shí)驗(yàn)平均努塞爾數(shù)分別提高了30%，34%和37%。

圖6 平均努塞爾數(shù)的變化

圖7 等效熱阻變化

4.3 效率系數(shù)

為了評(píng)價(jià)SLM 微通道的綜合性能，提出了2 個(gè)綜合指標(biāo)，即能量效率系數(shù)ηE和流量效率系數(shù)ηF。ηE是平均努塞爾數(shù)與泵功率Pb的變化率之比：

式中：F 為通道橫截面的壓力；?pe為通道進(jìn)出口壓降的實(shí)測(cè)值。ηF是平均努塞爾數(shù)與體積流量的變化率之比：

體積流量qV可由式(17)表示：

經(jīng)過整理，ηE和ηF可以表示為：

圖8 為效率因子隨雷諾數(shù)變化趨勢(shì)。由圖8 可以看出，ηE和ηF的值隨雷諾數(shù)的增加而先增大后減小，且始終小于1。在不考慮泵功率影響的情況下，流量對(duì)傳熱的提升效果顯著。結(jié)果表明，在雷諾數(shù)為244 時(shí)，兩個(gè)效率因子達(dá)到最優(yōu)值（ηE= 74%，ηF= 32%）。TLMHS 在雷諾數(shù)為244 時(shí)可以獲得最佳的強(qiáng)化性能?？梢灶A(yù)測(cè)，當(dāng)雷諾數(shù)增加到某個(gè)閾值時(shí)，ηE將接近0%。這意味著，通過不斷增加泵功率來提高傳熱效率是不可持續(xù)的。

圖8 效率因子隨雷諾數(shù)變化趨勢(shì)

5 結(jié)束語

本文采用SLM 技術(shù)制造了MAMHS、GTMHS和TLMHS。前兩款微通道散熱器為開放型，TLMHS為封閉型。測(cè)定了尺寸誤差、形位誤差和重量誤差，驗(yàn)證了SLM 技術(shù)制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的散熱器的可行性。對(duì)TLMHS 進(jìn)行了壓力測(cè)試，以檢驗(yàn)其防滲性、強(qiáng)度和剛度。以去離子水作為冷卻劑，結(jié)合實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法，對(duì)TLMHS 的水動(dòng)力和傳熱特性進(jìn)行了綜合研究。比較實(shí)驗(yàn)和數(shù)值結(jié)果，定義了兩個(gè)效率系數(shù)（能量效率系數(shù)和流量效率系數(shù)）來表征綜合傳熱性能。根據(jù)對(duì)比結(jié)果，得出如下結(jié)論：

1）3D 打印形成的粗糙表面使得微通道內(nèi)的壓降明顯大于仿真值，且隨著雷諾數(shù)的增大，實(shí)驗(yàn)值和仿真值的差距進(jìn)一步擴(kuò)大。

2）對(duì)于本實(shí)驗(yàn)中的三層微通道，當(dāng)雷諾數(shù)小于244 時(shí)，3D 打印形成的粗糙內(nèi)表面對(duì)傳熱有負(fù)面作用；當(dāng)雷諾數(shù)大于244 時(shí)，粗糙內(nèi)表面對(duì)傳熱有增強(qiáng)作用，這種增強(qiáng)效應(yīng)隨著雷諾數(shù)的增大而增大。

3）流量和泵功率對(duì)傳熱的增強(qiáng)作用隨雷諾數(shù)Re的增大呈先增后減的趨勢(shì)。當(dāng)Re = 244 時(shí)，能效因子達(dá)到最大值。隨著Re 進(jìn)一步增大，流量和泵功率對(duì)傳熱的增強(qiáng)效應(yīng)逐漸減弱?？梢灶A(yù)測(cè)，當(dāng)泵功率達(dá)到某一閾值后，泵功率對(duì)傳熱的增強(qiáng)作用幾乎為零。