兩種工藝下某天線微通道冷板特性的實(shí)驗(yàn)研究

翁夏（西南電子技術(shù)研究所，成都 610036）

環(huán)境試驗(yàn)與評(píng)價(jià)

兩種工藝下某天線微通道冷板特性的實(shí)驗(yàn)研究

翁夏
（西南電子技術(shù)研究所，成都 610036）

目的 研究不同工藝下微通道冷板的特性及成因。方法 以實(shí)驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，對(duì)兩種工藝方式（增材制造和真空釬焊）下的某天線微通道冷板進(jìn)行流動(dòng)和傳熱分析。另外，還使用CT技術(shù)對(duì)兩種冷板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像。結(jié)果 獲得了冷板特性數(shù)據(jù)和內(nèi)部成像圖片。結(jié)論 分析表明，增材制造的微通道冷板具有良好的性能，具備工程應(yīng)用的潛力。

微通道；增材制造；真空釬焊；CT成像；冷板特性

微通道冷板內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和細(xì)微性導(dǎo)致其加工工藝一直是一道難題。近年來(lái)，由于工程上對(duì)高熱流密度冷板與天線結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)需要和工藝技術(shù)本身日新月異的發(fā)展，產(chǎn)生了一些微通道冷板設(shè)計(jì)的新工藝方法。特別是在“工業(yè)4.0”被提出之后，這些新方法產(chǎn)生了加速發(fā)展的趨勢(shì)。從已有的文獻(xiàn)研究來(lái)看，這些創(chuàng)新的工藝方法在很大程度上節(jié)約了生產(chǎn)制造周期、提高了加工精度、降低了加工難度以及保證了微通道冷板的部分性質(zhì)。

國(guó)內(nèi)外已有很多文獻(xiàn)研究過(guò)單相流的工況下微通道內(nèi)的流阻情況，并提出了各關(guān)聯(lián)式以研究宏觀的換熱情況[1—5]和使用新型工質(zhì)時(shí)的流動(dòng)情況[6]。同時(shí)，還有不少學(xué)者研究了通道材料表面粗糙度對(duì)其流阻的影響[7]。

羅茲工業(yè)大學(xué)的 Ewa Raj，Zibigniewlisik和WlodzimierzFiks[8]使用增材制造的方式實(shí)現(xiàn)了銅質(zhì)微通道，且其特征尺寸小于1 mm。中科院理化技術(shù)研究所的王昂[9]等在制作微微型混合工質(zhì)J-T制冷器的過(guò)程中，使用3D打印的方法實(shí)現(xiàn)了0.1 mm的微通道深槽加工，并發(fā)現(xiàn)此方法可保證材料強(qiáng)度。俄勒岡州立大學(xué)的Ravi Eluri和Brian K.Paul[10]使用3003鋁合金，采用真空擴(kuò)散焊的工藝方法，在不使用助焊劑的情況下，成功地實(shí)現(xiàn)了微結(jié)構(gòu)的制造。另外，有研究人員對(duì)這些新工藝下的表面粗糙度進(jìn)行了詳細(xì)的研究[11—12]。

使用新型工藝加工制造微通道冷板是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，文中將通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式，研究增材制造和傳統(tǒng)真空釬焊制成的微通道冷板的流動(dòng)和傳熱特性，并分析產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因，以為后續(xù)進(jìn)一步的研究作好定量的準(zhǔn)備。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1微通道冷板結(jié)構(gòu)

某天線的微通道冷板結(jié)構(gòu)如圖1所示。右下和右上為接口法蘭，將快插接頭螺裝于其上，以便于供液。

該冷板的主要技術(shù)參數(shù)如下：流道寬度為0.4 mm，流道深度為1.5 mm，流道水力直徑為0.63 mm，冷板厚度為4.5 mm，通道數(shù)量為67。其中，流道水力直徑采用4×面積/周長(zhǎng)計(jì)算得出。在工程上，可認(rèn)為水力直徑小于1 mm的通道為微通道。該微通道冷板通過(guò)設(shè)計(jì)，保證了其截面長(zhǎng)寬比處于合理的范圍之內(nèi)。

圖1　微通道冷板結(jié)構(gòu)透視Fig.1 Scenograph of the microchannel cold-plate

1.2冷板加工制造

文中將通過(guò)增材制造和真空釬焊的工藝方式分別制作出尺寸結(jié)構(gòu)完全相同的微通道冷板。

1.2.1增材制造

增材制造（additive manufacturing，AM）技術(shù)是通過(guò)CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的材料去除（切削加工）技術(shù)，是一種“自下而上”材料累加的制造方法[13]。3D打印實(shí)質(zhì)上就是快速成形技術(shù)（Rapid Prototyping，RP）之一，通常，快速成形技術(shù)分為以下幾種類型：光敏固化成形（StereoLithography Appearance，SLA）、熔融沉積成形（FusedDeposition Modeling，F(xiàn)DM）、選擇性激光燒結(jié)（SelectiveLaser Sintering，SLS）、分 層 實(shí) 體 制 造（LaminatedObject Manufacturing，LOM）和三維打印（3 Dimensional Printing，3D打印）等[14]。

該次微通道冷板使用選擇性激光燒結(jié)（SLS）的方式進(jìn)行增材制造。該工藝的特點(diǎn)是材料適應(yīng)面廣，不僅能制造塑料零件，還能制造陶瓷、金屬、蠟等材料的零件[15]。當(dāng)前，由于選擇性激光燒結(jié)技術(shù)可以使用較多類型金屬粉末進(jìn)行加工，針對(duì)的應(yīng)用面也較廣，且成形的產(chǎn)品具備良好的力學(xué)特性，因此，該方法的普及速度很快，具備良好的前景。

該次加工使用了該公司較為成熟的不銹鋼粉末材料進(jìn)行激光燒結(jié)，直接成形成設(shè)計(jì)所需的微通道冷板。在此方法下，通道間距的推薦值不能小于300 μ m，否則可能形成堵塞的通道。由于目前不銹鋼粉末的燒結(jié)技術(shù)較為成熟，因此選擇304不銹鋼粉末作為材料。在該工藝下，使用SLS方法直接成形后的冷板如圖2所示。

1.2.2真空鋁釬焊

對(duì)于機(jī)加、焊接的冷板，其工藝流程是：采用鋁合金3A21，首先機(jī)加出微通道冷板毛坯，此毛坯包含了全部的內(nèi)部微結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)單的外形結(jié)構(gòu)；然后，將上、下冷板毛坯進(jìn)行焊接（采用真空鋁釬焊）；最后，對(duì)該毛坯進(jìn)行外形尺寸的機(jī)加，形成最后的微通道冷板。加工好的微通道冷板如圖3所示，其焊接面如圖4所示。

圖4　冷板焊接面Fig.4 Welding face of the cold-plate

圖2　不銹鋼增材制造的微通道冷板（含快插接頭）Fig.2　Microchannel cold-plate additively manufactured using stainless steel(including quick connector)

圖3　真空鋁釬焊制造的微通道冷板Fig.3　Microchannel cold-plate manufactured by vacuum aluminum brazing

1.3流動(dòng)實(shí)驗(yàn)

流動(dòng)實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)如圖5所示。泵將儲(chǔ)液槽中的65#防凍液抽出，通過(guò)微通道冷板，再回到儲(chǔ)液槽中，差壓壓力計(jì)連接在微通道冷板的兩端測(cè)量冷板的進(jìn)出口壓力差。由于該系統(tǒng)中采用了齒輪泵作為工質(zhì)的驅(qū)動(dòng)力，因此可通過(guò)控制泵的調(diào)速電壓來(lái)達(dá)到控制流量的目的。之后通過(guò)測(cè)量多個(gè)流量點(diǎn)的壓力差，可達(dá)到測(cè)量微通道冷板流阻的目的。

圖5　流動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.5 System of flow experiment

由于試驗(yàn)系統(tǒng)（包括管路和接頭等）本身具有不小的流阻，因此需要測(cè)試系統(tǒng)流阻。測(cè)試方法為：去掉中間的微通道冷板，直接將兩個(gè)快插接頭進(jìn)行短接，之后測(cè)試系統(tǒng)流阻。短接方式如圖6所示。

圖6　系統(tǒng)流阻短接測(cè)試方式Fig.6 Short circuit test method of system flow resistance

2.4傳熱實(shí)驗(yàn)

傳熱實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)如圖7所示。在流動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在微通道冷板上裝夾發(fā)熱電阻夾具，用熱電偶進(jìn)行溫度測(cè)量，并使用計(jì)算機(jī)記錄。熱電偶的布置如圖8所示，并且在電阻安裝夾具與微通道冷板的接觸面上，在圖8中7個(gè)位置的豎直投影點(diǎn)同樣設(shè)立了熱電偶傳感器（測(cè)溫點(diǎn)1除外）。因此，實(shí)驗(yàn)中共設(shè)置了13個(gè)熱電偶測(cè)溫點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)7個(gè)發(fā)熱電阻的直接接觸面和一維傳熱通道，即夾具與冷板的接觸面（測(cè)點(diǎn)1除外，此點(diǎn)由于結(jié)構(gòu)原因無(wú)法投影）。

圖7　傳熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.7 Heat transfer experiment system

圖8　熱電偶位置示意Fig.8 Position of thermocouple

對(duì)于一維傳熱，有傅里葉定律：

在此種熱電偶布置方式下，若夾具基板厚度為l1，電阻安裝面到微通道冷板對(duì)流壁面的距離為l2，電阻安裝面溫度為T(mén)1，豎直方向上夾具與冷板接觸面溫度為T(mén)2，則豎直方向上冷板對(duì)流壁面溫度Ts為：

該實(shí)驗(yàn)擬分為四組相似實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)表1。

表1　傳熱實(shí)驗(yàn)分組Table 1 Grouping of the heat transfer experiment

由于兩種工藝下冷板的材料不同，且304不銹鋼和3A21鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)差別過(guò)大，因此只對(duì)使用真空鋁釬焊的冷板進(jìn)行傳熱實(shí)驗(yàn)，以確定其熱阻量級(jí)。

1.5CT成像

CT成像是目前應(yīng)用較為廣泛和深入的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)之一。為了了解兩種冷板之間的流阻形成巨大差異的原因，文中使用了CT技術(shù)對(duì)兩種冷板的分別進(jìn)行了剖視圖成像。兩種冷板的橫向CT成像如圖9所示，縱向CT成像如圖10所示。

圖9　冷板的橫向CT成像Fig.9 Transverse CT imaging of the cold-plate

圖10　冷板的縱向CT成像Fig.10 Longitudinal CT imaging of the cold-plate

2　結(jié)果與討論

2.1流動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)短接的方式，測(cè)得系統(tǒng)本身的流阻曲線如圖11所示。因?yàn)楸纠浒宓膽?yīng)用目的是實(shí)現(xiàn)天線模塊冷卻，所以流量不會(huì)太大，該實(shí)驗(yàn)將其流量控制在0.9 L/min之內(nèi)。

圖11　系統(tǒng)本身流阻曲線Fig.11 Flow resistance curve of the system

由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，齒輪泵調(diào)速電壓最多只能調(diào)制2 V，更高的電壓所帶來(lái)的大流量會(huì)破壞管路系統(tǒng)，因此，該實(shí)驗(yàn)中，不同冷板所對(duì)應(yīng)的最高流量限制是不同的。增材制造微通道冷板的流阻實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可整理為流阻曲線如圖12所示，圖中冷板壓力為實(shí)驗(yàn)壓力與系統(tǒng)自身壓力之差。

圖12　增材制造微通道的冷板流阻曲線Fig.12　Flow resistance curve of the microchannel cold-plate produced by additive manufacture

真空鋁釬焊的微通道冷板流阻曲線如圖13所示，圖中冷板壓力同樣是實(shí)驗(yàn)壓力與系統(tǒng)自身壓力之差。

圖13　真空釬焊微通道的冷板流阻曲線Fig.13　Flow resistance curve of the microchannel cold-plate produced by vacuum brazing

2.2傳熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)分組實(shí)驗(yàn)，并整理所得數(shù)據(jù)，可以得到冷板的熱阻數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2。從表2中可見(jiàn)，該冷板一維傳熱方向上的熱阻較小。

表2　冷板和系統(tǒng)等效熱阻Table 2　Equivalent thermal resistance of the cold-plate and the system

2.3CT成像分析

通過(guò)增材制造的冷板各通道間縫隙均勻、通道規(guī)整，整體工藝質(zhì)量很好；通過(guò)釬焊制造的冷板存在著焊料不規(guī)則流動(dòng)的問(wèn)題，導(dǎo)致各通道大小不一或形成堵塞。因此，可以看出內(nèi)部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量將會(huì)直接影響到冷板的流阻，從而對(duì)實(shí)際工程的應(yīng)用情況產(chǎn)生重大影響。

3　結(jié)論

通過(guò)以上研究，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

1）在相同結(jié)構(gòu)下，不銹鋼增材制造冷板的流阻要明顯低于真空鋁釬焊冷板的流阻。

2）得出了真空鋁釬焊微通道冷板的一維等效熱阻范圍。

3）在一般情況下，增材制造冷板內(nèi)部結(jié)構(gòu)的規(guī)整性以及工藝的可控性要好于真空釬焊的冷板。

4）增材制造微通道冷板具有各方面的良好特性，具有更好的應(yīng)用前景，將是以后進(jìn)一步研究的重點(diǎn)方向。

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Experimental Study on a Certain Antenna′s Microchannel Cold-plates Machined by Two Techniques

WENG Xia
（Southwest Institute of Electronics Technology，Chengdu 610036，China）

Objective To study the characteristics of microchannel cold-plates machined by different techniques and analyze the corresponding cause of formation.Methods Based on experimental study,the features of flow and heat transfer of the microchannel cold-plates processed by material additive manufacturing and vacuum brazing were analyzed.In addition,CT technology was used to image the inner structures of the two types of microchannel cold-plates.Results The characteristics and inner images of the cold-plates were obtained.Conclusion The analysis results indicated that the microchannel cold-plates machined by material additive manufacturing had good performance and could be applied in engineering projects.

microchannel；material additive manufacturing；vacuum brazing；CT imaging；characteristics of cold-plates

2015-09-28；Revised：2015-10-13

10.7643/issn.1672-9242.2016.01.019

TJ05

A

1672－9242（2016）01－0106-06

2015-09-28；

2015-10-13

國(guó)防基礎(chǔ)科研重點(diǎn)項(xiàng)目（JCKY2013210B004）

Fund：Key Project of National Defense Basic Research（JCKY2013210B004）

翁夏（1987—），男，四川樂(lè)山人，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)殡娮釉O(shè)備熱設(shè)計(jì)。

Biography：WENG Xia（1987—），Male，from Leshan，Sichuan，Master′s degree，Assistant engineer，Research focus：thermal design of the electronic equipment.