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. 電子科技大學機械與電氣工程學院，四川 成都611731；2. 四川航天烽火伺服控制技術有限公司，四川成都611130）

引 言

隨著微通道散熱器在大功率電子冷卻領域的廣泛應用[1]，將3D 打印技術應用于微通道散熱器的制作成了一個研究熱點[2-4]。選擇性激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）工藝可以在不需要支撐結構的情況下加工出復雜的內部微觀結構，在加工高密度、高機械性能、高精度的復雜結構件方面具有顯著的優勢[5]。采用SLM 工藝的零件相對密度可達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險的優勢[7]。文獻[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的傳熱性能。文獻[5]驗證了SLM 工藝在一次注射過程中制造具有復雜內結構的散熱器的可行性。文獻[9]采用3D 打印制作了單層多通道的微通道冷板，發現當通道寬度為0.3 mm 時，有局部堵塞現象；同時驗證了采用3D 打印制作鋁合金微通道的最小通道寬度為0.5 mm。

通過改變通道結構或增大雷諾數來改善傳熱，許多學者在這方面已經做了大量研究，單層結構強化傳熱的能力有限。增加通道層數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[10]首先提出的。文獻[11]采用數值方法研究了雙層微通道散熱器的流動和傳熱性能，對上下層流道進行了結構優化，使熱源面溫度比優化前降低了11?C。文獻[12]對雙層微通道散熱器的三維共軛傳熱進行了建模，研究了平行流配置的傳熱性能，并與逆流配置進行了比較。結果表明：在低雷諾數（Re ＜1 800）、低通道長寬比（＜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[13]設計了一種上層為矩形微通道、下層為復雜結構微通道的雙層微通道，這種結構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[14]提出了一種新型的交錯流布置。與逆流相比，交錯流的流動布置使得總溫度更低，底部溫度更均勻。

本文評價了采用SLM 工藝制造的內部結構復雜的多層微通道散熱器的綜合性能，用實驗和數值方法研究了三層微通道散熱器（Three-Layered Microchannel Heat Sink, TLMHS）的流體力學和傳熱特性，并采用實驗和數值方法研究了TLMHS 的連接結構，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證散熱器的尺寸精度和壁面粗糙度。如圖1 所示，多區域微通道散熱器（Multi-Area Microchannel Heat Sink,MAMHS）包含4 個不同的獨立區域，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和傳熱研究。3 種散熱器的實測特性參數如表1 所示。TLMHS 的尺寸和參數如表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 三層微通道設計參數 mm

圖1 MAMHS 和GTMHS

圖2 TLMHS

2 實驗

2.1 實驗方案

通過壓力實驗對TLMHS 的防滲性、強度和剛度進行了測試。如圖3 所示，微通道散熱器內裝滿去離子水，高壓空氣通過單向閥進入其中，內部壓力增加到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，力學性能符合技術要求。

圖3 壓力測試原理圖

2.2 傳熱實驗

實驗裝置示意見圖4，主要由進口段、試驗段、收集段和管道組成。在進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入測試區，在微通道內換熱后進入儲液罐。通過可調節流閥控制試驗段管道的流量來改變支路的流量。流量由測量范圍為0 ～250 L/h 的轉子流量計測量。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 個測溫孔，利用紅外熱像儀通過測溫孔監測微通道外部6 個點的溫度。在出口安裝了1 個溫度傳感器來測量出口溫水的溫度。在散熱器和加熱片之間插入另1 個溫度傳感器來測量最高溫度。利用差壓變送器測量了微通道散熱器進出口間的壓降。

圖4 傳熱實驗原理圖

3 數值仿真

數值模型的尺寸與實驗模型相同，但數值模型的表面是完全光滑的。當雷諾數小于800 時，微通道內的流動被認為是層流，質量和動量的變化可以用N-S方程來描述。提出了以下幾個假設：1）流體是牛頓的，不可壓縮的；2）忽略輻射效應和自然對流；3）墻體無滑移；4）流體和固體的熱物理性質都是常數。根據這些假設，控制方程可以表示為[11]：

1）連續性方程

2）動量方程

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 三個坐標方向的速度分量；ρ 為流體密度；λ 為流體的熱導率；k 為固體的熱導率；μ為流體動力粘度；p 為壓強；c 為比熱容；T 為溫度。

4 結果分析

微通道內雷諾數為：

式中：uavg為微通道內的時間平均速度；D 為通道的特征長度；qV為試驗段的體積流量；As為微通道的橫截面積；P 為微通道的浸潤周長。

實驗中亞克力板起到保溫作用，可以忽略自然對流換熱和輻射的熱損失。總換熱量為：

式中，Tin和Tout分別為試驗段的進、出口水溫。

等效熱阻Req和平均努塞爾數Nu 為：

式中，havg表示微通道內平均對流換熱系數，由式(11)計算得出：

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為微通道內總換熱面積。

4.1 壓降特性

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

壓降與雷諾數的關系如圖5 所示。無論是實驗結果還是仿真結果，壓降與雷諾數都是呈近似二次增長的關系。而且，隨著雷諾數的增大，實驗結果明顯大于仿真結果。

圖5 壓降變化

4.2 熱性能

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

顯然，傳熱性能隨雷諾數的增大而提高。當雷諾數在50 ～244 范圍內時，仿真值略好于實驗值。當雷諾數超過244 時，實驗平均努塞爾數開始超過仿真值，且實驗值和仿真值的差距隨著雷諾數的增大而迅速增大。與雷諾數分別為680，730 和780 的仿真值相比，實驗平均努塞爾數分別提高了30%，34%和37%。

圖6 平均努塞爾數的變化

圖7 等效熱阻變化

4.3 效率系數

為了評價SLM 微通道的綜合性能，提出了2 個綜合指標，即能量效率系數ηE和流量效率系數ηF。ηE是平均努塞爾數與泵功率Pb的變化率之比：

式中：F 為通道橫截面的壓力；?pe為通道進出口壓降的實測值。ηF是平均努塞爾數與體積流量的變化率之比：

體積流量qV可由式(17)表示：

經過整理，ηE和ηF可以表示為：

圖8 為效率因子隨雷諾數變化趨勢。由圖8 可以看出，ηE和ηF的值隨雷諾數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，流量對傳熱的提升效果顯著。結果表明，在雷諾數為244 時，兩個效率因子達到最優值（ηE= 74%，ηF= 32%）。TLMHS 在雷諾數為244 時可以獲得最佳的強化性能。可以預測，當雷諾數增加到某個閾值時，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的。

圖8 效率因子隨雷諾數變化趨勢

5 結束語

本文采用SLM 技術制造了MAMHS、GTMHS和TLMHS。前兩款微通道散熱器為開放型，TLMHS為封閉型。測定了尺寸誤差、形位誤差和重量誤差，驗證了SLM 技術制造結構復雜的散熱器的可行性。對TLMHS 進行了壓力測試，以檢驗其防滲性、強度和剛度。以去離子水作為冷卻劑，結合實驗和數值方法，對TLMHS 的水動力和傳熱特性進行了綜合研究。比較實驗和數值結果，定義了兩個效率系數（能量效率系數和流量效率系數）來表征綜合傳熱性能。根據對比結果，得出如下結論：

1）3D 打印形成的粗糙表面使得微通道內的壓降明顯大于仿真值，且隨著雷諾數的增大，實驗值和仿真值的差距進一步擴大。

2）對于本實驗中的三層微通道，當雷諾數小于244 時，3D 打印形成的粗糙內表面對傳熱有負面作用；當雷諾數大于244 時，粗糙內表面對傳熱有增強作用，這種增強效應隨著雷諾數的增大而增大。

3）流量和泵功率對傳熱的增強作用隨雷諾數Re的增大呈先增后減的趨勢。當Re = 244 時，能效因子達到最大值。隨著Re 進一步增大，流量和泵功率對傳熱的增強效應逐漸減弱。可以預測，當泵功率達到某一閾值后，泵功率對傳熱的增強作用幾乎為零。