3D打印微通道液冷板設(shè)計及實(shí)驗研究

趙 亮，吳 波，文 雯，張豐華，楊明明

(西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710076)

0 引 言

隨著電子元器件技術(shù)和微組裝能力的迅速發(fā)展，機(jī)載電子設(shè)備朝著小型化、高性能、高集成度的方向發(fā)展。同時電子元器件發(fā)熱功率和熱流密度的不斷增加，電子元器件的溫度直接影響機(jī)載電子設(shè)備的可靠性，如何更加有效的控制電子元器件的溫度成為提高機(jī)載電子設(shè)備可靠性的關(guān)鍵問題。微通道冷板具有結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高、質(zhì)量輕、運(yùn)行安全可靠等特點(diǎn)[1]，它在微電子、航空航天、高溫超導(dǎo)體冷卻及其它一些對換熱設(shè)備的尺寸和重量有特殊要求的場合中廣泛使用。筆者針對機(jī)載電子設(shè)備設(shè)計了一種3D打印微通道液冷板，對微通道液冷板的換熱機(jī)理、結(jié)構(gòu)設(shè)計、仿真優(yōu)化、實(shí)驗測試進(jìn)行了介紹，結(jié)果表明微通道液冷板散熱效果明顯，為今后機(jī)載電子設(shè)備3D打印微通道液冷板設(shè)計提供技術(shù)支持。

1 微通道液冷板換熱機(jī)理

在微通道領(lǐng)域，目前大都采用Mehendal理論，通常將水力學(xué)直徑在0.1～1 mm之間的通道定義為微通道[2]。流體在微通道內(nèi)流動的微尺度效應(yīng)和邊界層效應(yīng)，大大提高冷卻介質(zhì)與液冷板的對流換熱系數(shù)。對流換熱系數(shù)與通道水力直徑成反比關(guān)系，在完全層流狀態(tài)以及努塞爾數(shù)為常數(shù)的假設(shè)下，微通道的水力直徑僅為一般流道的1/1000左右，因此微通道冷板對流換熱系數(shù)比一般流道增加上千倍。通道尺寸減小以后，在相同的面積內(nèi)，流道數(shù)目增多，對流換熱表面積增加，極大提升單位體積液冷板的換熱面積，從而達(dá)到提升冷板散熱能力的目的。在20 世紀(jì)80年代初期，美國學(xué)者Tuckerman 和Pease 提出微尺度散熱器的概念，并從理論上證明了水冷式微通道液冷板的散熱能力可以達(dá)到1 000 W/cm2[3]。

微通道液冷板的換熱機(jī)理十分復(fù)雜，ANKE Halbritter[4]等提出的微通道換熱能力計算公式，見式(1)～(5)：

(1)

(2)

(3)

其中：

(4)

(5)

式中:D為水力直徑，m；M為通道寬度，m；H為通道高度，m。

2 微通道液冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計

此項目要求微通道液冷板滿足熱流密度50 W/cm2，液冷板殼體的表面溫度低于70 ℃的要求。

從傳熱學(xué)的角度來看，微通道當(dāng)量直徑在0.1～1 mm范圍內(nèi)時，通道水力直徑遠(yuǎn)大于占主導(dǎo)地位的熱載體的分子平均自由程，傅立葉定律仍然適用，經(jīng)典傳熱學(xué)理論的結(jié)果可以接受，且當(dāng)量直徑在0.1～1 mm范圍內(nèi)的微通道液冷板也可以滿足目前電子設(shè)備的冷卻需求，因此本項目主要研究當(dāng)量直徑在0.1～1 mm范圍內(nèi)的微通道液冷板。

微通道液冷板雖然具有散熱能力強(qiáng)、流量要求低、冷板熱阻低、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，但存在冷板結(jié)構(gòu)加工成型困難以及流動阻力較大等問題。在微通道液冷板工程設(shè)計時必須對其散熱能力、成型方式、冷板阻力等特性進(jìn)行綜合考慮。微通道液冷板的結(jié)構(gòu)如圖1所示，微通道部分尺寸為30 mm×30 mm，右側(cè)為冷卻液的入口，左側(cè)為冷卻液出口，入口端設(shè)計有分流結(jié)構(gòu)，四角設(shè)計4個安裝耳用于固定微通道液冷板。根據(jù)3D打印工藝能力選取肋厚為n=0.5 mm、n=1 mm，肋片高度h變化范圍為2～10 mm、通道寬度m變化范圍為0.5～0.6 mm，最終結(jié)構(gòu)尺寸通過仿真優(yōu)化確定。

圖1 微通道冷板結(jié)構(gòu)模型

3 微通道液冷板仿真優(yōu)化

微通道液冷板仿真優(yōu)化采用Flotherm熱仿真分析軟件進(jìn)行。模擬熱源總功耗50 W，模擬熱源尺寸10 mm×10 mm，熱流密度50W/cm2，冷卻液入口溫度15 ℃，微通道液冷板材料為鋁合金，芯片材料為陶瓷。針對微通道液冷板肋片厚度n，肋片間距m、肋片高度h進(jìn)行散熱性能優(yōu)化仿真，仿真后的溫度場如圖2所示。最終仿真優(yōu)化結(jié)果為肋厚n=1 mm，通道寬度m=0.52 mm，肋高h(yuǎn)=5 mm，滿足熱流密度50 W/cm2，液冷板殼體的表面溫度低于70℃的要求。

圖2 微通道液冷板仿真溫度場

4 微通道液冷板3D打印

液冷板常用的密封焊接方式有真空釬焊、擴(kuò)散焊、攪拌摩擦焊、電子束焊等工藝方式。真空釬焊和擴(kuò)散焊適用于平面焊縫焊接，攪拌摩擦焊和電子束焊適用于立縫焊接。根據(jù)微通道液冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計，雖然真空釬焊和擴(kuò)散焊能夠滿足平面焊縫的焊接，但是微通道液冷板的通道寬度m僅為0.52 mm，肋片高度h達(dá)到5 mm。采用真空釬焊工藝，焊料熔化后流動會填充微通道，造成微通道的堵塞。采用擴(kuò)散焊工藝，擴(kuò)散焊過程中施加的壓力將導(dǎo)致微通道結(jié)構(gòu)尺寸的改變，影響流阻及換熱性能。

根據(jù)微通道冷板結(jié)構(gòu)特征，最終采用3D打印技術(shù)制造微通道冷板。3D打印技術(shù)是快速成形技術(shù)的一種，基本原理是按照三維模型一層一層打印出來形成實(shí)物。樣件為鋁合金金屬材料，采用選擇性激光燒結(jié)工藝方式。該工藝方式主要利用粉末材料在激光照射下燒結(jié)的原理，由計算機(jī)控制層疊堆積成型。一般的步驟是首先鋪一層粉末材料，將材料預(yù)熱到接近熔化點(diǎn)，再使用激光在該層截面上掃描，使粉末溫度升至熔化點(diǎn)，然后燒結(jié)形成粘接，接著不斷重復(fù)鋪粉、燒結(jié)的過程，直至完成整個模型成型。通過3D打印工藝最終制造出了肋厚n=1 mm，通道寬度m=0.52 mm，肋高h(yuǎn)=5 mm的微通道液冷板，如圖3所示。

加工完成后通過三維尺寸掃描，掃描出的微通道液冷板尺寸滿足設(shè)計尺寸要求。由于3D打印一體成型，微通道液冷板腔體內(nèi)通道結(jié)構(gòu)是否完整，是否有堵塞必須通過X射線進(jìn)行透視檢測，采用X射線檢測其內(nèi)部腔體，從圖4可以看出微通道結(jié)構(gòu)完整，通道光滑，沒有出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，滿足設(shè)計要求。

圖3 3D打印微通道液冷板 圖4 微通道冷板內(nèi)部通道

由于3D打印技術(shù)采用激光金屬粉末燒結(jié)的工藝，粉末燒結(jié)完成后，通過超聲波清洗微通道液冷板，避免未燒結(jié)多余金屬粉末殘留在微通道液冷板內(nèi)對機(jī)載液冷系統(tǒng)造成污染。超聲波清洗后，對微通道液冷板進(jìn)行污染度檢測，污染度等級為GJB420B-3級，滿足設(shè)計及系統(tǒng)要求。

5 微通道液冷板實(shí)驗測試

為了驗證3D打印微通道液冷板換熱性能是否滿足設(shè)計要求，開展了實(shí)驗測試。實(shí)驗設(shè)備包括：恒溫水槽、微型流量計、電源、過濾器、熱電偶、數(shù)據(jù)采集器及模擬熱源。

實(shí)驗測試如圖5所示，恒溫水槽為系統(tǒng)提供冷卻液，微型流量計監(jiān)控系統(tǒng)流量，電源為模擬熱源供電，F(xiàn)LUKE數(shù)據(jù)采集器通過熱電偶采集溫度值。

圖5 微通道液冷板實(shí)驗測試

模擬熱源在散熱器底部的中心位置，模擬熱源尺寸10 mm×10 mm，模擬熱源的熱量經(jīng)過導(dǎo)熱墊傳導(dǎo)至微通道液冷板殼體的底部，熱量最終通過冷卻液帶出到微通道液冷板的外部。

測試結(jié)果表明，環(huán)境溫度25 ℃，冷卻液溫度15℃，電壓為29.5 V，電流為1.72 A，功率為50.7 W，芯片熱流密度50.7 W/cm2時，微通道液冷板殼體溫度為61.1 ℃，小于指標(biāo)要求的70 ℃。

6 結(jié) 論

通過對微通道液冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計、仿真優(yōu)化、3D打印制造及實(shí)驗測試得到以下結(jié)論。

(1) 微通道液冷板可以滿足在熱流密度50 W/cm2條件下，液冷板殼體的表面溫度低于70 ℃的要求。

(2) 采用3D打印可以制造肋厚n=1 mm，通道寬度m=0.52 mm，肋高h(yuǎn)=5 mm的微通道液冷板，微通道結(jié)構(gòu)完整，污染度滿足設(shè)計及系統(tǒng)要求。

(3) 一體燒結(jié)成型的3D打印微通道液冷板，相比傳統(tǒng)焊接冷板可靠性更高。

(4) 3D打印微通道液冷板可有效控制高熱流密度電子元器件的溫度，在機(jī)載領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。