3D打印微通道液冷板设计及实验研究

赵 亮，吴 波，文 雯，张丰华，杨明明

(西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710076)

0 引 言

随着电子元器件技术和微组装能力的迅速发展，机载电子设备朝着小型化、高性能、高集成度的方向发展。同时电子元器件发热功率和热流密度的不断增加，电子元器件的温度直接影响机载电子设备的可靠性，如何更加有效的控制电子元器件的温度成为提高机载电子设备可靠性的关键问题。微通道冷板具有结构紧凑、换热效率高、质量轻、运行安全可靠等特点[1]，它在微电子、航空航天、高温超导体冷却及其它一些对换热设备的尺寸和重量有特殊要求的场合中广泛使用。笔者针对机载电子设备设计了一种3D打印微通道液冷板，对微通道液冷板的换热机理、结构设计、仿真优化、实验测试进行了介绍，结果表明微通道液冷板散热效果明显，为今后机载电子设备3D打印微通道液冷板设计提供技术支持。

1 微通道液冷板换热机理

在微通道领域，目前大都采用Mehendal理论，通常将水力学直径在0.1～1 mm之间的通道定义为微通道[2]。流体在微通道内流动的微尺度效应和边界层效应，大大提高冷却介质与液冷板的对流换热系数。对流换热系数与通道水力直径成反比关系，在完全层流状态以及努塞尔数为常数的假设下，微通道的水力直径仅为一般流道的1/1000左右，因此微通道冷板对流换热系数比一般流道增加上千倍。通道尺寸减小以后，在相同的面积内，流道数目增多，对流换热表面积增加，极大提升单位体积液冷板的换热面积，从而达到提升冷板散热能力的目的。在20 世纪80年代初期，美国学者Tuckerman 和Pease 提出微尺度散热器的概念，并从理论上证明了水冷式微通道液冷板的散热能力可以达到1 000 W/cm2[3]。

微通道液冷板的换热机理十分复杂，ANKE Halbritter[4]等提出的微通道换热能力计算公式，见式(1)～(5)：

(1)

(2)

(3)

其中：

(4)

(5)

式中:D为水力直径，m；M为通道宽度，m；H为通道高度，m。

2 微通道液冷板结构设计

此项目要求微通道液冷板满足热流密度50 W/cm2，液冷板壳体的表面温度低于70 ℃的要求。

从传热学的角度来看，微通道当量直径在0.1～1 mm范围内时，通道水力直径远大于占主导地位的热载体的分子平均自由程，傅立叶定律仍然适用，经典传热学理论的结果可以接受，且当量直径在0.1～1 mm范围内的微通道液冷板也可以满足目前电子设备的冷却需求，因此本项目主要研究当量直径在0.1～1 mm范围内的微通道液冷板。

微通道液冷板虽然具有散热能力强、流量要求低、冷板热阻低、结构紧凑等优点，但存在冷板结构加工成型困难以及流动阻力较大等问题。在微通道液冷板工程设计时必须对其散热能力、成型方式、冷板阻力等特性进行综合考虑。微通道液冷板的结构如图1所示，微通道部分尺寸为30 mm×30 mm，右侧为冷却液的入口，左侧为冷却液出口，入口端设计有分流结构，四角设计4个安装耳用于固定微通道液冷板。根据3D打印工艺能力选取肋厚为n=0.5 mm、n=1 mm，肋片高度h变化范围为2～10 mm、通道宽度m变化范围为0.5～0.6 mm，最终结构尺寸通过仿真优化确定。

图1 微通道冷板结构模型

3 微通道液冷板仿真优化

微通道液冷板仿真优化采用Flotherm热仿真分析软件进行。模拟热源总功耗50 W，模拟热源尺寸10 mm×10 mm，热流密度50W/cm2，冷却液入口温度15 ℃，微通道液冷板材料为铝合金，芯片材料为陶瓷。针对微通道液冷板肋片厚度n，肋片间距m、肋片高度h进行散热性能优化仿真，仿真后的温度场如图2所示。最终仿真优化结果为肋厚n=1 mm，通道宽度m=0.52 mm，肋高h=5 mm，满足热流密度50 W/cm2，液冷板壳体的表面温度低于70℃的要求。

图2 微通道液冷板仿真温度场

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钎焊、扩散焊、搅拌摩擦焊、电子束焊等工艺方式。真空钎焊和扩散焊适用于平面焊缝焊接，搅拌摩擦焊和电子束焊适用于立缝焊接。根据微通道液冷板结构设计，虽然真空钎焊和扩散焊能够满足平面焊缝的焊接，但是微通道液冷板的通道宽度m仅为0.52 mm，肋片高度h达到5 mm。采用真空钎焊工艺，焊料熔化后流动会填充微通道，造成微通道的堵塞。采用扩散焊工艺，扩散焊过程中施加的压力将导致微通道结构尺寸的改变，影响流阻及换热性能。

根据微通道冷板结构特征，最终采用3D打印技术制造微通道冷板。3D打印技术是快速成形技术的一种，基本原理是按照三维模型一层一层打印出来形成实物。样件为铝合金金属材料，采用选择性激光烧结工艺方式。该工艺方式主要利用粉末材料在激光照射下烧结的原理，由计算机控制层叠堆积成型。一般的步骤是首先铺一层粉末材料，将材料预热到接近熔化点，再使用激光在该层截面上扫描，使粉末温度升至熔化点，然后烧结形成粘接，接着不断重复铺粉、烧结的过程，直至完成整个模型成型。通过3D打印工艺最终制造出了肋厚n=1 mm，通道宽度m=0.52 mm，肋高h=5 mm的微通道液冷板，如图3所示。

加工完成后通过三维尺寸扫描，扫描出的微通道液冷板尺寸满足设计尺寸要求。由于3D打印一体成型，微通道液冷板腔体内通道结构是否完整，是否有堵塞必须通过X射线进行透视检测，采用X射线检测其内部腔体，从图4可以看出微通道结构完整，通道光滑，没有出现堵塞现象，满足设计要求。

图3 3D打印微通道液冷板 图4 微通道冷板内部通道

由于3D打印技术采用激光金属粉末烧结的工艺，粉末烧结完成后，通过超声波清洗微通道液冷板，避免未烧结多余金属粉末残留在微通道液冷板内对机载液冷系统造成污染。超声波清洗后，对微通道液冷板进行污染度检测，污染度等级为GJB420B-3级，满足设计及系统要求。

5 微通道液冷板实验测试

为了验证3D打印微通道液冷板换热性能是否满足设计要求，开展了实验测试。实验设备包括：恒温水槽、微型流量计、电源、过滤器、热电偶、数据采集器及模拟热源。

实验测试如图5所示，恒温水槽为系统提供冷却液，微型流量计监控系统流量，电源为模拟热源供电，FLUKE数据采集器通过热电偶采集温度值。

图5 微通道液冷板实验测试

模拟热源在散热器底部的中心位置，模拟热源尺寸10 mm×10 mm，模拟热源的热量经过导热垫传导至微通道液冷板壳体的底部，热量最终通过冷却液带出到微通道液冷板的外部。

测试结果表明，环境温度25 ℃，冷却液温度15℃，电压为29.5 V，电流为1.72 A，功率为50.7 W，芯片热流密度50.7 W/cm2时，微通道液冷板壳体温度为61.1 ℃，小于指标要求的70 ℃。

6 结 论

通过对微通道液冷板结构设计、仿真优化、3D打印制造及实验测试得到以下结论。

(1) 微通道液冷板可以满足在热流密度50 W/cm2条件下，液冷板壳体的表面温度低于70 ℃的要求。

(2) 采用3D打印可以制造肋厚n=1 mm，通道宽度m=0.52 mm，肋高h=5 mm的微通道液冷板，微通道结构完整，污染度满足设计及系统要求。

(3) 一体烧结成型的3D打印微通道液冷板，相比传统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热流密度电子元器件的温度，在机载领域具有广阔的应用前景。