利用SLM 3D打印双层微通道散热器用于高性能电子冷却系统

论文信息：

Xinyue Lan, Peng Li, Chi-Chuan Wang and Han Shen, Thermal-dynamic performance enhancement analysis on central impinging jet double layer microchannel heat sinks with variable working flow conditions verified by SLM 3D printing technology for the powerful electronics cooling system, International Journal of Heat and Mass Transfer 236 (2025), 126381

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.126381

Part.1

研究背景

高性能电子芯片功率密度持续提高，服务器CPU功率可超500  W，但芯片散热面积仅有1‑4  cm²。高热流会引发芯片降频，严重时烧毁器件，电子设备热管理面临严峻挑战，传统风冷已难以满足散热需求，微通道液冷成为主流解决方案。自Tuckerman和Pease提出微通道散热器后，Vafai等人进一步发展双层微通道结构，相较单层结构能够有效降低热阻。现有研究主要从被动强化结构、流向排布角度优化双层微通道；冲击射流依靠驻点高局部换热系数，同样是高效散热技术。但多数研究将双层微通道与冲击射流分开探究，二者耦合结构以及多流动工况对散热器性能的影响缺少深入分析。同时复杂的内部流道受传统加工工艺限制难以实现，选择性激光熔化（SLM）3D打印可实现复杂流道一体化制备，为此类新型散热器的试制与验证提供条件。基于上述现状，本文设计中心冲击射流双层微通道散热器，设置六种流动工况，以传统平行直双层微通道散热器作为参照，结合SLM打印样件开展仿真与实验，探究其热动力性能，为大功率电子冷却提供技术参考。

Part.2

研究内容

本研究以传统平行直通道双层微通道散热器PS‑DMCHS作为参考对象，创新性设计中心冲击射流双层微通道散热器IJ‑DMCHS。参考模型PS‑DMCHS和新型IJ‑DMCHS的外部整体长宽尺寸均为20  mm，PS‑DMCHS共计50条微通道分为上下两层，流体域单通道长度20  mm，通道宽度0.4  mm，通道高度0.9  mm，固体肋宽0.8  mm，固体域整体高度2.4  mm，采用上下层逆向平行流动，结构如图1所示。IJ‑DMCHS设置两个进口、三个出口，流道中间增设冲击射流连通结构（图2），冷却液能够由上层垂直冲击下层流道实现冲击强化换热。共设计6组流动工况，M1、M2将顶层设置为其中一处进口，M3‑M6将顶层作为出口，各个工况的进口分别布置于上层端部、下层端部以及顶部冲击口，其余开口充当出口，各工况流向如图3、图4所示。

图1. PS‑DMCHS结构示意图

图2. IJ‑DMCHS结构示意图

图3. M1、M2流动方向示意图

图4. M3‑M6流动方向示意图

本研究进行数值仿真，考虑冲击射流带来回流现象，选用RNG k-ω湍流模型，忽略辐射散热、粘性耗散、体积力与表面张力，采用Navier‑Stokes方程与傅里叶导热方程分别描述流体流动与固体导热，为降低计算开销选取周期性单通道单元开展计算。基板底部施加200 W/cm²恒定热流，流固交界面设置无滑移与温度连续条件，出口为压力出口边界，进口速度设置0.25~1.05  m/s。仿真基于Fluent15.0求解，采用SIMPLEC算法，动量与能量方程使用二阶迎风格式，设置严格残差收敛标准。完成网格无关性验证，选用180万网格开展后续计算，同时对冲击区域进行壁面加密处理。研究引入雷诺数、努塞尔数、热阻、摩擦因子以及综合热性能因子作为评价指标，兼顾换热提升与压降代价。实验部分采用Cu‑Mo合金作为散热器基体，使用SLM‑300型号SLM‑3D打印机加工样件，成型精度可达±0.01 mm，打印设备与成品（图5）。冷却介质选用去离子水，采用有效加热面积20  mm×20  mm陶瓷电加热芯片模拟芯片高热流输入，高导热粘接剂消除接触热阻。整套实验平台(图6)由循环冷却系统、热源模块、测试单元、数据采集模块组成，蠕动泵调控流量，恒温水浴控制冷却液进口温度，T型热电偶采集温度，数字压力计获取进出口压差，安捷伦设备完成数据记录。待系统温度波动小于0.1  ℃视为稳态再采集数据，同时完成实验不确定度分析，努塞尔数最大测量误差5.7%，保障实验数据可靠。

图5. 3D打印设备与散热器样件

图6. 实验系统原理图

基于以上研究，本文提取Re=359.32工况下多个特征平面温度云图（图7、图8），结果显示冷却液沿流动方向温度升高，流道出口区域易形成热点；M1、M2由顶部进流能够减小上下层流道温差；M5工况基板温度梯度最小，温度均匀性表现最优，而M6受流动形式限制整体温度偏高。基板底面仿真温度云图（图9）表明参考模型PS‑DMCHS基板最高温度达到338.2  K，M1、M2、M5均可以明显降低基板温度。随雷诺数增大，仿真结果显示所有模型基板最高温度不断下降，Re=580.4时M5相比参考模型基板最高温度降低9.6  K。从仿真得到的努塞尔数结果可见，Re=580条件下最优工况努塞尔数相比PS‑DMCHS提升51.86%（图10）。除M6以外，其余工况综合热性能因子均大于1，M3工况最高可达1.49；仿真热阻结果表明IJ‑DMCHS系列热阻全部低于参考模型，Re=580时PS‑DMCHS热阻为0.044  K/W，大部分新型工况热阻维持在0.030  K/W。仿真提取x=0截面流线云图（图11），M1、M2流道内部形成大量旋涡，破坏热边界层强化换热，但旋涡滞留区也会带来额外压降损失；M6工况受伯努利原理影响，流体直接从顶部出口流出，下层热源侧流道得不到有效冷却。x=0.1  mm截面速度等值线仿真结果（图12）表明冲击位置流速急剧增大，是冲击射流强化换热的核心原因。仿真压降曲线（图13）表明低雷诺数下各散热器压降差异微弱；随雷诺数提升压降快速增大，M3、M4、M5工况在实现换热强化的同时，压降代价处于较低水平，仿真计算得到的换热、压降规律和实验测试结果保持较好一致性。

图7. M1‑M3温度云图

图8. M4‑M6温度云图

图9. 基板底部温度云图

图10. 努塞尔数随雷诺数变化

图11. x=0截面流线温度云图

图12. x=0.1mm速度等值线

图13. 压降随雷诺数变化

Part.3

总结与展望

综上所述，本研究设计中心冲击射流双层微通道散热器（IJ‑DMCHS），采用SLM‑3D打印制备Cu‑Mo试样，仿真与实验结果吻合良好。研究表明流动工况对散热性能影响显著：M3工况综合性能最优，在Re=580下努塞尔数提升51.86%，综合热性能因子达1.49；M2工况内部涡流强化换热，但压降损失更大；M5基板温度均匀性最佳，基板最高温度可降低9.6  K。M6工况受伯努利效应影响流体直接从顶部出口流出，无法充分利用双层流道，散热性能较差。多数工况在强化换热的同时压降增幅可控，热阻明显低于传统平行直双层微通道散热器，验证冲击射流与双层微通道耦合结构在高热流电子冷却的应用潜力。该研究仍存在局限，后续可开展多方向拓展：更换纳米流体等工质进一步提升散热能力；针对冲击孔尺寸、层间高度开展几何多目标优化；模拟芯片实际非均匀热流，考察热点抑制效果；量化SLM打印表面粗糙度带来的性能影响；开展瞬态变功率工况测试，探究散热器动态热响应；开展尺度效应研究，推进该散热器在CPU、功率半导体器件的工程落地。

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