基于增材技术的极小曲面结构散热仿真及性能研究.pdf

世界有色金属2023年6月上118前沿技术Leading-edge technology基于增材技术的极小曲面结构散热仿真及性能研究张润凯1，高超2，翁俊2，刘宝昌1，李庆棠1（1.北京新风航天装备有限公司，北京 1 0 0 8 5 4；2.北京无线电测量研究所，北京 1 0 0 8 5 4）摘 要：相比于风冷、相变等散热形式，液冷散热具有稳定高效等优势。针对目前大功率电子设备在高热流密度下的散热需求，本文通过仿真和试验方式，对比在同等热输入和散热介质流速下三种不同形式的散热结构的散热能力，三种结构分别为：矩形翅片、三角翅片型和三周期极小曲面（T P MS）型液冷散热结构。同时基于增材技术，对液冷板整体结构一体化设计制造并进行试验验证，结果表明T P MS 形式的结构散热效果更好，一体化制造可行性良好。该研究为后续大功率电子装备的液冷散热结构设计与制造提供参考。关键词：增材技术；铝合金；散热仿真及性能中图分类号：V 2 6 0.5 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2-5 0 6 5（2 0 2 3）1 1-0 1 1 8-3Thermal Simulation and Performance Research of Minimal surface Structure Based on Additive TechnologyZHANGRun-kai1,GAOChao2,WENGJun2,LIUBao-chang1,LIQing-tang1(1.B e i j i n g X i n f e n g A e r o s p a c e E q u i p me n t C o.,L t d,B e i j i n g 1 0 0 8 5 4,C h i n a;2.B e i j i n g I n s t i t u t e o f Ra d i o Me a s u r e me n t,B e i j i n g 1 0 0 8 5 4,C h i n a)Abstract:C o mp a r e d t o a i r c o o l i n g,p h a s e c h a n g e a n d o t h e r h e a t d i s s i p a t i o n f o r ms,l i q u i d c o o l i n g h a s a d v a n t a g e s s u c h a s s t a b i l i t y a n d e f f i c i e n c y.I n v i e w o f t h e c u r r e n t h e a t d i s s i p a t i o n r e q u i r e me n t s o f h i g h-p o w e r e l e c t r o n i c e q u i p me n t u n d e r h i g h h e a t f l o w d e n s i t y,t h i s p a p e r c o mp a r e s t h e h e a t d i s s i p a t i o n c a p a c i t y o f t h r e e d i f f e r e n t f o r ms o f h e a t d i s s i p a t i o n s t r u c t u r e s u n d e r t h e s a me h e a t i n p u t a n d c o o l i n g me d i u m f l o w r a t e t h r o u g h s i mu l a t i o n a n d e x p e r i me n t.T h e t h r e e t y p e s o f s t r u c t u r e s a r e:r e c t a n g u l a r f i n,t r i a n g u l a r f i n a n d t h r e e c y c l e Mi n i ma l s u r f a c e (T P MS)l i q u i d c o o l i n g c o o l i n g s t r u c t u r e s.A t t h e s a me t i me,b a s e d o n a d d i t i v e t e c h n o l o g y,t h e i n t e g r a t e d d e s i g n,ma n u f a c t u r i n g,a n d e x p e r i me n t a l v e r i f i c a t i o n o f t h e o v e r a l l s t r u c t u r e o f t h e l i q u i d c o o l e d p l a t e w e r e c a r r i e d o u t.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e s t r u c t u r e i n t h e f o r m o f T P MS h a d b e t t e r h e a t d i s s i p a t i o n e f f e c t,a n d t h e f e a s i b i l i t y o f i n t e g r a t e d ma n u f a c t u r i n g w a s g o o d.T h i s s t u d y p r o v i d e s a r e f e r e n c e f o r t h e d e s i g n a n d ma n u f a c t u r i n g o f l i q u i d c o o l e d h e a t d i s s i p a t i o n s t r u c t u r e s f o r h i g h-p o w e r e l e c t r o n i c e q u i p me n t i n t h e f u t u r e.Keywords:a d d i t i v e t e c h n o l o g y;A l u mi n u m a l l o y;He a t d i s s i p a t i o n s i mu l a t i o n a n d p e r f o r ma n c e收稿日期：2 0 2 3-0 3作者简介：张润凯，男，生于1 9 9 3 年，汉族，河北邢台人，硕士，工程师，研究方向：材料加工。电子设备的高度集成度和高功率密度给芯片散热带来巨大的挑战1，传统的散热方式已无法满足高热流密度芯片的散热要求。传统的散热流道采用通管式，机加完成流道加工，再通过钎焊或者熔焊方式，连接在一起。而增材制造方式可以采用一体化成形方式，可以进行复杂流道的散热结构制造。而增材制造技术的不断发展突破了制造对零件形状的制约，支持设计人员从产品的功能需求出发，自由创新的设计制造轻量化的三维点阵单元2。TPMS结构形式，具有光滑连续的孔隙结构，能够保证较低液体流动流动阻力的同时增强液体扰流，增大热交换面积，从而提高液冷板的热交换效率，陈兴民3等人，通过研究仿真翅片型和TPMS型散热结构，对比得出TPMS散热效果较好，但未进行系统试验验证。本文通过对比传统形式散热结构和TPMS极小曲面散热结构，进行整体结构拓扑设计优化，并进行散热仿真及试验验证，为新形式的增材制造液冷板的推广提供理论依据和工程实践。1 散热结构选取本文分别选取矩形翅片型、三角翅片型和TPMS型三种不同形式的散热结构，为分析比较不同散热结构的特性，设定液冷板的材料、尺寸规格相同、通道横截面相同、热源位置大小相同、距离热源位置相同、流体工质相同。此外，也设定冷板外壁厚度相同，散热条件相同。三种不同形式的液冷散热结构横截面如下图所示。a）翅片型；b）三角型；c）T P M S 型图1不同形式的散热横截面（正视图）2 仿真分析采用CFD计算流体动力学软件进行传热仿真分析，数值仿真计算时，进行以下简化和假设：（1）采用稳态计算方式，认为液冷板入口流速均匀；（2）冷却液为理想牛顿流体；（3）热量只由液冷板通过液体的对流换热带走，忽略热辐射、外壁面与空气对流。建立矩形翅片型、三角翅片型、TPMS型结构的液冷板的散热结构，结构规格为100mm26mm10mm，发热芯片等效为20mm10mm的面热源进行模拟；冷却介质选用水介质，温度为20 1；冷却液流量为3L/min，设置为速度入口，出口设置为压力出口，忽略自然对流和辐射传热；通道壁面绝对光滑。液冷板的主要材料为铝合金，材料详细参数如表1所示，结构热仿真模型如下图所示，蓝色区域为加热片位置。2023年6月上 世界有色金属 119前沿技术Leading-edge technology图2液冷板整体结构示意图表1材料热物理属性结构材料密度（kg/m3）热传导系数(W/(m.k)比热容(J/(kg.K)液冷板Al合金2.7103170871冷却介质水1.01030.64182表2不同散热结构的散热序号散热结构类型热流密度（W/cm2）最大温度()压降平均值1矩形翅片2027.72.20kPa3031.64035.42三角形翅片2028.12.87kPa3032.24036.23TPMS型2027.85.56kPa3032.04034.7图3不同散热结构在不同功率下的最高温度（a）翅片型（b）三角型（c）T P M S图440W/cm2功率下不同散热结构的最高温度通过对比表2可以看出，在热流密度较低时，三种结构最高温度相差1，无明显差别，随着热流密度的提升，液冷板温度逐渐上升，当热流密度达到40W/cm2时，翅片型液冷板最高温度为35.4，三角型液冷板最高温度为36.2，TPMS型液冷板最高温度为34.7，即在热流密度较低情况下，三种散热结构散热效果相似，随着热流密度的升高，TPMS型的散热结构，散热效果越来越明显。3 工艺性评估通过CFD仿真验证结果发现，TPMS型结构散热能力更好，故在整体尺寸不变的情况下，散热结构采用TPMS型结构形式。图5填充效果示意图基于专业仿真平台，对液冷板整体结构的成型工艺性进行仿真预测，模拟堆积过程的变形及应力分布，预测结构打印过程中的应力集中区域、变形、开裂、刮刀碰撞等，可以基于仿真结果对结构进行优化设计迭代。加工前进行工艺性仿真如下图所示，将液冷板竖立于工作平台上，其采用自支撑方式，故无需多余支撑，安装面添加机加余量，进行工艺仿真发现，液冷板变形可控，无开裂风险。a 支撑施加 b 加工风险分析图6工艺仿真采用工艺仿真软件对一体化结构成型工艺性进行验证。复杂曲面结构在成型过程中，大尺寸复杂曲面结构包含了数量极高的曲面特征，同时还可能存在多种曲面的过渡、交联，变形问题进一步增加，也给工艺实现造成了极大的难题4。4 试验验证试验部分采用加热片、液冷板、电源模块、冷水机以及世界有色金属2023年6月上120前沿技术Leading-edge technology热电偶等进行连接，组成冷却液循环冷却系统，模拟整个循环过程。通过T型热电偶进行温度的测量记录，加热片选用2个10mm10mm的高温陶瓷片，将导热硅脂作为冷板和陶瓷加热片的连接介质，并通过高温胶带等固定措施来进行装夹固定，最大程度上降低导热硅脂的厚度，温度测试由T型热电偶（测量误差为0.4%FS（0.5）配合数据采集仪实现。测温点如图所示，黄色部位为加热片区域。根据设计要求的热输入，通过调节电流和电压，来设定陶瓷加热片热流密度范围为2040W/cm2，测温点分别为入水口温度1、加热片中心温度2和出水口温度3，具体测量位置如下图所示。图7不同位置温度测量点示意图图8测量示意图通过调节直流电源的电流和电压，控制加热片的发热功率，设定要测量的热流密度的区间范围，冷水机的水流温度控制在20 1，热电偶和电脑相连，扫描记录每个点的瞬时温度，测量数据如下表所示。当热流密度为20W/cm2时（设定好电流和电压数值），温度测量点2处测得温度为90，超过目标输入，点1和点2温度在水温温度1。可以看出，随着热流密度的增大，整体温度都逐渐上升，点2作为加热片中心位置，温度最高。比较不同散热结构，在较低的热流密度下，三种散热结构最高温度差值在1，差距较小，在较高的热流密度下，散热能力就有了明显的差异；在相同的热流密度下，TPMS型散热结构的最高温度，始终小于其他两种形式的散热结构，所以TPMS型的散热结构能力最好。验证试验和仿真的误差，按最高温度来算，TPMS型在40W/cm2热流密度下的最高温度的仿真值和实验值误差为：2.1%。表3不同散热结构形式的热试验记录序号散热结构类型对应热输入/热流密度/W/cm2对应温度/点1点2点31矩形翅片2020.829.522.63021.332.123.14020.134.523.42三角形翅片2021.230.921.73021.235.121.84021.338.322.13TPMS型2020.229.320.83020.533.421.34021.536.422.15 总结本文提出了三种散热结构单元，通过仿真及试验验证方式，探究最优的散热结构，最终选择TPMS型散热结构，基于TPMS散热结构对液冷板进行系统级集成及轻质高效化一体增材设计设；进行了流固耦合散热仿真分析，同时，完成工艺性评估，打印实体样件，并通过实验进行液冷板整体性能分析验证，综合结论如下：（1）选取三种散热结构，进行结构散热仿真及性能实验研究。仿真结果表明在低热流密度2030W/cm2区间内，三种散热结构散热能力相似，随着热流密度的升高，冷板的最高温度也一定程度上升高，在40W/cm2热流密度下，三角型和翅片型的最高温度为36.2和35.4，TPMS型散热结构的冷板最大温度为34.7；（2）对集成后的液冷板进行了性能验证，实验测得TPMS散热结构的最高温度为36.4，与仿真误差为4.9%，为后续轻质高效的散热结构形式提供工程实践依据。1Rosa P，Karayiannis T G，Collins M W.Single-phase heattransferinmicrochannels:TheimportanceofscalingeffectsJ.AppliedThermalEngineering，2009，29(17 18):3447 3468.2刘淑振，胡玲珊，程龙宝，等.某宽带雷达数字阵列模块的热设计及仿真分析J.航天制造技术，2021(4)：3539.3陈兴玉，基于TPMS的高性能雷达液冷板散热设计C，第十五届全国雷达学术年会论文集，2020,2583-2586.4朱继宏，周涵；周璐，等.面向增材制造的拓扑优化技术发展现状与未来J.航空制造技术，2020.