CN104729336B - 具有整合式热散播器的模制塑料物件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

实施例是有关于一种模制塑料物件，其包括在该塑料物件内的至少一个蒸汽腔室。一浸润材料与该蒸汽腔室的一内壁的至少一部分接触。位于该蒸汽腔室内的一工作流体经组成以将热自该塑料物件的较暖区域分布至该塑料物件的较冷区域。在一些实施例中，该模制塑料物件为一固体喷墨印刷头的部分或全部。

Description

具有整合式热散播器的模制塑料物件及其制造方法
技术领域
本发明是关于包括整合式热散播器的射出模制塑料物件，以及其制造及使用方法。
背景技术
有用于诸如汽车或消费型电子工业的工业中的制造中的许多物件需要能够将热传导离开物件中的热区域或使热贯穿物件均匀地分布。此情形在塑料物件的至少部分靠近诸如引擎体或携带型计算机中的电池的热源时特别重要。塑料的射出模制提供较低制造成本及较高部分至部分均一性的可能性，因此，其为许多工业所关注的制造制程。然而，由于大多数塑料具有低热导率，故即使当使用传导填充物时，塑料物件在某些应用中的使用亦可受到限制。
固体喷墨印刷头是使用堆栈式金属板或板与塑料层的堆栈而制造。此等印刷头是运用黏着安装式电阻性加热器而保持于该等印刷头中使用的固体墨水的大约相变温度。然而，此等印刷头具有一些热均一性挑战(热梯度)——尤其是对于宽格式(A3纸)外观尺寸。
发明内容
一种用以克服射出模制塑料物件中的低热导率或均一性的方式可为将一较高传导率组件直接地整合至该塑料物件中以促进来自射出模制制程的热的均一散播及耗散。在一个态样中，揭示一种模制塑料物件，其包括在该塑料物件内的至少一个蒸汽腔室。该蒸汽腔室具有一内壁。一浸润材料与该蒸汽腔室的该内壁的至少一部分接触。一工作流体位于该蒸汽腔室内，且经组成以将热自该塑料物件的较暖区域分布至该塑料物件的较冷区域。在一些实施例中，该塑料模制物件为一固体喷墨印刷头的部分或全部。
在另一态样中，揭示一种制造一模制塑料物件的方法，其包括将一熔融聚合物射出至一模具中。该模具包括具有一内壁的至少一个蒸汽腔室。该模具亦包括至少与该蒸汽腔室的该内壁接触的一浸润材料。该所揭示方法亦包括冷却该熔融聚合物以允许该熔融聚合物凝固、自该模具移除该塑料物件，及运用工作流体来填充该蒸汽腔室，该工作流体经组成以将热自该塑料物件的较暖区域分布至该塑料物件的较冷区域。
在另一态样中，揭示一种耗散热的方法，其包括模制一塑料物件，该塑料物件经构型以将热自该塑料物件的较暖区域分布至该塑料物件的较冷区域。该塑料物件包括具有一内壁的至少一个蒸汽腔室。模具亦包括至少与该蒸汽腔室的该内壁接触的一浸润材料，及在该蒸汽腔室、该浸润材料或两者内的一工作流体。该工作流体经组成以将热自该塑料物件的较暖区域分布至该塑料物件的较冷区域。该方法进一步包括将该塑料物件定位成近接于一热源，且接着将热自该热源耗散至该塑料物件。
以上概述不意欲描述本发明的每一所揭示实施例或每一实施方案。诸图及以下详细描述更特定地例示说明性实施例。
附图说明
贯穿本说明书，参看随附图式，其中类似参考数字指定类似组件，且其中：
图1为包括所揭示的整合式热散播器的模制塑料喷墨印刷头的横截面图。
图2为根据本文所揭示的实例实施例的蒸汽腔室热散播器的基本构型的横截面说明。
图3为展示用于制造包括整合式热散播器的模制塑料喷墨印刷头的单射射出模制制程的横截面图。
图4A及图4B为说明用于制造包括整合式热散播器的模制塑料喷墨印刷头的两步骤射出模制制程的横截面示意图。
图5为制造所揭示的塑料模制物件的制程的实施例的流程图。
诸图未必按比例绘制。诸图中使用的类似编号指代类似组件。然而，应理解，使用编号以指代给定图中的组件并不意欲限制另一图中运用相同编号所标注的组件。
具体实施方式
在以下描述中，参看随附图式集合，该等图式形成本发明的描述的部分，且其中作为说明而展示若干特定实施例。应理解，在不脱离本发明的范畴的情况下，预期且可制作其他实施例。因此，不应在限制性意义上理解以下详细描述。
除非另有指示，否则表达本说明书及权利要求中使用的特征大小、数量及物理性质的所有数字应被理解为在所有例子中由术语「约」修饰。因此，除非有相反指示，否则前述说明书及随附权利要求中阐述的数值参数为可取决于由熟习此项技术者利用本文所揭示的教示而设法获得的所要性质而变化的近似值。藉由端点而对数值范围的使用包括在彼范围内的所有数字(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4及5)，及在彼范围内的任何范围。
塑料或聚合物件或零件用于制造中以替换金属。相较于金属零件，塑料物件或零件可被制造得较轻、较不昂贵，且可容易得多地模制或切割成极复杂形状。然而，塑料的可极不同于金属的一个性质为：金属可为极良好热导体且允许热自物件的较暖区域快速地传播至较冷区域，而大多数塑料具有极低热导率系数且在热转移(热散播)方面极低效。存在可归因于塑料零件藉由诸如射出模制、铸造与固化模制及雷射切除的模制技术容易地形成为许多形状的能力而受益于使用塑料零件的许多工业应用。此等应用中的一些可受益于可较易于耗散热或使热贯穿零件散播以便降低零件的温度或缩减温度贯穿零件的非均一性的塑料零件。举例而言，在汽车工业中存在可使用可能在热源附近的塑料零件或能够使用零件来散播热或耗散热(诸如，离开热敏感的电池或其他汽车组件)的应用。另外，在消费型电子工业中存在移动或散播热离开热敏感组件将有益的应用。
一种用以增加塑料的热导率的方式可为将导热粒子添加至塑料。用以使热贯穿塑料物件散播的另一方式可为将诸如传导金属杆或棒的导热组件或其他导热金属性物件模制至塑料零件中。塑料物件的射出模制可产生具有极任意形状的本体的物件。将有用的是开发可以快速方式散播热且达成热均一性的塑料物件。在一个实施例中，塑料喷墨印刷头可被预见为热散播塑料物件可极有用的实例。
术语固体(或相变)喷墨印刷指代使用以固体(常常为蜡状)形式而存在的墨水的一类影像成形制程及/或影像成形器件。固体墨水可在墨水储存及供应器件的墨水装载部分与喷出型墨水递送印刷头之间熔融成液体形式或液相。喷出型墨水递送印刷头可将以熔融/液体形式或熔融相/液相呈现给喷出型墨水递送印刷头的墨水施配至经加热中间转移结构(诸如，中间转移鼓)上或直接地施配至影像接收介质(诸如，纸)的基板上，该影像接收介质亦可能已经被初步地加热以较好地接受熔融墨水。
固体(或相变)喷墨打印机可在墨水被馈入至喷墨印刷头的复杂管道中的前在墨水储存及供应器件的出口端处将固体墨水熔融至液体。接着可使用压电致动印刷头(有时被称作「喷射管(jetstack)」)而自喷嘴喷射呈加热/液体形式或加热相/液相的墨水。印刷头可用以将呈加热/液体形式或加热相/液相的墨水递送至中间转移装置的经加热表面，以供进一步转移至影像接收介质的基板或直接地转移至基板，在该基板处，墨水冷却以在该基板上形成有时显著凸起的经印刷影像。
将需要缩减喷墨印刷头内与模制印刷头相关联的大温度梯度，使得喷墨制程横越印刷头均一。在相较于金属构造提供实质成本缩减的射出模制塑料印刷头的状况下，横越印刷头的面达成诸如小于1℃至3℃的变化的热均一性可归因于射出模制塑料的低热导率而具挑战性。整合式热散播器可提供改良型热均一性及喷墨效能。
本发明描述诸如喷墨印刷头的模制塑料物件，其包括整合式热散播器或热管。整合式热散播器可将热自塑料物件的较暖区域分布至塑料物件的较冷区域，且允许贯穿物件的快速及均一热分布。在此整合式热散播器的情况下，来自射出模制制程的热可被快速地引导离开较热区域或在模制塑料物件内的敏感电子组件周围的区域，且可因此保护该等组件并防止该等组件移出适当位置外。
所揭示的塑料物件包括整合式热散播器，该整合式热散播器具有在塑料物件内的具有内壁的至少一个蒸汽腔室。在一些实施例中，蒸汽腔室的壁可为具有圆形或卵形横截面的管状。在其他实施例中，蒸汽腔室的壁可具有平坦管状横截面。蒸汽腔室可具有壁，该等壁具有连续且闭合的任何形状，只要该形状提供表面以供浸润材料与工作流体的接触即可。蒸汽腔室具有蒸发区段及冷凝区段。蒸发区段可随着其冷却而与模制塑料物件的暖部分进行热接触。冷凝区段可随着其冷却而与模制塑料物件的较冷部分进行热接触。热自冷却模制塑料物件的较暖部分转移至模制塑料物件的较冷部分，藉此使热贯穿物件在模制塑料物件中均一地分布且消除或极大地缩减材料中的热梯度。在一些实施例中，蒸汽腔室可具有冷凝区段，该冷凝区段与诸如模制塑料物件的外表面的散热器或外部散热器接触，该外部散热器与模制塑料物件的外表面进行热接触。
蒸汽腔室包括在其内的浸润材料，该浸润材料与蒸汽腔室的内壁的至少一部分接触。浸润材料可为具有针对工作流体的亲和性的任何多孔材料。在一些实施例中，浸润材料可为具有高表面积的亲水性材料，诸如，具有小网目大小的混合粉末，该亲水性材料可如(例如)美国专利申请公开案第2013/0168052 A1(Meyer，IV等人)中所揭示或藉由与塑料材料及处理兼容的其他相似/类似制程而烧结至蒸汽腔室的内壁。在其他实施例中，浸润材料可为能够吸收工作流体的聚集微纤维，如(例如)美国专利申请公开案第2008/0210407号(Kim等人)中所描述。在又其他实施例中，浸润材料可包括复数个分离信道的支撑支架，该等分离信道允许工作流体的蒸汽通过，如(例如)美国专利申请公开案第201I/0315351号(Meyer，IV等人)中所揭示。浸润材料可为任何热耗散器件，其可与工作流体蒸汽相互作用，且可有助于将热转移至工作流体或自工作流体转移热。其他有用浸润材料被揭示于(例如)美国专利申请公开案第201I/0232877号及第2012/0279687号(两者皆颁予Meyer，IV等人)中。上述参考案的全文是以引用方式并入本文中。在一些实施例中，诸如以商品名NANOSPREADER可购自Celsia Technologies(Miami，FL)的组件的热散播器中的一些或全部组件可作为整合式热散播器或热管系统而有用。
在一些实施例中，浸润材料可为多任务聚合发泡体。多孔发泡体可提供足够浸润作用以允许蒸发及冷凝的热管热力循环完成，使得存在所界定的较冷(冷凝)区段及所界定的较暖(蒸发)区段。在利用的情况下，多孔聚合发泡体可易于整合至模制塑料物件的模制制程中。若多孔聚合发泡体亦射出模制至模制塑料物件的开口中，则模具中诸如电阻性加热导线或电导线的任何插入物可需要锚定于适当位置，如在模制塑料物件的本体的模制中一样。在多孔聚合发泡体浸润材料与用于模制塑料本体的本体的塑料材料之间亦可存在黏着及整合。
图1为包括所揭示的整合式热散播器的模制塑料喷射管(喷墨印刷头)的横截面图。喷墨印刷头100包括射出模制闸110，其允许来自流道120的熔融聚合物射出以形成喷墨印刷头100的本体。喷墨印刷头100具有空腔135，空腔135可含有敏感电子零件，或需要冷却或均一温度的其他零件。用于喷墨印刷头100的模具包括电阻性加热器125、蒸汽腔室140及喷射管板150作为至模具中的插入物。该等插入物可(例如)使用磁铁或热稳定黏着剂而固持于适当位置。连接至蒸汽腔室140的填充通口130在第二射出模制步骤中用以将多孔聚合浸润材料射出至蒸汽腔室140中。蒸发区段包括蒸汽腔室140的近接于电阻性加热器125的区段。冷凝区段包括蒸汽腔室140的远离于电阻性加热器125且紧接于射出模制喷墨印刷头100的边缘或外表面的区段。
图2为根据本文所揭示的实例实施例的蒸汽腔室热散播器的基本构型的横截面说明。热散播器200具有在蒸汽腔室225内部的工作流体。蒸汽腔室225在两个端处且在所有侧上密封。蒸汽腔室225的内壁的至少一部分包括浸润材料230。蒸汽腔室与热源220接触。热源220可为电阻性加热器，或射出模制塑料的内部中正冷却的热区。热源220将热能270提供至蒸汽腔室225中的工作流体。此情形使工作流体汽化，且随着蒸汽260或暖流体而将热传导离开热源220，如由虚线箭头所展示。经加热蒸汽260自热(蒸发区域)源220迁移至冷区域(冷凝区域)240，冷区域(冷凝区域)240可处于射出模制塑料零件的边缘。因此，蒸汽腔室225内的热力蒸发/冷凝循环将热自较暖区域分布至较冷区域。
工作流体可为可在蒸汽腔室内发生相变且藉此将热自模制塑料物件的较暖区域转移至较冷区域的任何流体。通常，工作流体可在所关注的操作温度范围内经历相变，该操作温度范围可为约-20℃至约120℃。在一些实施例中，有用范围可为约30℃至约110℃。有用流体包括但不限于醇类，及在操作范围内具有沸点的其他有机材料。有用工作流体可包括戊烷、丙酮、甲醇、乙醇、庚烷及甲苯。在一些实施例中，水可为工作流体，此是由于水在约100℃下自液体转变至蒸汽。亦有可能藉由引入由(例如)具有高热导率系数的铜或其他金属制成的导热粒子来改良工作流体的热效能。在一些实施例中，导热粒子可为奈米粒子，且可产生所谓「奈米流体(nanofluid)」。
在另一态样中，揭示一种制造模制塑料物件的方法，其包括将熔融聚合物射出至模具中。模具包括具有内壁的至少一个蒸汽腔室，及与该蒸汽腔室的内壁的至少一部分接触的浸润材料。所揭示方法进一步包括冷却熔融聚合物以允许熔融聚合物凝固，且接着自模具移除经凝固聚合物。将工作流体引入至蒸汽腔室中。工作流体经组成以将热自塑料物件的较暖区域分布至塑料物件的较冷区域。在一些实施例中，用于对模制塑料物件进行射出模制的模具可包括用于浸润材料的空腔。
模制塑料物件可使用单射出步骤予以制造，该单射出步骤使用诸如粒子发泡体复合射出模制(PARTICLE-FOAM COMPOSITE INJECTION MOUDING，PCIM)(Augburg GmbH，Lossburg，Germany)的共模制技术。PCIM为将发泡模制零件与聚合组件永久地结合的单射出步骤制程。PCIM被揭示于(例如)欧洲专利第1,299,219号(Ziegler等人)中。在一些实施例中，可如图3所展示而制造模制塑料物件。使用主模空腔330以形成内部具有多孔发泡体粒子的蒸汽腔室。将诸如以下各者的具有相对低处理温度的聚合粒子通过通口335而射出至主模空腔330中以在主模空腔330内部形成多孔发泡体：可膨胀聚乙烯、可膨胀聚丙烯、可膨胀聚胺基甲酸酯，或可膨胀聚苯乙烯。同时，将形成喷墨印刷头300的本体的另一聚合物射出至模具中以形成该印刷头的主体。自流道320通过射出模制闸310而射出此聚合物。用于喷墨印刷头的本体的聚合物是由相较于构成多孔发泡体的粒子具有较高熔融温度的聚合物制成。用于喷墨印刷头的本体的合适聚合物包括但不限于诸如以下各者的聚合物：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚醚酮、聚砜，及在喷墨打印机的操作温度下热稳定的任何易于射出模制塑料聚合物或共聚物。在一些实施例中，聚合物可包括导热填充物以改良塑料的热导率。导热填充物可包括诸如具有高热导率的铜、铝或其他金属及合金的金属性粒子。另外，石墨及其衍生物以及碳奈米管可用作导热填充物。整合式热散播器与具有热导率的塑料的组合可进一步增强所揭示印刷头中的温度均一性。
在所揭示方法的其他实施例中，可根据所揭示方法的实施例进行两步骤制程。图4A及图4B为说明用于制造包括整合式热散播器的模制塑料喷墨印刷头的两步骤射出模制制程的横截面示意图。在图4A所展示的第一处理步骤中，藉由在压力下的射出熔融聚合物通过闸410而形成喷墨印刷头本体400，其中虚设插入物420插入至模具中以保持用于整合式热散播器的组件的插入的空间。在熔融聚合物冷却之后，移除虚设插入物420，且将蒸汽腔室插入物422插入至藉由移除虚设插入物420而空出的空间中。在图4B所展示的第二步骤中，在蒸汽腔室插入物422与最终整合式热散播器的内壁425之间的空间430中对多孔发泡体进行射出模制。多孔发泡体形成与蒸汽腔室的内壁425的至少一部分接触的浸润材料。在使用此两步骤制程的情况下，可使用诸如聚砜的较高温度聚合物以产生喷墨印刷头。在一个实施例中，可使用反应性射出模制以产生浸润材料，特别是当浸润材料为聚合发泡体时。
在上文所描述及图3中用图解表示的单射制程或上文所描述及图4A及图4B中说明的双射制程之后，可将真空施加至蒸汽腔室，且可将在所关注的操作温度范围内经历相变的工作流体射出至蒸汽腔室中。在一些实施例中，工作流体可为饱和蒸气。蒸汽腔室需要可使用在压缩下的橡胶或弹性体栓塞而进行的快速密封，该橡胶或弹性体栓塞可膨胀以填充工作流体被射出所通过的通口。栓塞可接着黏着地密封于适当位置。
图5为制造所揭示的塑料模制物件的制程的实施例的流程图。所揭示制程包括将熔融聚合物射出至含有蒸汽腔室及浸润材料的模具中(501)。接着，冷却熔融聚合物以允许熔融聚合物凝固(502)。自模具移除经凝固聚合物(503)。接着将真空施加至蒸汽腔室(504)。将工作流体引入至蒸汽腔室中(505)，且接着在压缩下密封蒸汽腔室(506)。
亦揭示一种耗散热的方法，其包括模制塑料物件，该塑料物件经构型以将热自塑料物件的较暖区域分布至塑料物件的较冷区域。塑料物件包括具有内壁的在塑料物件内的至少一个蒸汽腔室、与蒸汽腔室的内壁的至少一部分接触的浸润材料，及在蒸汽腔室、浸润材料或两者内的工作流体。工作流体经组成成以快速方式将热自塑料物件的较暖区域分布至塑料物件的较冷区域。方法进一步包括将塑料物件定位成近接于诸如汽车引擎体、电子装置中的电子热源的热源，或(例如)定位于喷墨印刷头中。方法亦包括将热自热源耗散至塑料物件。可接着使热贯穿塑料物件均一地分布，或可将热转移至亦近接于塑料物件的另一部分的散热器。
尽管本文已说明及描述特定实施例，但一般熟习此项技术者将了解，在不脱离本发明的范畴的情况下，多种替代及/或等效实施方案可取代所展示及描述的特定实施例。本申请案意欲涵盖本文所论述的特定实施例的任何调适或变化。因此，希望本发明仅受到权利要求及其等效者限制。

Claims (7)

1.一种包含一射出模制聚合材料的模制塑料物件，所述模制塑料物件包含:
在该塑料物件内的至少一蒸汽腔室，其具有一内壁；
一浸润材料，其与该蒸汽腔室的该内壁的至少一部分接触；以及
在该蒸汽腔室内的一工作流体，该工作流体、该浸润材料或两者构造成以将热自该塑料物件的较暖区域分布至该塑料物件的较冷区域，其中，该模制塑料物件是固体相变喷墨印刷头，用于墨水从固体相变成液体相。
2.根据权利要求1的模制塑料物件，其中该浸润材料包含一聚合发泡体。
3.根据权利要求1的模制塑料物件，其中该工作流体经历一相变。
4.根据权利要求3的模制塑料物件，其中该工作流体在-20°C至120°C的温度范围内经历一相变。
5.根据权利要求1的模制塑料物件，其中该射出模制聚合材料包含导热填充物。
6.根据权利要求1的模制塑料物件，其中该工作流体包含导热粒子。
7.根据权利要求1的模制塑料物件，其中该工作流体包括水。
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