CN105436504B - 一种基于金属快速成型工艺的薄壁密封液冷通道 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及液冷散热技术领域，本发明公开了一种基于金属快速成型工艺的薄壁密封液冷通道，所述液冷通道采用金属快速成型工艺制备，液冷通道的截面为直线与弧线连接形成的环形结构，环形结构沿金属堆积方向为圆角矩形；液冷通道的顶部为平面，其平面通过两个弧形与液冷通道的其余壁相连接。通过将液冷通道的顶部设置为平面，避免了圆弧顶点的出现，同时该平面通过两个弧形与液冷通道的其余壁相连接，也保持了截面较为优良的力学特性。因为采用该结构，使得最小金属壁厚可以降至0.5‑0.6mm。

Description

一种基于金属快速成型工艺的薄壁密封液冷通道
技术领域
本发明涉及液冷散热技术，具体是一种基于金属快速成型工艺的薄壁密封液冷通道，可得到最薄的密封壁厚。
背景技术
液冷散热是电子行业对高发热电子芯片的常用冷却方式。其原理是在电子芯片安装板（同时起冷却作用，又称冷板）的内部设置液冷通道，通入冷却液，利用冷却液将电子芯片产生的热量带走，从而给电子芯片散热降温。
提高液冷散热效率的一种有效途径，是尽量缩短发热芯片与冷却液间的传热距离，即如图1所示，尽量减薄液冷通道的顶板壁厚（图中尺寸H），从而减少传热温差。含有液冷通道的冷板的传统设计方法，是将冷板分为上下两个部分分别加工，然后再焊接一体。其中含液冷通道的部分，其加工方法，包括线切割、铣加工、电火花加工等工艺。这类工艺中，由于加工方式、加工工艺等限制，仅能加工简单截面形状的液冷通道，然后再与另一部分焊接一体。基于焊接密封可靠性和焊缝承受冷却液压力的考虑，一般情况下液冷通道顶板厚度不小于1mm，且各液冷通道间距不低于2mm。
快速成型技术，自上世纪80年代诞生以来不断发展，近年来基于金属材料的快速成型技术已具有一定的技术成熟度，其已广泛用于电子、航空航天、特种制造等行业，利用快速成型工艺制造各种含液冷通道的电子芯片安装板（冷板）也屡见不鲜，基于快速成型工艺来设计电子芯片冷板，无须将冷板分为两个部分分别加工，也省却了焊接这道工序，属于一次成型工艺，因而获得越来越多的关注。
通常，受到快速成型工艺的约束，制作的液冷通道在堆积成型方向上通道顶部的顶板壁厚至少要达到3-4mm，否则极易产生渗漏孔隙和空穴，造成液冷通道密封失效。而过厚的顶板壁厚对散热效率的负面影响很大。
发明内容
针对现有技术中的顶板壁厚厚度至少在3-4mm，导致对散热效率的负面影响很大的技术问题，本发明公开了一种基于金属快速成型工艺的薄壁密封液冷通道。
本发明的技术方案如下
本发明公开了一种基于金属快速成型工艺的薄壁密封液冷通道，所述液冷通道采用金属快速成型工艺制备，液冷通道的截面为直线与弧线连接形成的环形结构，环形结构沿金属堆积方向为圆角矩形；液冷通道的顶部为平面，其平面通过两个弧形与液冷通道的其余壁相连接。通过将液冷通道的顶部设置为平面，避免了圆弧顶点的出现，同时该平面通过两个弧形与液冷通道的其余壁相连接，也保持了截面较为优良的力学特性。因为采用该结构，使得最小金属壁厚可以降至0.5-0.6mm。
更进一步地，连接顶部平面的两个弧形的半径相等。当然半径也可以不相等。
更进一步地，弧形与各直线平面采取平滑方式进行过渡。采用平滑过渡可以避免圆弧曲率与直线交叉所形成的硬过渡交点，从而避免在快速成型加工过程中对硬交点处反复激光烧结，使得烧结处反复熔融，破坏原始成型结构。
更进一步地，连接顶部平面的两个弧形的半径R1、R2取值在0.1mm-3mm之间，弧顶平面长度取值在0.1mm-1mm之间。特别的，在两个弧形的半径R1、R2取值在0.1mm-2.9mm，弧顶平面长度取值在0.1mm-0.9mm之间，产品的一次成品率较高。
通过采用以上的技术方案，本发明的有益效果为：大幅降低基于金属快速成型工艺制造的密封液冷通道所需金属壁厚度，最小金属壁厚由3mm-4mm降至0.5-0.6mm，从而提高液冷通道散热能力。
附图说明
图1为液冷散热原理示意图。
图2 为金属快速成型工艺流程。
图3为不同流道截面形状的冷板结构示意图。
图4 为金属快速成型工艺示意图。
图5为基于金属快速成型工艺的薄壁密封液冷通道的设计方法示意图。
图6 -图8为a、b、c三种不同截面形状的方案示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图，详细说明本发明的具体实施方式。
本发明公开了一种基于金属快速成型工艺的薄壁密封液冷通道，其原理图如图1所示。
金属快速成型工艺制造液冷通道流程如图2所示。快速成型加工工艺采用激光分层烧结金属粉末并堆叠的方式制造零件。其原理如图2所示，在金属粉末中利用激光发射器发射激光熔融需要成型部分的粉末，粉末熔融后再冷却即完成了由粉末向固体的烧结转变。对于待加工的零件，一定宽度的激光束首先沿图2中的“1”方向扫过需要烧结粉末，完成粉末固化流程。然后激光发射器沿“2”方向移动一个激光束宽度，再次沿“1”方向扫过需要烧结的粉末。如此循环，重复以上交错扫掠烧结的过程，直至完成该层所有需要粉末固化的区域。
完成一层平面所有加工后，加工设备会沿如图2所示的“3”方向再次均匀铺满一定厚度的新的金属粉末层，然后重复图2所示过程，加工该平面需要烧结的区域。该过程不断反复，直至零件加工完成。
由于冷板类产品内部设计有通液流道，需要通流具有一定压力的冷却液，因此通液流道也是一种压力管道。一般来讲，圆形截面或者类圆形截面是压力管道力学最优截面形状，如图3所示。承受一定压力的通液流道理论上设计为圆形截面或者类圆形截面时壁厚最薄。
液冷流道为圆形截面或者类圆形截面的冷板，在快速成型制造过程中，大部分流程与图2所示流程一致。当制造进行到如图4所示粉末层，即需要制造圆弧截面顶点层时，加工方式有一定改变。对于流道圆弧顶点所形成的线状路径，根据金属快速成型工艺规范要求，加工设备会自动识别该路径，激光束会沿图4中“4”方向进行“Z”字型的加强烧结，再次固化该区域，确保顶点所形成的线状路径的金属粉末充分烧结。当液冷通道顶板壁厚较薄时，由于激光束在每一个堆积层反复沿“4”方向烧结圆弧顶点所形成的线状路径，会造成该区域反复熔融-凝固-熔融-凝固，形成孔隙或者裂纹，使得液冷通道泄露无法密封。因此，继续堆叠粉末层，直至液冷通道顶板厚度达到约3-4mm后，激光束的能量不足以熔融穿透较厚的金属固体，或者沿厚度方向无法形成贯穿的空隙、裂纹时，液冷管道才可达到密封状态。
通过本专利所述设计方法设计密封液冷通道截面形状，在利用金属快速成型技术制造液冷通道时可以大幅减少通道金属壁厚。
基于金属快速成型加工的薄壁密封通道的设计方法，其特点是使得液冷通道的截面既保证为类圆形，使其具有优良的力学特性，又可以避免出现半圆弧型的顶部结构，使其在制造过程中避免出现圆弧顶点所形成的需要“Z”型路线烧结的路径。
专利所述的结构如图5所示，在沿金属堆积方向的液冷通道顶部设计为圆角矩形形状，圆弧与各直线平面采取平滑方式进行过渡。这种设计将圆弧型顶部改为了类圆形顶，避免了圆弧顶点的出现，同时也保持了截面较为优良的力学特性。根据金属快速成型工艺的要求，在垂直于地平面的平面内，圆形孔洞截面特征的直径不能大于6mm。在平行与地平面的平面内，悬臂结构的悬臂长度（如图4中“l”特征）不能超过1mm。因此图5中圆角半径R1、R2及弧顶平面长度l均有限制。圆角半径R1、R2取值需在0.1mm-3mm之间（R1、R2取值可以不相等），弧顶平面长度l取值在0.1mm-1mm之间。
本专利方法支持内部液冷通道的宽度在0.5mm-7mm之间的冷板设计及制造，可以保持顶板厚度不小于0.5mm的密封,成品率约为95%以上。
为解决某电子芯片散热问题，分别设计有图6-图8a、b、c三种不同截面形状方案的基于金属快速成型工艺的薄壁密封液冷通道。其中方案a采用本专利设计方法设计液冷通道顶部，方案b液冷通道顶部设计为半圆形，方案c液冷通道顶部设计为矩形。通过金属快速成型工艺制造3类样件并检测不同通道顶部厚度条件下液冷通道的密封性。a、b、c三种液冷通道在密封条件下顶部最薄壁厚分别记为Ha、Hb、Hc。
由于方案b为半圆形，其弧顶会形成需要“Z”字型烧结区域，因此需要较厚的顶板壁后才能制成密封液冷通道。方案c由于悬臂结构长度超过1mm，超出工艺许可，因此其不能被成功制造。依据本专利方法设计的方案a，可以制造出极薄壁液冷通道。经过试制，满足密封要求的顶部最小壁厚对比如下：
分别对试制成功的方案a、b两种冷板进行散热性能测试。对两种方案的冷板采用相同方法各安装一个同种发热芯片，并施加20w的热功率。同时两种方案的冷板中均同时通入温度为25℃，流量为0.5l/min的冷却水，测试发热芯片壳体温度，测试结果对比如下：
冷板方案 a b
电子芯片壳体温度（℃） 45.5 62.2
由此可见，采用专利所主张的基于金属快速成型工艺的薄壁密封液冷通道的设计方法得到最薄的密封壁厚，与其他设计方式对比具有巨大优势。同时薄壁液冷通道冷板在散热性能上有明显优势。
上述的实施例中所给出的系数和参数，是提供给本领域的技术人员来实现或使用发明的，发明并不限定仅取前述公开的数值，在不脱离发明的思想的情况下，本领域的技术人员可以对上述实施例作出种种修改或调整，因而发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (5)

1.一种基于金属快速成型工艺的薄壁密封液冷通道，其特征在于所述液冷通道采用金属快速成型工艺制备，液冷通道的截面为直线与弧线连接形成的环形结构，环形结构沿金属堆积方向为圆角矩形；液冷通道的顶部为平面，其平面通过两个弧形与液冷通道的其余壁相连接。
2.如权利要求1所述的基于金属快速成型工艺的薄壁密封液冷通道，其特征在于连接顶部平面的两个弧形的半径相等。
3.如权利要求1所述的基于金属快速成型工艺的薄壁密封液冷通道，其特征在于连接顶部平面的两个弧形的半径不相等。
4.如权利要求1所述的基于金属快速成型工艺的薄壁密封液冷通道，其特征在于弧形与各直线平面采取平滑方式进行过渡。
5.如权利要求1所述的基于金属快速成型工艺的薄壁密封液冷通道，其特征在于连接顶部平面的两个弧形的半径R1、R2取值在0.1mm-3mm之间，弧顶平面长度取值在0.1mm-1mm之间。
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