CN109612316A - 薄壁均温板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种均温板及其制造方法，所述均温板包括耐压壳体和传热工质；所述壳体由上基板(1)和下基板(2)构成；基板设置有工质槽(3)、毛细芯(4)和加强柱模块(5)；上基板(1)和下基板(2)经焊接构成密闭的工质腔；所述传热工质充装在所述工质腔中。均温板制造方法包括加强柱分布计算步骤、基板制备步骤、毛细芯制备步骤、基板焊接步骤、传热工质填充步骤、充装口钳封步骤以及精加工步骤。本发明可实现薄型高传热性能均温板制造，在安装空间狭窄的大功率元器件散热领域应用有较大的优势。

Description

薄壁均温板及其制造方法

技术领域

本发明涉及航天器热控领域，具体地，涉及一种薄壁均温板及其制造方法，其中所述薄壁均温板是指厚度范围为4-20mm的均温板。

背景技术

随着航天器研制技术的不断发展，各类高性能电子元器件不断在各类系统中得到广发应用。这类电子元器件功率大，体积小，具备较大的热流密度，且所处位置空间狭小，热控设计难度巨大。在航天器热控领域，薄壁均温板是解决该类元器件散热问题的理想热控产品。

均温板(或称平板热管)技术是基于真空腔均热技术(Vapor Chamber)发展的一类热量均散技术，能够实现高密度热流的快速扩散，将较高复杂程度的高热流密度问题转化为能够实现的控温问题。

如专利文献CN108317880A公开的一种均温板，包括基材和连接在基材的设置有毛细结构的端面上的盖板，所述基材的一端面设置有毛细结构，所述毛细结构呈弓形槽体状；所述盖板和基材共同形成容置腔，所述容置腔内注有工作流体。本发明采用弓形槽体状的毛细结构，提高了毛细结构的毛细力，并提高了冷凝后的工作流体的回流速度，提高了散热效果，且适用范围广。

但类似上述传统的均温板在航天器热控领域的应用存在着性能不足的问题，尤其是内压承受能力和外应力承受能力，往往不能满足需求，因此提供一种适用于航天器热控领域的均温板具有较高的必要性和现实价值。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种均温板及其制造方法。

根据本发明提供的一种均温板，包括耐压壳体和传热工质；所述传热工质设置在耐压壳体内部；所述耐压壳体包括上基板和下基板这两者，两者合围形成设置传热工质的空间。

优选地，所述上基板和下基板结构对称，均包括工质槽、毛细芯以及加强柱模块；上基板和下基板合围后，两侧工质槽对接形成密封的工质腔；毛细芯设置在工质槽上；加强柱模块设置在工质腔内。

优选地，所述毛细芯平铺在工质槽底部，厚度不大于工质槽深度的2/3。

优选地，毛细芯包括金属粉末烧结。

优选地，所述上基板和下基板均采用铝合金制成。

优选地，所述传热工质为氨和/或丙酮。

根据本发明提供的一种均温板制造方法，用于制造上述的均温板，包括：

加强柱分布计算步骤：采用有限元模拟计算方法，计算得到最优加强柱分布参数；

基板制备步骤：根据最优加强柱分布参数，采用机加工的方法制备带有工质槽和预留充装口的基板；

毛细芯制备步骤：采用烧结工艺，在基板上烧结毛细芯；

基板焊接步骤：采用真空钎焊和/或真空扩散焊法，完成上基板和下基板的焊接；

传热工质填充步骤：使用专用的充装设备，将设定量的传热工质通过预留充装口充入焊接完成的耐压壳体中；

充装口钳封步骤：将充装口以封口钳钳断，在封口钳压力作用下，毛细管钳断处自行冷焊封口，以钎焊封焊加固；

精加工步骤：采用机加工和钳工方式，完成均温板余量去除和整形工作。

优选地，所述毛细芯制备步骤中，采用粉末烧结或激光烧结工艺，直接在基板上烧结形成毛细芯。

优选地，所述精加工步骤中的余量去除和整形工作，包括通过修整使得加强柱模块能够有效接触，其中所述有效接触是指加强柱模块高度差低至在焊接过程中施压后，两侧耐压壳体与所有加强柱间均不存在间隙。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的均温板具有结构简单，性能可靠，制造方便的优点；

2、兼具轻薄和高传热特性，本发明提供的耐压壳体通过合理的工质腔和加强结构设计，可使用在航天器常温下工作性能最好的氨作为传热工质，具备较高的传热性能，在航天器狭窄空间内高密度传热元件散热领域应用，有巨大的优势；

3、优秀的安装适应性，本发明提供的耐压壳体在具备较好的内压承受能力的同时，对外应力有较好的承受能力，对散热面安装孔设计有较好的兼容性，可根据设计需要在产品任意位置设计安装孔，具备良好的安装适应性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的均温板的原理示意图；

图2为本发明提供的均温板设有15个安装孔的优选应用平面结构示意图；

图3为本发明提供的均温板的剖视示意图。

图中示出：

上基板1

下基板2

工质腔3

毛细芯4

加强柱模块5

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的一种均温板，包括耐压壳体和传热工质；所述传热工质设置在耐压壳体内部；所述耐压壳体包括上基板1和下基板2这两者，两者合围形成设置传热工质的空间。

优选地，所述上基板1和下基板2结构对称，均包括工质槽、毛细芯4以及加强柱模块5；上基板1和下基板2合围后，两侧工质槽对接形成密封的工质腔3；毛细芯4设置在工质槽上；加强柱模块5设置在工质腔3内。所述毛细芯4平铺在工质槽底部，厚度不大于工质槽深度的2/3。毛细芯4包括金属粉末烧结。所述上基板1和下基板2均采用铝合金制成。所述传热工质为氨和/或丙酮。

根据本发明提供的一种均温板制造方法，用于制造上述的均温板，包括：

加强柱分布计算步骤：采用有限元模拟计算方法，计算得到最优加强柱分布参数；

基板制备步骤：根据最优加强柱分布参数，采用机加工的方法制备带有工质槽和预留充装口的基板；

毛细芯制备步骤：采用烧结工艺，在基板上烧结毛细芯4；

基板焊接步骤：采用真空钎焊和/或真空扩散焊法，完成上基板1和下基板2的焊接；

传热工质填充步骤：使用专用的充装设备，将设定量的传热工质通过预留充装口充入焊接完成的耐压壳体中；

充装口钳封步骤：将充装口以封口钳钳断，在封口钳压力作用下，毛细管钳断处自行冷焊封口，以钎焊封焊加固；

精加工步骤：采用机加工和钳工方式，完成均温板余量去除和整形工作。

具体地，所述毛细芯制备步骤中，采用粉末烧结或激光烧结工艺，直接在基板上烧结形成毛细芯。所述精加工步骤中的余量去除和整形工作，包括通过修整使得加强柱模块5能够有效接触，其中所述有效接触是指加强柱模块5高度差低至在焊接过程中施压后，两侧耐压壳体与所有加强柱间均不存在间隙。

进一步地，本发明通过合理的结构设计，能够在有限的厚度方向提供气液两相循环空间，能够承受较高的的内压，能够保证其结构强度，从而能够将均温板制作成4mm左右的超薄结构，能够制作400mm×400mm的大尺寸均温面，能够使用氨作为传热工质，提供一种狭窄空间内高热流密度散热的解决方案。本发明优选例提供的均温板，包括耐压壳体和传热工质。所述耐压壳体为构型相同的上基板1和下基板2焊接而成，上下基板外缘连接形成密闭的工质腔3，腔内加强柱模块5连接保证壳体承压能力。壳体上根据安装需求预留安装孔位。工质腔3上下表面均设有毛细芯4。所述耐压壳体将焊接面设置在应力较小的加强柱模块5中间层；从保证较大有效焊接面角度出发，将加强柱模块5中的加强柱形状设计为圆形截面柱。所述毛细芯4为铝基多孔烧结金属材料，通过粉末烧结技术在基板上直接烧结而成，与基板连接紧密，具备良好的毛细效应。所述耐压壳体加强结构经过精密修整，加强柱均能有效接触，焊接面有效焊合率不低于90％，焊接强度不低于母材强度的75％。所述耐压壳体采用6063或6061铝合金材质。所述传热工质采用氨或丙酮。所述耐压壳体采用真空钎焊连接。

更进一步地，本发明针对该应用领域轻薄化、高传热性能和由此带来的高承压性能要求，耐压壳体采用6063铝合金材质，采用真空钎焊连接，焊接后经过T6热处理，保证耐压壳体材料具备较高的屈服强度；毛细芯4采用烧结铝材料，采用粉末烧结技术在基板上直接烧结；针对航天器工作温区性能最佳的氨工质高饱和蒸汽压的特点，本发明在工质腔3内设计点阵分布的圆柱形加强柱，保证耐压性能；本发明耐压壳体设计对安装孔设置具有良好的兼容性，可在安装面任意位置设置安装孔。

如图2所示，本发明优选例的某散热板剖面示意图，主要包括耐压壳体和传热工质。所述耐压壳体经过仿真计算，得出在最高使用温度下氨工质饱和蒸汽压作用下不同加强柱直径/间距对应的应力分布情况，结合试验数据，确定最佳加强柱模块5结构参数。所述耐压壳体有上下基板构成，基板结构包括加强柱模块5结构和安装孔结构，均为一体机加工成型，为了保证焊接过程中基板不变形，基板底板预留2mm余量，加强柱高度预留0.2mm余量。所述毛细芯4采用烧结铝材料，采用粉末烧结技术在基板上直接烧结成型，成型后经过机加工修整，保证气腔高度。所述耐压壳体上下基板采用真空钎焊焊连接，焊接前，加强柱高度和基板边缘高度经精密测量修正，保证紧密接触，去除加工余量。焊接温度为520～550℃，焊接过程中真空室真空度优于3×10^-3Pa，保温结束后保持真空状态冷却至室温后方可回压。所述耐压壳体焊接后经氦质谱检漏和X射线探伤，保证结构气密性优于1*10^-8Pa·m³/s，保证有效焊合率不低于90％，产品无结构损伤。所述耐压壳体通过预留接口焊接充液管，使用专用工质充装设备真空充装高纯氨介质，并完成封焊。所述散热板经机加工去除加工余量，保证产品尺寸和平面度。所述散热板经过耐压试验和传热试验检验，保证产品性能满足设计要求。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种均温板，其特征在于，包括耐压壳体和传热工质；所述传热工质设置在耐压壳体内部；所述耐压壳体包括上基板(1)和下基板(2)这两者，两者合围形成设置传热工质的空间。

2.根据权利要求1所述的均温板，其特征在于，所述上基板(1)和下基板(2)结构对称，均包括工质槽、毛细芯(4)以及加强柱模块(5)；上基板(1)和下基板(2)合围后，两侧工质槽对接形成密封的工质腔(3)；毛细芯(4)设置在工质槽上；加强柱模块(5)设置在工质腔(3)内。

3.根据权利要求2所述的均温板，其特征在于，所述毛细芯(4)平铺在工质槽底部，厚度不大于工质槽深度的2/3。

4.根据权利要求3所述的均温板，其特征在于，毛细芯(4)包括金属粉末烧结。

5.根据权利要求3所述的均温板，其特征在于，所述上基板(1)和下基板(2)均采用铝合金制成。

6.根据权利要求3所述的均温板，其特征在于，所述传热工质为氨和/或丙酮。

7.一种均温板制造方法，用于制造权利要求1至6中任一项所述的均温板，其特征在于，包括：

加强柱分布计算步骤：采用有限元模拟计算方法，计算得到最优加强柱分布参数；

基板制备步骤：根据最优加强柱分布参数，采用机加工的方法制备带有工质槽和预留充装口的基板；

毛细芯制备步骤：采用烧结工艺，在基板上烧结毛细芯(4)；

基板焊接步骤：采用真空钎焊和/或真空扩散焊法，完成上基板(1)和下基板(2)的焊接；

传热工质填充步骤：使用专用的充装设备，将设定量的传热工质通过预留充装口充入焊接完成的耐压壳体中；

充装口钳封步骤：将充装口以封口钳钳断，在封口钳压力作用下，毛细管钳断处自行冷焊封口，以钎焊封焊加固；

精加工步骤：采用机加工和钳工方式，完成均温板余量去除和整形工作。

8.根据权利要求7所述的均温板制造方法，其特征在于，所述毛细芯制备步骤中，采用粉末烧结或激光烧结工艺，直接在基板上烧结形成毛细芯。

9.根据权利要求7所述的均温板制造方法，其特征在于，所述精加工步骤中的余量去除和整形工作，包括通过修整使得加强柱模块(5)能够有效接触，其中所述有效接触是指加强柱模块(5)高度差低至在焊接过程中施压后，两侧耐压壳体与所有加强柱间均不存在间隙。