CN110165355A - 一种3d打印一体化散热器及其在相控阵天线的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及散热领域，具体是指一种微通道散热器、一体化制造及其在控阵天线的应用，本发明采用3D打印制造散热器，通过分布渐变的流体通道、分别设置于流通道最大最小一端的注液口、出液口，使冷却液均匀地通过整个流体通道，使用时散热器的最高温度为298K，最低温度为295K，散热后的温差为3℃，与单纯流道结构相比，散热能力更强，散热后的温度分布更均匀，具有散热性、均温性好、一次成型无需使用螺母密封圈等进行封装的特点。

Description

一种3D打印一体化散热器及其在相控阵天线的应用

技术领域

本发明涉及散热领域，具体是指一种散热器、一种散热器制造方法及一种用于控阵天线微通道的散热装置。

背景技术

随着电子系统向着小型化、集成化的方向发展，应运而生了集成多功能电子系统与器件。随着各种原器件的集成度的提高，封装密度越来越小，电子系统的热流密度急剧增加，需要小体积、轻量化与高效散热的电子系统，现有的电子设备的主板与冷却系统是分开的，传统的风冷技术已经无法满足高热流密度器件的散热需求，高效的液冷技术既能满足微小器件电信号功能要求，又能满足电子系统的散热性能需求，在众多的散热技术中脱颖而出，该技术能够大幅度的提高设备的冷却能力，满足电子设备日益增长的冷却需求。

目前针对相控阵雷达天线的散热方法，多采用风冷散热，采用微通道水冷散热的相关研究均仅限于理论与实验阶段，相关研究都是将发热器件的主板与微通道冷板分开独立研究进行实验的，且并没有普及实用化，在热源和冷板之间存在界面热阻，且占用空间较大，3D打印技术在冷板一体化制造方面具有可行性，即提升器件集成度，又可减轻重量，提高了系统散热性能，同时具有较高的经济效益。

3D打印技术即增材制造，利用塑料、高分子材料、金属、陶瓷或树脂等材料，来完成实物产品的加工打印。相比于传统机械加工与制造，3D打印有着轻量化、理成本、高效率与一体性高等优点，可以根据不同客户的需求进行复杂工艺产品的设计和加工。近年来，3D打印技术在航空航天、医疗器械等领域均有大量的应用。

3D打印技术可以实现结构与功能一体化制造，由于实现了器件继承与多功能、低成本、重量轻、快速制造等，近年来成为研究热点，尤其在先进制造、集成电子系统、航空航天制造等方向。与传统的材料加工技术相比，3D打印技术可以使用数字化文件借助网络进行传递实现异地分散化制造的制造模式；可以使三维结构的物体先分解成二维层状结构，逐层累加形成三维物品，原理上可以制造出任何复杂结构，根本上解决了传统制造受制于磨具的缺陷；可以利用“由上而下”的堆积方式，对于实现非匀质材料、功能梯度的器件更有优势；有利于小规模生产和个性化定制；能够实现设计及生产，满足市场需求。3D打印技术可以直接成型出接近完全致密度、力学性能良好的金属零件。

目前大多数相控阵天线的散热属于风冷散热，这种散热器的散热效果不理想。随着功率密度的增加，具有更高散热能力的液冷系统有着广泛应用前景。当前关于相控阵天线应用的3D打印微通道换热器仅考虑冷却结构设计与加工，均不包含T/R组件等的安装孔电路位置，如CN201710845268。

在水冷散热方面，CN201420786261.6公开了一种水冷散热板、水冷散热组件和包括该水冷散热组件的设备，水冷散热板包括：本体、进水部和出水部，其中：所述本体具有第一表面和第二表面，所述第一表面用于设置待冷却器件，以使所述待冷却器件降温；所述第二表面分布有若干凸起部，各所述凸起部之间的间隙形成水道，所述进水部通过所述水道与所述出水部流体连通。该专利通过凸起部形成水道进行水冷换热，但是未考虑换热流体在入口处流量较大，压降增大后并使换热流体在后续的流程中流速降低，流速降低的换热流体无法充分与换热容器内部接触，造成换热容器内部存在较大的“换热死体积”，同时在流体行程后半段换热流体温度升高，在温度较高、流速降低、存在“换热死体积”的情况下，使整个换热装置热交换极不均匀，毫无任何换热均温性效果。

CN200820115950.9公开了一种铝制通路式水冷散热板，该水冷散热板在其内部加工有连续折弯的水道，并设有相应的进水口和出水口，如上述对比文件一样，仅考虑水冷换热，未考虑换热均温性能。CN201110233964.7一种水冷散热板及其制作方法、CN201410498527.1一种复合水冷板、CN201621128400.1一种新型水冷散热板也均存在该缺陷。

因此，在结构轻量化、小型化的前提下，为满足电子工业发展的需要而设计的结构紧凑、轻巧、高效、均温的微通道冷板，是同时满足耐压性、耐久性和系统安全性的必然选择。

发明内容

基于以上问题，本发明提供了一种散热器、制造散热器的方法及用于控阵天线微通道散热装置。

本发明的第一目的在于提供一种散热性能及均温效果好的散热器。

本发明的第二目的在于提供一种制造该散热器的方法。

发明人的第三目的在于提供一种用于控阵天线微通道散热装置。

为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种散热器，包括用于与热源进行换热传导的热交换容器，以及用于热交换液体流入及流出热交换容器的注液口、出液口，热交换容器内部设有逐渐增大用于减小流体压降并进行热交换的流通通道，注液口位于热交换容器内流通通道最大的一端，出液口位于热交换容器内流通通道最小的一端。

作为一种优选的方式，热交换容器为互相组合形成密闭空间的冷板及盖板，流通通道为设于冷板与盖板密闭空间内多排间距依次变化的阵列型隔板而形成的多孔结构。

作为一种优选的方式，流通通道为多排间距依次增大的阵列型隔板形成的多孔结构，注液口位于热交换容器内隔板间距最大的一端，出液口位于热交换容器内隔板间距最大的一端。

作为一种优选的方式，多排隔板间设置有多个热交换单元，多个热交换单元设置于隔板间断处。

作为一种优选的方式，热交换单元包括设于热交换容器密闭空间内的支撑柱，支撑柱内设有与热交换容器内部密闭空间隔绝的导线孔，导线孔连通热交换容器外部空间用于引导热源穿入进行热交换。

作为一种优选的方式，冷板及盖板上设有与导线孔相对且连通的通孔。

作为一种优选的方式，支撑柱为六角形，有利于承受压力载荷。

作为一种优选的方式，注液口及出液口呈对角设置在冷板上。

作为一种优选的方式，注液口及出液口呈对角设置在盖板上。

作为一种优选的方式，冷板的底面两侧设有安装孔。

作为一种优选的方式，冷板的两侧设有起固定作用的滑槽。

一种散热器制造方法，用3D打印技术制造该散热器。

一种用于控阵天线微通道的散热装置，包括上述散热器，还包括循环液体冷却器、泵、连接管道。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明散热结构的微通道冷板中每列热源对应的位置旁都设置有隔板，该隔板共有五列，且每一列隔板的均属于阵列型隔板，隔板整体上呈离散型分布，距离注液口较近的隔板的间隔较大，间隔数少，六列隔板间隔逐渐减小，间隔数逐渐增加，由于在注液口处的流量大，为降低压降，将隔板的间隔增大，有助于液体的通过，降低压降，出口处的隔板间距小，隔板数大，该结构使冷却液更加均匀地通过整个微通道冷板，与单纯流道结构相比，散热能力更强，散热后的温度分布更均匀，现采用25个1.5W的芯片作为相控阵天线热源，在冷却液流速为0.5m/s时进行散热处理，由仿真后的温度云图可以看出散热器的最高温度为298K，最低温度为295K，散热后的温差为3℃，该结构具有良好的散热性能和均温性；

(2)本发明散热结构的微通道冷板中的隔板上都设置有双层阵列型分布的圆柱体通孔，采用多孔结构作为微通道冷板的一部分结构可以提高换热系数，增加冷却液与热源的接触面，对压力脉动可以有效抑制，热阻较小，冷却液在微通道冷板中能够最大限度的流通每个位置，增强的散热能力，同时，在微通道冷板中设置六面体支撑柱，一方面增加了冷板的承受压力，另一方面作为预留导线孔，线缆可通过该孔进而进行充分接触提高散热效率；

(3)本发明使用3D打印技术对散热结构、盖板、安装孔等一次成型，冷板总厚度小，实现超薄微通道换热器的加工与高效散热，通过改善微结构设计，并结合SLM成形技术实现了封闭腔内部结构的3D打印制造。该技术能够完成这种带有多隔板、多孔结构的内部腔体微小通道超薄冷板的加工，也能够很好地解决流道的密封性，实现了复杂结构封闭腔的制造功能，包含安装结构、注、出液口的多隔板、多孔结构微通道散热器的整体制造。

附图说明

图1为本发明实施例2的外部结构示意图。

图2为本发明实施例2的内部结构示意图。

图3为本发明实施例2的内部俯视图。

图4为本发明实施例2的温度云图。

图5为本发明实施例3的内部结构示意图。

图6为本发明实施例6的装置连接示意图。

其中，Ⅰ热源，Ⅱ散热器，Ⅲ循环液体冷却器，Ⅳ泵，Ⅴ连接管道，1冷板，2盖板，3支撑柱，4导线孔，5多孔结构，6隔板，7注液口，8出液口，9安装孔，10滑槽，11天线安装位置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例1：

一种散热器，包括用于与热源进行换热传导的热交换容器，以及用于热交换液体流入及流出热交换容器的注液口7、出液口8，热交换容器内部设有逐渐增大用于减小流体压降并进行热交换的流通通道，注液口7位于热交换容器内流通通道最大的一端，出液口8位于热交换容器内流通通道最小的一端。

热交换容器说明：热交换容器与现有技术相同，能保证热交换容器隔绝热源及热交换热体即可，可以为板形、柱形、立方体形状，还可以为“回字形”，也可以为现有技术中管壳式换热器、管板换热器采用的换热管，仅需将换热管内部流通通道逐渐增大即可。上述仅为举例说明热交换容器的结构形式，实际运用中还可以灵活调整，仅保证进行热交换的流通通道逐渐增大即可。

注液口7、出液口8说明：注液口7、出液口8其目的主要用于热交换液体流入及流出，结构形式可以多样化，可以设置接头方便形成注液口7、出液口8并与相对应的管道连接，也可以直接连接在热交换容器上。值得注意的是，注液口7、出液口8必须分别设置在热交换容器内流通通道最大及最小的一端，如此才能保证热交换液体在进入热交换容器流通通道内时较大的流量能更加快速均匀的分布在的热交换容器内，从而有助于液体的通过，实现减小压降，最终保证散热器散热性能和均温性的目的。

实施例2：

本实施例与实施例1的区别在于：1)提供一种热交换容器的结构形式；2)提供一种热交换容器内流通通道逐渐增大具体结构的实现方式；3)针对控阵天线微通道具体散热场景优化设计散热结构；4)优化设计注液口7及出液口8设置位置使热交换液体充分流经热交换容器。

本实施例与实施例1重复部分不再赘述，此处仅指出区别点：

1)为了具体提供一种热交换容器的结构形式，参见图1及图2，本实施例热交换容器为板形，分别由互相组合形成密闭空间的冷板1及盖板2组成，密闭空间作为热交换液体流经的空间。值得注意的是冷板1及盖板2并非分离，仅为清楚表达结构而进行命名，冷板1及盖板23D打印一体化成型的，除了注液口7、出液口8，无其他开口与外部空间连通。

2)为了实现热交换液体充分流经热交换容器同时提供一种流通通道逐渐增大具体结构，参见图2及图3，本实施例流通通道为设于冷板1与盖板2密闭空间内多排间距依次变化的阵列型隔板6而形成的多孔结构5，具体的，将隔板6间断设置呈六列，间断距离逐渐递减，间断数逐渐递增，距离注液口7最近的隔板6的间距最大，间断数最小，保证热交换液体在进入热交换容器流通通道内时较大的流量能更加快速通过多排隔板6均匀的分布在的热交换容器内，从而有助于液体的通过，实现减小压降，最终保证散热器散热性能和均温性的目的。

3)为了增强多排隔板6间的散热效果，多排隔板6间设置有多个热交换单元，多个热交换单元设置于隔板6间断处，这样可以使热交换单元安装多个散热元件，并使流体充分与安装与热交换单元处的散热元件进行充分接触最终实现高效散热的目的。热交换单元可以为冷板1及盖板2向内凹陷的凹槽，该凹槽对应安装(接触)散热的个体状电器元件，也可以为如图2或图3所示的支撑柱3及支撑柱3形成的导线孔4对线型的导线进行散热。

参见图2，为了针对具体的控阵天线微通道散热场景进行散热，本实施例的热交换单元采用支撑柱3及支撑柱3形成的导线孔4结构。具体的，支撑柱3设于热交换容器密闭空间内，支撑柱3为六角形，一方面增加了冷板1的承受压力，另一方面可以设有与热交换容器内部密闭空间隔绝的导线孔4，导线孔4连通热交换容器外部空间用于引导热源穿入进行热交换，如参见图1，如冷板1及盖板2上设有与导线孔4相对且连通的通孔，从而实现对线型的导线进行均温散热的目的，再一方面，设置支撑柱3可以有效抑制压力脉动，降低热阻，冷却液在微通道冷板1中能够最大限度的流通每个位置，增强的散热能力。值得注意的是，图2所示为本实施例的内部结构图，实际支撑柱3同时与冷板1及盖板2同时连接，形成的导线孔4不与热交换容器密闭空间连通，因此不存在热交换流体与导线接触的可能性。

4)为了使热交换液体充分流经热交换容器，参见图1，注液口7及出液口8呈对角设置，可以同时设置在冷板1或盖板2上，也可以一个设置在冷板1上，另外一个设置在盖板2上，只要呈对角设置即可，这样设置注液口7及出液口8后，热交换流体呈对角状分别流入及流出，减小了热交换流体不能流经热交换容器内部的死水区，进而实现了热交换液体充分流经热交换容器提高散热效果的目的。

工作原理：换热器整体尺寸为100mm×80mm×4mm，由于在热交换容器注液口7处的流量较大，将隔板6的间隔增大，有助于液体的通过，减小压降，出口处的隔板6间距小，隔板6数大，该结构使冷却液更加均匀地通过整个微通道冷板1，与单纯流道结构相比，散热能力更强，散热后的温度分布更均匀，现采用25个1.5W的芯片作为相控阵天线热源，在冷却液流速为0.5m/s时进行散热处理，参见图4，由仿真后的温度云图可以看出散热器的最高温度为298K，最低温度为295K，散热后的温差为3℃，因此本发明散热结构具有良好的散热性能和均温性。

实施例3：

本实施例与实施例2的区别在于：实施例2为针对5×5的相控阵天线散热，而本实施例针对8×8的相控阵天线进行散热，参见图5，本实施例与实施例2的却别仅在于隔板6数量、热交换单元数量相对于实施例2进行了相应的调整。

依次类推，本发明不仅可以用于5×5的相控阵天线或8×8的相控阵天线进行散热，还可以用于更多型号的相控阵天线进行散热，由于可采用型号众多，此次不再一一赘述，只要采用本发明散热器结构针对相控阵天线进行散热均应纳入本申请的保护范围。

实施例4：

一种散热器制造方法，用3D打印技术制造如实施例1、实施例2或实施例3的散热器。

该散热器采用3D打印技术对散热器的结构一体成型，该技术借助计算机辅助设计与制造，利用激光热源层层熔覆合金粉体从而实现复杂结构致密金属零件的快速、无磨具的一体成型，该成型过程不需要任何工装模具，也不受零件形状复杂程度的限制，组织致密性超过铸造合金，不会出现液体泄露及密封问题，适用于本次发明中针对相控阵天线的微通道散热器的一次性打印。

此外，本发明中微通道冷板1中采用了多隔板6、多孔的微通道结构，涉及到微小结构的3D打印，金属3D打印技术能够弥补传统磨具加工技术所存在的不足，能够在很大程度上提高整个磨具制造的效率，针对小型化集成化的结构也能够高效率、高准确性的完成加工。3D打印技术加工微小通道冷板1相比传统加工来说采用一体成型技术，能够确保封闭腔体的加工，不再考虑装置的安装问题和密封问题，能够保证流道良好的密封性，具备较高的散热性能。

具体使用3D打印技术加工时，散热器的盖板2、微通道冷板1以及注液口7、出液口8一体打印成型，使用3D打印技术加工封闭腔内部结构微通道，基于增材制造的概念，利用激光热源层层熔覆合金粉体从而实现复杂结构致密金属零件的快速、无磨具的一体成型。整个加工过程从散热器微通道冷板1的底层开始，将金属粉末层层堆积，向着盖板2、注液口7和出液口8的方向一体加工，无需使用螺母、密封圈等进行封装，待每层粉末均匀的进行激光烧结后，最终得到散热器。

实施例5：

参见图1，本实施例为了考虑散热器的安装固定问题，在微通道冷板1的底面两侧开设有滑槽10，以及在微通道冷板1的四角开设有安装孔9，相控阵热源按照导线孔4的位置依次排列于天线安装位置11后，通过滑槽10将换热器滑至对应的安装位置，最终通过安装孔9定位锁紧，实现相控阵热源及换热器精确定位并稳固安装的目的。

实施例6：

参见图6，一种用于控阵天线微通道的散热装置，包括如实施例1、实施例2或实施例3所述的散热器Ⅱ，还包括循环液体冷却器Ⅲ、泵Ⅳ、连接管道Ⅴ。

循环液体冷却器Ⅲ、连接管道Ⅴ、泵Ⅳ均为现有技术，循环液体冷却器Ⅲ采用常规的冷却器即可，如翅片型增大散热面积降低循环液体温度的冷却器，只要能实现将循环的液体冷却即可；泵Ⅳ采用现有市面上常见的泵设备即可，如容积式泵、叶轮式泵、喷射式泵等，能够输送循环液体进行循环即可；连接管道Ⅴ可采用现有市面上的PVC管、钢制管，能够保证输送循环液体不泄露即可。

具体使用时，热源Ⅰ安装在散热器Ⅱ上，散热器Ⅱ的注液口7通过连接管道Ⅴ与循环液体冷却器Ⅲ连通，循环液体冷却器Ⅲ通过连接管道Ⅴ与泵Ⅳ连通，散热器Ⅱ的出液口8通过连接管道Ⅴ与泵Ⅳ连通，最终形成一个封闭的液冷循环系统，实现在散热装置中进行对流换热的目的。

如上即为本发明的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种散热器，包括用于与热源进行换热传导的热交换容器，以及用于热交换液体流入及流出热交换容器的注液口(7)、出液口(8)，其特征在于：所述热交换容器内部设有逐渐增大用于减小流体压降并进行热交换的流通通道，所述注液口(7)位于热交换容器内流通通道最大的一端，所述出液口(8)位于热交换容器内流通通道最小的一端，所述热交换容器内部设有多个热交换单元，所述热交换单元包括设于热交换容器密闭空间内的支撑柱(3)，所述支撑柱(3)内设有与热交换容器内部密闭空间隔绝的导线孔(4)，所述导线孔(4)连通热交换容器外部空间用于引导热源穿入进行热交换。

2.根据权利要求1所述的一种散热器，其特征在于：所述热交换容器为互相组合形成密闭空间的冷板(1)及盖板(2)，所述流通通道为设于冷板(1)与盖板(2)密闭空间内多排间距依次变化的阵列型隔板(6)而形成的多孔结构(5)。

3.根据权利要求2所述的一种散热器，其特征在于：所述流通通道为多排间距依次增大的阵列型隔板(6)形成的多孔结构(5)，所述注液口(7)位于热交换容器内隔板(6)间距最大的一端，所述出液口(8)位于热交换容器内隔板(6)间距最小的一端。

4.根据权利要求2～3任一项所述的一种散热器，其特征在于：所述热交换单元设于多排所述隔板(6)间，多个所述热交换单元与隔板(6)间断处相对。

5.根据权利要求2～3任一项所述的一种散热器，其特征在于：所述注液口(7)及出液口(8)呈对角设置在冷板(1)上。