CN110243213A - 一种复合结构的平板吸液芯及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有复合结构的平板吸液芯及其制造方法，基于增材制造技术，设计具有跨尺度三维梯级孔复合结构的吸液芯，使得吸液芯形成复合孔结构与毛细结构的一体化，有效提升了零件的散热能力，并能够显著降低热阻，增大传热效率。本发明通过三维软件建模，采用金属3D打印技术制造具有该复合结构的吸液芯，该吸液芯具有结构设计灵活，制造方法简单快速、投入成本低、耗材少等特点，可应用于各种形式的热管及均热板等散热部件，满足电子、机械、航空航天等领域高热流密度设备的散热与冷却。
Description
技术领域
本发明涉及传热技术领域，具体的说，是一种复合结构的平板吸液芯及其制造方法。
背景技术
随着电子设备的迅速发展，电子芯片的功率不断增加，其结构日趋小型化，因而导致电子芯片的热流密度急剧增，由于温度过高而致使芯片失效的问题越来越严重，如何提升电子芯片散热能力已成为电子器件设计时所考虑的关键因素之一。
相比于传统风冷散热器，平板热管以及均热板利用相变传热原理，具有更高的散热能力以及效率，能够满足大功率电子元件的散热要求。均热板与平板热管的工作原理相似，平板热管热传递过程如下：首先通过热管内部相变蒸发和沸腾，快速将小尺寸芯片表面的热量带走，并传递至面积较大的冷端；冷端通过其他散热方式进行冷却，将蒸汽冷凝回流，冷却的回流液再次进入蒸发板表面的吸液芯，实现大功率散热下芯片的均温，从而在蒸发板上实现了芯片热流的传入和吸液芯内液体蒸发的热量传递过程。
平板热管和均热板的性能主要取决于吸液芯性能，现有吸液芯制造方法主要以拉削造槽以及粉末烧结为主。粉末烧结吸液芯具有较大的毛细吸液能力，传热量较大，但是提升毛细力同时也增加了液体回流阻力；拉削造槽流动阻力较小，但是受限于刀具尺寸影响，加工复杂结构的难度较大。
复合结构吸液芯具有各种吸液芯的特点，弥补了上述吸液芯的不足。中国专利公开号CN102345994A的专利公开了一种铜粉烧结复合结构的吸液芯，吸液芯具有双孔隙结构，降低液体回流阻力，从而提高了热管的传热性能。该方法适用于传统热管吸液芯制造，其设计制造的双孔隙结构复杂，孔隙结构不能良好的控制。中国专利专利号CN106871675A的专利公开了一种多层复合吸液芯平板热管及其制备方法，复合网状结构能够提升毛细压力并降低回流阻力，但是该方法需要配合机加工方法与增材制造方法结合加工，工艺复杂。
综上，设计制造一种加工方法简单，成本低廉具有复合孔隙结构的平板吸液芯，已成为当前加工制造努力的方向。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种复合结构的平板吸液芯及其制造方法；用于提升毛细吸液能力，降低传热热阻，增大传热效率。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种复合结构的平板吸液芯，其包含导热基板和复合结构吸液芯；复合结构吸液芯是由金属3D打印技术直接在导热基板上进行增材制造。
所述的导热基板与复合结构吸液芯的材料相同。
所述的复合结构吸液芯材料为铝合金、不锈钢、钛合金或镍合金中的一种或者几种组合；金属粉末粒径优选为15mm～70μm。
所述的复合结构吸液芯的模型由三维软件绘制，模型具有连通的小孔隙以及嵌套于小孔结构中的大孔组成；基孔结构壁面存在微米尺度或纳米尺度或微米纳米复合的孔，制造过程保持孔之间相互连通；
设计的三维模型导入金属3D打印系统中，经过系统切片处理后，将金属粉末逐层铺设，采用激光对设计结构区域进行加工成形，接着再铺一层金属粉末激光扫描下一层结构，逐层制造最终形成吸液芯结构。每一层激光加工只进行一个方向的线扫描，并且每相邻两层之间的扫描方向相互垂直，形成相互连通的孔隙结构，制备过程中，激光扫描路径会自动跳过模型中被挖去的部分，形成大孔结构，完成复合结构吸液芯的制造。
所述复合结构小孔采用逐层铺粉同一方向进行线扫描激光烧结，交错激光烧结成形的基孔尺寸为0.4mm～1.5mm。基孔结构壁面存在微米尺度或纳米尺度或微米纳米复合的孔，提升了吸液芯毛细吸液能力，制造过程保持孔之间的相互连通。
所述的复合结构吸液芯的的3D打印厚度为0.3mm～2mm。
所述的复合结构吸液芯的的竖直方向的大孔作为组合孔结构中的大孔，大孔竖直方向贯通，大孔嵌套于小基孔结构内，大、小孔可以为圆形、正方形、六边形等结构，小孔特征尺寸为0.4mm～1.5mm；大孔之间间距2mm～6mm。
所述的复合结构吸液芯的的可以设计成基孔结构中嵌套矩形、U型、V型槽道，槽道组合方式可以为平行或交错结构。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
(1)吸液芯与导热基板采用相同材料，3D打印技术实现了吸液芯和蒸发板之间熔融连接，因而能够显著降低它们之间的导热热阻；
(2)通过三维软件建模设计吸液芯复合结构，金属3D打印技术将吸液芯直接在导热基板上打印成形，无需其他机加工方式，加工方式简单，只需打印复合结构吸液芯，因而制造时间短；
(3)逐层线扫描打印成形的孔隙结构尺寸能够实现精确控制，各层空隙之间相互连通，提升了吸液芯的液体输运能力。基孔结构壁面存在微米尺度或纳米尺度或微米纳米复合的孔能够提升毛细吸液能力，配合大孔隙结构能够显著提高吸液芯传热能力；
(4)3D打印的孔隙结构可以自由定制，可以制造形状复杂，常规机加工方式无法满足的结构。散热空间布置灵活，吸液芯结构可以应用平板热管和均热板，特别适用于电子设备微型化散热要求。
附图说明
图1是本申请的实施例的圆形大孔嵌套与小基孔中的复合结构示意图；
图2是本申请的实施例平板吸液芯连通结构侧视图；
图3是本申请的实施例3D打印的基孔结构俯视图；
图4是本申请的实施例中矩形槽道嵌套复合结构示意图。
附图中的标记为：
1导热基板；
2平板吸液芯。
具体实施方式
以下提供本发明一种复合结构的平板吸液芯及其制造方法的具体实施方式。
实施例1
请参阅图1，本发明实例提供的复合结构平板吸液芯的一个实施例，包括：导热基板1、3D增材制造的复合结构的平板吸液芯2。
(1)复合结构的平板吸液芯孔隙结构由三维软件绘制，导入3D打印系统经切片处理后进行增材制造。
(2)复合结构的平板吸液芯采用3D打印技术直接熔覆在同种材料的导热基板之上，所制造的复合孔隙结构有效降低了与导热基板之间的热阻。
(3)复合结构的平板吸液芯由3D打印技术制造，逐层铺粉采用激光线扫描烧结成形，每一层扫描只进行一个方向的线扫描，相邻两层之间线扫描方向相互垂直，因而打印形成连通孔隙结构，以增大吸液芯水平方向的液体输运能力。
(4)复合孔隙结构中嵌套大孔结构，激光线扫描过程中会自动越过模型中的大孔隙结构，逐层打印成形之后形成最终芯体。
制造时，包含以下步骤：
(1)三维软件建模，建模完成后导入3D打印进行切片处理，导热基板铺粉打印吸液芯结构。
(2)步骤1的打印过程为，逐层铺粉打印，每一层只对一个方向扫描，相邻层扫描成垂直交错结构，以增大吸液芯水平方向的液体输运能力。
(3)3D打印过程会自动抠除模型中大孔隙结构，复合孔隙一体打印成形，无需额外机加工工序。
(4)3D打印制造后的吸液芯采用超声波清洗，以去除激光烧结过程中残存的金属粉末，留作使用。
如图1所示，导热基板上直接3D打印形成的复合结构吸液芯，该结构吸液芯厚度为0.3mm～2mm，嵌套于方孔结构中的大孔间距为2mm～6mm。图2是平板吸液芯侧视图，逐层打印的吸液芯之间相互水平方向相互贯通，每层间隙为逐层打印厚度。图3为平板吸液芯3D打印成形的基孔俯视图，竖直方孔尺寸范围为0.4mm～1.5mm，。导热基板与打印复合结构吸液芯的金属粉末，二者材料相同，该结构可以有效利用小孔毛细吸液能力并能通过大孔结构降低传热阻力。逐层垂直线扫描激光烧结形成方孔结构能够有效提升吸液芯水平方向液体输运能力，而不需要进行额外的开槽等加工工序。
实施例2
本实施例中复合结构平板吸液芯，制造过程同实施例1。吸液芯结构如图4所示，3D打印的金属粉末材料根据具体散热应用场合选自铝合金、不锈钢、钛合金或者镍合金等。本实施例打印成形的结构为小方格基孔结构中嵌套矩形槽结构，与实施例1制造方法相同，小基孔之间相互连通。小基孔结构壁面存在微米尺度或纳米尺度或微米纳米复合的孔能够提升毛细吸液能力，配合槽道结构，有利于降低传热阻力，提升传热效果。
所属领域的技术人员可以清楚的看到，为了方便描述复合结构吸液芯制造过程，具体的设计制造过程可以参考前述实施例中的对应过程。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种复合结构的平板吸液芯，其特征在于，其包含导热基板和复合结构吸液芯；复合结构吸液芯是由金属3D打印技术直接在导热基板上进行增材制造。
2.如权利要求1所述的一种复合结构的平板吸液芯，其特征在于，所述的导热基板与复合结构吸液芯的材料相同。
3.如权利要求1所述的一种复合结构的平板吸液芯，其特征在于，所述的复合结构吸液芯材料为铝合金、不锈钢、钛合金或镍合金中的一种或者几种组合；金属粉末粒径为15mm~70μm。
4.如权利要求1所述的一种复合结构的平板吸液芯，其特征在于，所述的复合结构吸液芯的模型由三维软件绘制，模型具有连通的小孔隙以及嵌套于小孔结构中的大孔组成；基孔结构壁面存在微米尺度或纳米尺度或微米纳米复合的孔，制造过程保持孔之间相互连通。
5.如权利要求1所述的一种复合结构的平板吸液芯，其特征在于，所述的复合结构吸液芯的制备方法，设计的三维模型导入金属3D打印系统中，经过系统切片处理后，将金属粉末逐层铺设，采用激光对设计结构区域进行加工成形，接着再铺一层金属粉末激光扫描下一层结构，逐层制造最终形成吸液芯结构。每一层激光加工只进行一个方向的线扫描，并且每相邻两层之间的扫描方向相互垂直，形成相互连通的孔隙结构，制备过程中，激光扫描路径会自动跳过模型中被挖去的部分，形成大孔结构，完成复合结构吸液芯的制造。
6.如权利要求5所述的一种复合结构的平板吸液芯，其特征在于，所述复合结构小孔采用逐层铺粉同一方向进行线扫描激光烧结，交错激光烧结成形的基孔尺寸为0.4mm~1.5mm。基孔结构壁面存在微米尺度或纳米尺度或微米纳米复合的孔，提升了吸液芯毛细吸液能力，制造过程保持孔之间的相互连通。
7.如权利要求5所述的一种复合结构的平板吸液芯，其特征在于，所述的复合结构吸液芯的的3D打印厚度为0.3mm~2mm。
8.如权利要求5所述的一种复合结构的平板吸液芯，其特征在于，所述的复合结构吸液芯的的竖直方向的大孔作为组合孔结构中的大孔，大孔竖直方向贯通，大孔嵌套于小基孔结构内，大、小孔可以为圆形、正方形、六边形中的一种，小孔特征尺寸为0.4mm~1.5mm；大孔之间间距2mm~6mm。
9.如权利要求5所述的一种复合结构的平板吸液芯，其特征在于，所述的复合结构吸液芯的设计成基孔结构中嵌套矩形、U型、V型槽道，槽道组合方式为平行或交错结构。
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