CN111902015A - 一种导热储热一体化热控结构及制备方法 - Google Patents

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王耿
明宪良
唐晔
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    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2029—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating using a liquid coolant with phase change in electronic enclosures

Abstract

本发明涉及一种导热储热一体化热控结构及制备方法，包括：实体外壳区，在所述实体外壳区内部设置毛细吸液芯区，在所述实体外壳区与所述毛细吸液芯区之间设置实体与毛细吸液芯的重合区，在所述毛细吸液芯区内部设置实体中空填料区，其中，所述实体外壳区为具有一定致密度的实体结构，所述毛细吸液芯区为具有一定孔隙率疏松结构，所述实体与毛细吸液芯的重合区具有一定区域厚度，所述实体中空填料区的结构形式为多面体胞元阵列结构或内流道形式，用于填充相变储能材料。本发明的优点是：实现简单，制备方法高效、可靠、成本低，解决了导热与储热分体式结构带来的传统制造方法工序多、生产周期长、制造成本高及系统接触热阻大、散热效率低的问题。

Description

一种导热储热一体化热控结构及制备方法
技术领域
本发明涉及一种导热储热一体化热控结构及制备方法。
背景技术
随着航空航天、电子等产品的功率不断增加，体积、重量却要求越来越小，使得单位面积的发热量成倍提高，高热流密度器件的散热问题成为影响产品设计与应用的关键技术之一。基于毛细吸力作用的导热结构，具有传热效率高、均温性好、外表面平整、结构简单等独特优势，已成为解决高热流密度器件散热问题的主要方法之一。储热结构内部填充相变储能材料，大大提高了系统的热沉，可在短时间内增强高热流密度器件的散热能力。导热结构与储热结构组合应用，大幅度提升了高热流密度器件的瞬时和稳态温控能力，提高产品的可靠性和使用寿命。
导热结构分为外壳和内部毛细吸液芯两部分，传统毛细结构通过金属粉末冶金而成，或者是丝网等网状结构，也可以是微通道。此类导热结构均为分体式结构焊接而成，工序繁多，加工难度大，生产周期长，制造成本高，且质量难以保证；传统储热结构也是通过分体式结构焊接的方式，形成内部空腔，以填充相变储能材料。储热结构可作为毛细导热结构的冷端，吸收导热结构传递过来的热量，促进导热结构内的工质冷凝回流，提高导热效率。传统导热结构和储热结构分体式组装，增加了导热结构与储热结构之间的接触热阻，不利于热量传递，限制了高热流密度器件的散热效率。
发明内容
本发明目的在于提供一种导热储热一体化热控结构，解决导热与储热分体式结构带来的传统制造方法工序多、生产周期长、制造成本高及系统接触热阻大、散热效率低的问题。
有鉴于此，本发明提供一种导热储热一体化热控结构，其特征在于，包括：实体外壳区，在所述实体外壳区内部设置毛细吸液芯区，在所述实体外壳区与所述毛细吸液芯区之间设置实体与毛细吸液芯的重合区，在所述毛细吸液芯区内部设置实体中空填料区，其中，所述实体外壳区为具有一定致密度的实体结构，所述毛细吸液芯区为具有一定孔隙率的疏松结构，所述实体与毛细吸液芯的重合区具有一定的区域厚度，所述实体中空填料区的结构形式为多面体胞元阵列结构或内流道形式，用于填充相变储能材料。
进一步地，所述实体与毛细吸液芯的重合区的区域厚度为0.1mm～0.2mm。
进一步地，所述实体外壳区的壳体壁厚为0.5mm～1mm。
进一步地，所述实体外壳区采用第一激光烧结功率进行金属粉末烧结，形成致密度大于99％以上的实体结构。
进一步地，所述毛细吸液芯区采用第二激光烧结功率进行金属粉末烧结，形成疏松多孔毛细结构。
进一步地，所述毛细吸液芯区的第二激光烧结功率为实体外壳区的第一激光烧结功率的四分之一至三分之一。
进一步地，所述金属粉末为AlSi10Mg铝合金金属粉末。
本发明的另一目的在于提供一种导热储热一体化热控结构的制备方法，其特征在于，包括：
采用3D打印实体外壳区、毛细吸液芯区、实体与毛细吸液芯的重合区、实体中空填料区，在所述实体外壳区内部设置毛细吸液芯区，在所述实体外壳区与所述毛细吸液芯区之间设置实体与毛细吸液芯的重合区，在所述毛细吸液芯区内部设置实体中空填料区，其中，所述实体外壳区为具有一定致密度的实体结构，所述毛细吸液芯区为具有一定孔隙率的疏松结构，所述实体与毛细吸液芯的重合区具有一定的区域厚度，所述实体中空填料区的结构形式为多面体胞元阵列结构或内流道形式，用于填充相变储能材料，形成导热储热一体化热控结构件，
对所述导热储热一体化热控结构件进行后处理，包括清理残留在零件内腔中的金属粉末、热处理、线切割、精加工。
进一步地，所述热处理采用去应力退火工艺。
进一步地，所述去应力退火工艺为：温度180度，保温8～12小时，空冷。
本发明实现了以下显著的有益效果：
结构简单，包括：实体外壳区，在所述实体外壳区内部设置毛细吸液芯区，在所述实体外壳区与所述毛细吸液芯区之间设置实体与毛细吸液芯的重合区，在所述毛细吸液芯区内部设置实体中空填料区，其中，所述实体外壳区为具有一定致密度的实体结构，所述毛细吸液芯区为具有一定孔隙率的疏松结构，所述实体与毛细吸液芯的重合区具有一定的区域厚度，所述实体中空填料区的结构形式为多面体胞元阵列结构或内流道形式，用于填充相变储能材料。制备方法高效、可靠、成本低，通过激光选区熔化3D打印工艺实现了一种导热储热一体化热控结构的快速高质量制造；解决了导热与储热分体式结构带来的传统制造方法工序多、生产周期长、制造成本高及系统接触热阻大、散热效率低的问题。
附图说明
图1导热储热一体化热控结构三维立体图；
图2导热储热一体化热控结构A-A剖视图；
图3相变储热材料填料区结构示意图；
图4导热储热一体化热控结构B-B剖视图；
图5导热储热一体化热控结构C-C剖视图；
附图标记示意
1.实体外壳区2.毛细吸液芯区3.实体与毛细吸液芯的重合区4.实体中空填料区
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均适用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
需要说明的是，为了清楚地说明本发明的内容，本发明特举多个实施例以进一步阐释本发明的不同实现方式，其中，该多个实施例是列举式而非穷举式。此外，为了说明的简洁，前实施例中已提及的内容往往在后实施例中予以省略，因此，后实施例中未提及的内容可相应参考前实施例。
虽然该发明可以以多种形式的修改和替换来扩展，说明书中也列出了一些具体的实施图例并进行详细阐述。应当理解的是，发明者的出发点不是将该发明限于所阐述的特定实施例，正相反，发明者的出发点在于保护所有给予由本权利声明定义的精神或范围内进行的改进、等效替换和修改。同样的元器件号码可能被用于所有附图以代表相同的或类似的部分。
实施例1
请参照图1至图5，本发明的导热-储热一体化热控结构包括：实体外壳区，在所述实体外壳区内部设置毛细吸液芯区，在所述实体外壳区与所述毛细吸液芯区之间设置实体与毛细吸液芯的重合区，在所述毛细吸液芯区内部设置实体中空填料区，其中，所述实体外壳区为具有一定致密度的实体结构，所述毛细吸液芯区为具有一定孔隙率的疏松结构，所述实体与毛细吸液芯的重合区具有一定的区域厚度，所述实体中空填料区的结构形式为多面体胞元阵列结构或内流道形式，用于填充相变储能材料。
在一个实施例中，所述实体与毛细吸液芯的重合区的区域厚度为0.1mm。
在一个实施例中，所述实体外壳区的壳体壁厚为0.5mm。
在一个实施例中，所述实体外壳区采用第一激光烧结功率进行金属粉末烧结，形成致密度大于99％以上的实体结构。
在一个实施例中，所述毛细吸液芯区采用第二激光烧结功率进行金属粉末烧结，形成疏松多孔毛细结构。
在一个实施例中，所述毛细吸液芯区的第二激光烧结功率为实体外壳区的第一激光烧结功率的四分之一至三分之一。
在一个实施例中，所述金属粉末为AlSi10Mg铝合金金属粉末。
本发明的另一目的在于提供一种导热储热一体化热控结构的制备方法，包括：
采用3D打印实体外壳区、毛细吸液芯区、实体与毛细吸液芯的重合区、实体中空填料区，在所述实体外壳区内部设置毛细吸液芯区，在所述实体外壳区与所述毛细吸液芯区之间设置实体与毛细吸液芯的重合区，在所述毛细吸液芯区内部设置实体中空填料区，其中，所述实体外壳区为具有一定致密度的实体结构，所述毛细吸液芯区为具有一定孔隙率的疏松结构，所述实体与毛细吸液芯的重合区具有一定的区域厚度，所述实体中空填料区的结构形式为多面体胞元阵列结构或内流道形式，用于填充相变储能材料，形成导热储热一体化热控结构件，
对所述导热储热一体化热控结构件进行后处理，包括清理残留在零件内腔中的金属粉末、热处理、线切割、精加工。
在一个实施例中，所述热处理采用去应力退火工艺。
在一个实施例中，所述去应力退火工艺为：温度180度，保温8～12小时，空冷。
作为具体的实施例，本发明的一种导热储热一体化热控结构，包括：实体外壳区1、毛细吸液芯区2、实体与毛细吸液芯的重合区3、实体中空填料区4，其中，实体外壳区1为致密度大于99％以上的实体结构，壳体壁厚为0.5mm；毛细吸液芯区2为孔隙率30％的疏松结构；实体与毛细吸液芯的重合区3用于提高实体结构与毛细结构的结合强度，重合区域厚度为0.1mm；实体中空填料区4用于填充石蜡等固-液、固-固相变储能材料，填料区结构形式为体心立方体或菱形十二面体等多面体胞元阵列结构，如图3所示。
在3D打印制造过程中，实体外壳区1、实体中空填料区4采用高功率激光烧结金属粉末，形成致密度大于99％以上的实体结构，以保证结构的强度和刚度；毛细吸液芯区2采用低功率激光烧结金属粉末形成疏松多孔毛细结构，提高吸液芯的毛细吸力。一般毛细吸液芯区域的激光烧结功率为实体区域的四分之一至三分之一，如对于铝合金AlSi10Mg材料激光选区熔化成形工艺，实体区域激光烧结功率为340W～370W，毛细吸液芯区域激光烧结功率为90W～120W。
导热储热一体化热控结构件3D打印成形完成后需进行后处理，包括清理残留在零件内腔中的金属粉末、热处理、线切割、精加工等。清理残留在零件内腔中的金属粉末(以下简称清粉)采用振动、吹气的方法，以保证一体化热控结构件内无残留粉末；热处理采用去应力制度：温度180度，保温8～12小时，空冷；清粉、热处理后进行线切割，将一体化热控结构件与基板分离；最后进行精加工，将一体化热控结构件尺寸和表面粗糙度加工到图纸要求。
至此，完成导热储热一体化热控结构的制备。
实施例2
本实施例的导热-储热一体化热控结构包括：实体外壳区，在所述实体外壳区内部设置毛细吸液芯区，在所述实体外壳区与所述毛细吸液芯区之间设置实体与毛细吸液芯的重合区，在所述毛细吸液芯区内部设置实体中空填料区，其中，所述实体外壳区为具有一定致密度的实体结构，所述毛细吸液芯区为具有一定孔隙率的疏松结构，所述实体与毛细吸液芯的重合区具有一定的区域厚度，所述实体中空填料区的结构形式为多面体胞元阵列结构或内流道形式，用于填充相变储能材料。
在一个实施例中，所述实体与毛细吸液芯的重合区的区域厚度为0.15mm。
在一个实施例中，所述实体外壳区的壳体壁厚为0.7mm。
在一个实施例中，所述实体外壳区采用第一激光烧结功率进行金属粉末烧结，形成致密度大于99％以上的实体结构。
在一个实施例中，所述毛细吸液芯区采用第二激光烧结功率进行金属粉末烧结，形成疏松多孔毛细结构。
在一个实施例中，所述毛细吸液芯区的第二激光烧结功率为实体外壳区的第一激光烧结功率的四分之一至三分之一。
在一个实施例中，所述金属粉末为AlSi10Mg铝合金金属粉末。
本实施例的一种导热储热一体化热控结构的制备方法，包括：
采用3D打印实体外壳区、毛细吸液芯区、实体与毛细吸液芯的重合区、实体中空填料区，在所述实体外壳区内部设置毛细吸液芯区，在所述实体外壳区与所述毛细吸液芯区之间设置实体与毛细吸液芯的重合区，在所述毛细吸液芯区内部设置实体中空填料区，其中，所述实体外壳区为具有一定致密度的实体结构，所述毛细吸液芯区为具有一定孔隙率的疏松结构，所述实体与毛细吸液芯的重合区具有一定的区域厚度，所述实体中空填料区的结构形式为多面体胞元阵列结构或内流道形式，用于填充相变储能材料，形成导热储热一体化热控结构件，
对所述导热储热一体化热控结构件进行后处理，包括清理残留在零件内腔中的金属粉末、热处理、线切割、精加工。
在一个实施例中，所述热处理采用去应力退火工艺。
在一个实施例中，所述去应力退火工艺为：温度180度，保温8～12小时，空冷。
本实施例的一种导热储热一体化热控结构，包括实体外壳区1、毛细吸液芯区2、实体与毛细吸液芯的重合区3、实体中空填料区4，其中，实体外壳区1为致密度大于99％以上的实体结构，壳体壁厚为0.7mm；毛细吸液芯区2为孔隙率50％的疏松结构；实体与毛细吸液芯的重合区3用于提高实体结构与毛细结构的结合强度，重合区域厚度为0.15mm；实体中空填料区4用于填充石蜡等固-液、固-固相变储能材料，填料区结构形式为槽道式等内流道连通结构，如图3所示。
在3D打印制造过程中，实体外壳区1、实体中空填料区4采用高功率激光烧结金属粉末，形成致密度大于99％以上的实体结构，以保证结构的强度和刚度；毛细吸液芯区2采用低功率激光烧结金属粉末形成疏松多孔毛细结构，提高吸液芯的毛细吸力。所述毛细吸液芯区域的激光烧结功率为实体区域的四分之一至三分之一，如对于铝合金AlSi10Mg材料激光选区熔化成形工艺，实体区域激光烧结功率为340W～370W，毛细吸液芯区域激光烧结功率为90W～120W。
导热储热一体化热控结构件3D打印成形完成后需进行后处理，包括清理残留在零件内腔中的金属粉末、热处理、线切割、精加工等。清理残留在零件内腔中的金属粉末(以下简称清粉)采用振动、吹气的方法，以保证一体化热控结构件内无残留粉末；热处理采用去应力制度：温度180度，保温8～12小时，空冷；清粉、热处理后进行线切割，将一体化热控结构件与基板分离；最后进行精加工，将一体化热控结构件尺寸和表面粗糙度加工到图纸要求。
至此，完成导热储热一体化热控结构的制备。
实施例3
本实施例的导热-储热一体化热控结构包括：实体外壳区，在所述实体外壳区内部设置毛细吸液芯区，在所述实体外壳区与所述毛细吸液芯区之间设置实体与毛细吸液芯的重合区，在所述毛细吸液芯区内部设置实体中空填料区，其中，所述实体外壳区为具有一定致密度的实体结构，所述毛细吸液芯区为具有一定孔隙率的疏松结构，所述实体与毛细吸液芯的重合区具有一定的区域厚度，所述实体中空填料区的结构形式为多面体胞元阵列结构或内流道形式，用于填充相变储能材料。
在一个实施例中，所述实体与毛细吸液芯的重合区的区域厚度为0.2mm。
在一个实施例中，所述实体外壳区的壳体壁厚为1mm。
在一个实施例中，所述实体外壳区采用第一激光烧结功率进行金属粉末烧结，形成致密度大于99％以上的实体结构。
在一个实施例中，所述毛细吸液芯区采用第二激光烧结功率进行金属粉末烧结，形成疏松多孔毛细结构。
在一个实施例中，所述毛细吸液芯区的第二激光烧结功率为实体外壳区的第一激光烧结功率的四分之一至三分之一。
在一个实施例中，所述金属粉末为AlSi10Mg铝合金金属粉末。
本发明的另一目的在于提供一种导热储热一体化热控结构的制备方法，包括：
采用3D打印实体外壳区、毛细吸液芯区、实体与毛细吸液芯的重合区、实体中空填料区，在所述实体外壳区内部设置毛细吸液芯区，在所述实体外壳区与所述毛细吸液芯区之间设置实体与毛细吸液芯的重合区，在所述毛细吸液芯区内部设置实体中空填料区，其中，所述实体外壳区为具有一定致密度的实体结构，所述毛细吸液芯区为具有一定孔隙率的疏松结构，所述实体与毛细吸液芯的重合区具有一定的区域厚度，所述实体中空填料区的结构形式为多面体胞元阵列结构或内流道形式，用于填充相变储能材料，形成导热储热一体化热控结构件，
对所述导热储热一体化热控结构件进行后处理，包括清理残留在零件内腔中的金属粉末、热处理、线切割、精加工。
在一个实施例中，所述热处理采用去应力退火工艺。
在一个实施例中，所述去应力退火工艺为：温度180度，保温8～12小时，空冷。
作为具体的实施例，本发明的一种导热储热一体化热控结构，包括：实体外壳区1、毛细吸液芯区2、实体与毛细吸液芯的重合区3、实体中空填料区4，其中，实体外壳区1为致密度大于99％以上的实体结构，壳体壁厚为1mm；毛细吸液芯区2为孔隙率30％的疏松结构；实体与毛细吸液芯的重合区3用于提高实体结构与毛细结构的结合强度，重合区域厚度为0.2mm；实体中空填料区4用于填充石蜡等固-液、固-固相变储能材料，填料区结构形式为体心立方体或菱形十二面体等多面体胞元阵列结构，如图3所示。
在3D打印制造过程中，实体外壳区1、实体中空填料区4采用高功率激光烧结金属粉末，形成致密度大于99％以上的实体结构，以保证结构的强度和刚度；毛细吸液芯区2采用低功率激光烧结金属粉末形成疏松多孔毛细结构，提高吸液芯的毛细吸力。一般毛细吸液芯区域的激光烧结功率为实体区域的四分之一至三分之一，如对于铝合金AlSi10Mg材料激光选区熔化成形工艺，实体区域激光烧结功率为340W～370W，毛细吸液芯区域激光烧结功率为90W～120W。
导热储热一体化热控结构件3D打印成形完成后需进行后处理，包括清理残留在零件内腔中的金属粉末、热处理、线切割、精加工等。清理残留在零件内腔中的金属粉末(以下简称清粉)采用振动、吹气的方法，以保证一体化热控结构件内无残留粉末；热处理采用去应力制度：温度180度，保温8～12小时，空冷；清粉、热处理后进行线切割，将一体化热控结构件与基板分离；最后进行精加工，将一体化热控结构件尺寸和表面粗糙度加工到图纸要求。
至此，完成导热储热一体化热控结构的制备。
本发明实现了以下显著的有益效果：
结构简单，包括实体外壳区、毛细吸液芯区、实体与毛细吸液芯的重合区、实体中空填料区，其中，实体外壳区为致密度大于99％以上的实体结构，毛细吸液芯区为孔隙率30％～70％的疏松结构，实体与毛细吸液芯的重合区用于提高实体结构与毛细结构的结合强度，实体中空填料区用于填充相变储能材料；制备方法高效、可靠、成本低，通过激光选区熔化3D打印工艺实现了一种导热储热一体化热控结构的快速高质量制造；解决了导热与储热分体式结构带来的传统制造方法工序多、生产周期长、制造成本高及系统接触热阻大、散热效率低的问题。
根据本发明技术方案和构思，还可以有其他任何合适的改动。对于本领域普通技术人员来说，所有这些替换、调整和改进都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种导热储热一体化热控结构，其特征在于，包括：实体外壳区，在所述实体外壳区内部设置毛细吸液芯区，在所述实体外壳区与所述毛细吸液芯区之间设置实体与毛细吸液芯的重合区，在所述毛细吸液芯区内部设置实体中空填料区，其中，所述实体外壳区为具有一定致密度的实体结构，所述毛细吸液芯区为具有一定孔隙率的疏松结构，所述实体与毛细吸液芯的重合区具有一定的区域厚度，所述实体中空填料区的结构形式为多面体胞元阵列结构或内流道形式，用于填充相变储能材料。
2.根据权利要求1所述的导热储热一体化热控结构，其特征在于，所述实体与毛细吸液芯的重合区的区域厚度为0.1mm～0.2mm。
3.根据权利要求1所述的导热储热一体化热控结构，其特征在于，所述实体外壳区的壳体壁厚为0.5mm～1mm。
4.根据权利要求1所述的导热储热一体化热控结构，其特征在于，所述实体外壳区采用第一激光烧结功率进行金属粉末烧结，形成致密度大于99％以上的实体结构。
5.根据权利要求4所述的导热储热一体化热控结构，其特征在于，所述毛细吸液芯区采用第二激光烧结功率进行金属粉末烧结，形成疏松多孔毛细结构。
6.根据权利要求5所述的导热储热一体化热控结构，其特征在于，所述毛细吸液芯区的第二激光烧结功率为实体外壳区的第一激光烧结功率的四分之一至三分之一。
7.根据权利要求4或5所述的导热储热一体化热控结构，其特征在于，所述金属粉末为AlSi10Mg铝合金金属粉末。
8.一种导热储热一体化热控结构的制备方法，其特征在于，包括：
采用3D打印实体外壳区、毛细吸液芯区、实体与毛细吸液芯的重合区、实体中空填料区，在所述实体外壳区内部设置毛细吸液芯区，在所述实体外壳区与所述毛细吸液芯区之间设置实体与毛细吸液芯的重合区，在所述毛细吸液芯区内部设置实体中空填料区，其中，所述实体外壳区为具有一定致密度的实体结构，所述毛细吸液芯区为具有一定孔隙率的疏松结构，所述实体与毛细吸液芯的重合区具有一定的区域厚度，所述实体中空填料区的结构形式为多面体胞元阵列结构或内流道形式，用于填充相变储能材料，形成导热储热一体化热控结构件，
对所述导热储热一体化热控结构件进行后处理，包括清理残留在零件内腔中的金属粉末、热处理、线切割、精加工。
9.根据权利要求8所述的导热储热一体化热控结构的制备方法，其特征在于，所述热处理采用去应力退火工艺。
10.根据权利要求9所述的导热储热一体化热控结构的制备方法，其特征在于，所述去应力退火工艺为：温度180度，保温8～12小时，空冷。
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