CN112601418A - 一种空间光机结构件一体化导热微结构 - Google Patents

一种空间光机结构件一体化导热微结构 Download PDF

Info

Publication number
CN112601418A
CN112601418A CN202011313746.XA CN202011313746A CN112601418A CN 112601418 A CN112601418 A CN 112601418A CN 202011313746 A CN202011313746 A CN 202011313746A CN 112601418 A CN112601418 A CN 112601418A
Authority
CN
China
Prior art keywords
microstructure
section
heat
cavity
micro
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202011313746.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN112601418B (zh
Inventor
蔡晓江
秦声
周如好
孙权权
沈丽峰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Aerospace Control Technology Institute
Original Assignee
Shanghai Aerospace Control Technology Institute
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Aerospace Control Technology Institute filed Critical Shanghai Aerospace Control Technology Institute
Priority to CN202011313746.XA priority Critical patent/CN112601418B/zh
Publication of CN112601418A publication Critical patent/CN112601418A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112601418B publication Critical patent/CN112601418B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • 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
    • H05K7/20336—Heat pipes, e.g. wicks or capillary pumps

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

本发明公开了一种空间光机结构件一体化导热微结构，包括结构腔和封装板；所述的结构腔通过直接在空间光机结构件表面上集成化加工获得，所述的结构件为铝基碳化硅材料；所述的结构腔包括蒸发段、绝热段和冷凝段，所述的蒸发段包含若干微柱结构，所述的绝热段包含若干沿结构腔长度方向延伸的凹槽，所述的冷凝段包含若干锥台结构；所述的微柱结构、凹槽和锥台结构的宏观结构尺寸小于100μm，微观结构为亚微米尺度的粗糙表面；所述的封装板连接在所述的结构腔上，用于密封结构腔内的工质；所述的工质在所述的蒸发段吸收热量发生蒸腾作用，在所述的冷凝段通过冷凝作用导出热量，冷凝后通过所述的绝热段流动回所述的蒸发段中。

Description

一种空间光机结构件一体化导热微结构
技术领域
本发明属于电子产品散热技术领域，具体涉及一种空间光机结构件一体化导热微结构。
背景技术
航天空间光电产品如星敏感器、光电探测器目前在轨服役精度由于冷热交变造成的结构变形是低频轨道周期误差主要来源之一。在甚高精度的新一代空间光电产品中对光机结构制造中除了传统的低膨胀系数、空间热稳定性外，还应具备高效传热、结构功能一体化和小型化特征。这要求在卫星总体热控装置效率提升的同时，关键单机的局部传热效率要大幅度提升，从而实现光学元件、电子元器件等热源的热量迅速传导到整星热控系统并排出的目的。
现有的微热管主要以单一形式结构为主，热管材料主要以铝、铜或非金属硅为主。以额外附加热管的形式对航天光电产品导热，会给航天产品质量和可靠性造成负担。而星敏感器结构件材料为高体积分数的铝基碳化硅复合材料，因其具有独特的各向异性结构，难以加工，必须通过独特的结构才能实现足够的表面性能，并在极小的空间下实现高热交换率。
发明内容
本发明的目的是为了提高空间光机的热稳定性，满足空间光机的轻质化需求。
为了达到上述目的，本发明提供了一种空间光机结构件一体化导热微结构，包括结构腔和封装板；所述的结构腔通过直接在空间光机结构件表面上集成化加工获得，所述的结构件为铝基碳化硅材料；所述的结构腔包括蒸发段、绝热段和冷凝段，所述的蒸发段包含若干微柱结构，所述的绝热段包含若干沿结构腔长度方向延伸的凹槽，所述的冷凝段包含若干锥台结构；所述的微柱结构、凹槽和锥台结构的宏观结构尺寸小于100μm，微观结构为亚微米尺度的粗糙表面；所述的封装板连接在所述的结构腔上，用于密封结构腔内的工质；所述的工质在所述的蒸发段吸收热量发生蒸腾作用，在所述的冷凝段通过冷凝作用导出热量，冷凝后通过所述的绝热段流动回所述的蒸发段中。
优选地，所述的微柱结构阵列式均匀分布。
优选地，所述的微柱结构通过激光辅助微细铣削的方式获得，其形成的微观结构表面为碳化硅颗粒剥离后的多孔洞表面。
优选地，所述的凹槽均匀分布。
优选地，所述的凹槽为V型槽。
优选地，所述的凹槽的槽深和槽宽的比例大于1。
优选地，所述的凹槽通过激光辅助细微铣削的方式获得。
优选地，所述的锥台结构阵列式均匀分布。
优选地，所述的锥台结构通过激光加工的方式获得，其形成的微观结构的表面为锥体结构。
本发明的有益效果为：
(1)本发明将在空间光机结构件的表面直接进行集成化加工获得导热微结构，与现有的增加额外热管的方法相比，一方面减少了连接件，从而增加了导热性能的可靠性；另一方面，满足了小型的航天产品对轻质化的要求。
(2)本发明提出了一种分段式、多尺度的导热微结构，根据结构件的材料及加工特点，针对不同相变过程中的特性对结构优化设计，从而实现在最小的空间内获得最大的换热效率。
附图说明
图1为本发明的空间光机结构件一体化导热微结构整体示意图。
图2为本发明的空间光机结构件一体化导热微结构蒸发段宏观结构示意图。
图3为本发明的空间光机结构件一体化导热微结构绝热段宏观结构示意图。
图4为本发明的空间光机结构件一体化导热微结构冷凝段宏观结构示意图。
图中，1-结构腔，2-封装板，3-蒸发段，4-绝热段，5-冷凝段。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供的导热微结构分布在空间光机的镜头座、底座等需要导热的部分。单个导热微结构包括结构腔1和封装板2。所述的结构腔1通过直接在空间光机结构件表面上集成化加工获得。结构腔1包括蒸发段3、绝热段4和冷凝段5。所述的蒸发段3包含若干微柱结构，所述的绝热段4包含若干沿结构腔长度方向延伸的凹槽，所述的冷凝段5包含若干锥台结构；所述的微柱结构、凹槽和锥台结构的宏观结构尺寸小于100μm，微观结构为亚微米尺度的粗糙表面，该微观结构的表面取决于铝基碳化硅材料颗粒比例以及加工过程的表面创成。所述的封装板2连接在所述的结构腔1上，用于密封结构腔1内的工质。优选地，封装板2通过焊接的方式连接在所述的结构腔1上。所述的工质在所述的蒸发段3吸收热量发生蒸腾作用，在所述的冷凝段5通过冷凝作用导出热量，冷凝后通过所述的绝热段4流动回所述的蒸发段3中。
如图2所示，所述的蒸发段3用于在热量导入端通过工质的蒸腾作用实现热交换。蒸发段3包含若干微柱结构，所述的微柱结构阵列式均匀分布，微柱结构的尺寸小于100μm。蒸发段采用微柱结构，微柱结构通过激光辅助微细铣削的方式获得。加工过程的工艺参数为：辅热激光功率300W，光斑直径为250μm，预热时间6s；工参数为切削速度110mm/s，削深度4.5μm。其形成的微观结构表面为碳化硅颗粒剥离后的多孔洞表面。该结构一方面可提供池沸腾作用发生时所需的成核点以及足够大的气-液-固三相换热面积；另一方面，亚微米尺度的微观表面使该结构具有良好的超疏水性从而促进蒸腾作用。
如图3所示，所述的绝热段4包括若干沿结构腔长度方向延伸的凹槽，所述的凹槽均匀分布。优选地，所述的凹槽为V型槽。所述的凹槽的槽宽小于100μm，槽深和槽宽的比例大于1。凹槽通过激光辅助细微铣削的方式获得。加工过程的工艺参数为：辅热激光功率200W，光斑直径为250μ，预热时间5s；加工参数为切削速度240mm/s，铣削深度8μm。采用凹槽结构具有微热管吸液芯的功能，能够增强工质流动时的毛细现象，并通过毛细作用实现工质的传输。决定毛细作用力大小的关键参数是凹槽的宽深比和表面粗糙程度，本发明控制绝热段凹槽的深宽比大于1，能够实现工质的高效传输。
如图4所示，所述的冷凝段5包含若干锥台结构，所述的锥台结构阵列式均匀分布，锥台结构的尺寸小于100μm。锥台结构通过激光加工的方式获得。加工过程的工艺参数为：加工激光功率为40W，光斑直径为25μm，扫描次数为10。其形成的微观结构表面为锥体结构。锥台结构的拓扑特征能促进自发下落运动、自推进或聚结作用从而提高冷凝作用，本质上为工质提供了局部成核位点和全局超疏水性。
在本发明中，根据结构件材料(铝基碳化硅)及空间温度变化范围，选用液氨作为工质。工质在导热微结构内部的蒸发段吸收导入热量发生蒸腾作用，在冷凝段通过冷凝作用导出热量，而工质在上述两段的流动通过中间绝热段微结构毛细作用实现。
综上所述，本发明提供了一种集成于空间光机结构件内部的导热微结构，在高效传热的同时具有一体化程度高、轻量化水平高的优点，符合新一代航天空间光电单机产品的长寿命、高稳定性要求。利用相变高效传热，通过特定的结构和表面实现工质从冷凝段到蒸发段驱动。各段内结构根据尺度分为宏观结构和微观结构特征，通过不同的加工方式获得不同的多尺度结构，以实现蒸发段、绝热段和冷凝段实现不同的功能。通过在极小空间下利用特定的多尺度分形微结构表面实现表面大面积、高效率换热，满足了航天产品轻质化、功能集成化及性能极端化的要求。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种空间光机结构件一体化导热微结构，其特征在于，包括结构腔和封装板；所述的结构腔通过直接在空间光机结构件表面上集成化加工获得，所述的结构件为铝基碳化硅材料；所述的结构腔包括蒸发段、绝热段和冷凝段，所述的蒸发段包含若干微柱结构，所述的绝热段包含若干沿结构腔长度方向延伸的凹槽，所述的冷凝段包含若干锥台结构；所述的微柱结构、凹槽和锥台结构的宏观结构尺寸小于100μm，微观结构为亚微米尺度的粗糙表面；所述的封装板连接在所述的结构腔上，用于密封结构腔内的工质；所述的工质在所述的蒸发段吸收热量发生蒸腾作用，在所述的冷凝段通过冷凝作用导出热量，冷凝后通过所述的绝热段流动回所述的蒸发段中。
2.如权利要求1所述的导热微结构，其特征在于，所述的微柱结构阵列式均匀分布。
3.如权利要求1所述的导热微结构，其特征在于，所述的微柱结构通过激光辅助微细铣削的方式获得，其形成的微观结构表面为碳化硅颗粒剥离后的多孔洞表面。
4.如权利要求1所述的导热微结构，其特征在于，所述的凹槽均匀分布。
5.如权利要求1所述的导热微结构，其特征在于，所述的凹槽为V型槽。
6.如权利要求1所述的导热微结构，其特征在于，所述的凹槽的槽深和槽宽的比例大于1。
7.如权利要求1所述的导热微结构，其特征在于，所述的凹槽通过激光辅助细微铣削的方式获得。
8.如权利要求1所述的导热微结构，其特征在于，所述的锥台结构阵列式均匀分布。
9.如权利要求1所述的导热微结构，其特征在于，所述的锥台结构通过激光加工的方式获得，其形成的微观结构的表面为锥体结构。
CN202011313746.XA 2020-11-20 2020-11-20 一种空间光机结构件一体化导热微结构 Active CN112601418B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011313746.XA CN112601418B (zh) 2020-11-20 2020-11-20 一种空间光机结构件一体化导热微结构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011313746.XA CN112601418B (zh) 2020-11-20 2020-11-20 一种空间光机结构件一体化导热微结构

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112601418A true CN112601418A (zh) 2021-04-02
CN112601418B CN112601418B (zh) 2022-10-18

Family

ID=75183565

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011313746.XA Active CN112601418B (zh) 2020-11-20 2020-11-20 一种空间光机结构件一体化导热微结构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112601418B (zh)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105841535A (zh) * 2016-05-14 2016-08-10 广东工业大学 分段式复合结构平板传热管及其制备方法
US20160315445A1 (en) * 2015-03-24 2016-10-27 Lawrence Livermore National Security, Llc High flux diode packaging using passive microscale liquid-vapor phase change
CN106098634A (zh) * 2016-06-27 2016-11-09 安徽汉升新金属技术有限公司 铝基碳化硅电子元件封装底板、成型模具以及制作方法
CN106604607A (zh) * 2016-11-25 2017-04-26 江苏大学 一种无吸液芯超薄热管装置
CN106705713A (zh) * 2016-12-09 2017-05-24 厦门大学 一种具有多流路互联结构的微通道换热器及其制造方法
CN108878375A (zh) * 2018-06-25 2018-11-23 中国电子科技集团公司第四十研究所 一种适用于微波功率芯片焊接的底板结构
CN111735331A (zh) * 2020-07-31 2020-10-02 杭州威纳激光科技有限公司 一种超薄均热板超亲水微纳米结构吸液芯及制备方法
CN111879158A (zh) * 2020-09-04 2020-11-03 杭州威纳激光科技有限公司 一种分区优化的0.1-0.4mm超薄VC及制备方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160315445A1 (en) * 2015-03-24 2016-10-27 Lawrence Livermore National Security, Llc High flux diode packaging using passive microscale liquid-vapor phase change
CN105841535A (zh) * 2016-05-14 2016-08-10 广东工业大学 分段式复合结构平板传热管及其制备方法
CN106098634A (zh) * 2016-06-27 2016-11-09 安徽汉升新金属技术有限公司 铝基碳化硅电子元件封装底板、成型模具以及制作方法
CN106604607A (zh) * 2016-11-25 2017-04-26 江苏大学 一种无吸液芯超薄热管装置
CN106705713A (zh) * 2016-12-09 2017-05-24 厦门大学 一种具有多流路互联结构的微通道换热器及其制造方法
CN108878375A (zh) * 2018-06-25 2018-11-23 中国电子科技集团公司第四十研究所 一种适用于微波功率芯片焊接的底板结构
CN111735331A (zh) * 2020-07-31 2020-10-02 杭州威纳激光科技有限公司 一种超薄均热板超亲水微纳米结构吸液芯及制备方法
CN111879158A (zh) * 2020-09-04 2020-11-03 杭州威纳激光科技有限公司 一种分区优化的0.1-0.4mm超薄VC及制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112601418B (zh) 2022-10-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhou et al. Heat transfer enhancement due to surface modification in the close-loop R410A flash evaporation spray cooling
Anderson et al. Microelectronic cooling by enhanced pool boiling of a dielectric fluorocarbon liquid
US7723760B2 (en) Semiconductor-based porous structure enabled by capillary force
Ji et al. Experimental study of ultralow flow resistance fractal microchannel heat sinks for electronics cooling
CN201854544U (zh) 一种冷凝辐射散热板
Cao et al. Micro/miniature heat pipes and operating limitations
CN112601418B (zh) 一种空间光机结构件一体化导热微结构
Muthukrishnan et al. Enhanced spray cooling using micropillar arrays: A systematic study
Lin et al. Onset of boiling, heat transfer, and flow patterns of flow boiling on the superhydrophobic porous copper surface in a microchannel
Lou et al. A lattice Boltzmann investigation of the saturated pool boiling heat transfer on micro-cavity/fin surfaces
Rajale et al. A review on the heat transfer performance of pulsating heat pipes
Tang et al. Fabrication and boiling heat transfer characterization of multi-scale microgroove surfaces
Radwan et al. Performance of concentrated photovoltaic cells using various microchannel heat sink designs
Mei et al. Fabrication of copper-based microchannel devices and analysis of their flow and heat transfer characteristics
CN102056468B (zh) 一种冷凝辐射散热板
Hoang et al. Design and thermal analysis of a 3-D printed impingement pin fin cold plate for heterogeneous integration application
Shil et al. Pool boiling performance enhancement of micro/nanoporous coated surfaces fabricated through novel hybrid method
Yang et al. Macro-to microscale boiling heat transfer from metal-graphite composite surfaces
CN113008057A (zh) 双面微通道平板脉动热管制备方法及其应用于高功率芯片散热装置
Jafari et al. Improving the performance of flat heat pipes by exploiting benefits of additive manufacturing
Orman et al. Augmentation of Pool Boiling Heat Transfer Using the Laser Treatment Technology
Mudawwar et al. Boiling incipience in plane rotating water films
Wei et al. Fin efficiency enhancement using a gravity assisted planar heat pipe
Liu et al. Design of micro-channel heat sink with diamond heat spreader for high power LD
Ji et al. Thermal Performance Simulation of Novel Micro Heat Pipe

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant