CN114935272B - 一种基于增材制造的一体化成型均温板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于增材制造的一体化成型均温板，该一体化成型均温板包括腔体壁面、腔体强化柱和清粉排气灌注口，腔体壁面内设有壁面毛细芯、锥状堆叠强化毛细芯和多孔毛细环，锥状堆叠强化毛细芯下设有复合微槽干道，腔体壁面内部形成真空气密腔室并灌注低沸点液态工质，腔体强化柱设于腔体壁面内，清粉排气灌注口设于所述真空气密腔室侧面的腔体壁面。本申请通过将均温板所有组成构件以冶金方式结合，减小了接触热阻，在多元化灵活选材的基础上，采用了基于增材制造技术的适应性设计，可充分利用增材制造的技术优势，加工工序少，工艺流程简单，加工周期短，制造成本低，质量可靠，能够满足各种环境适应性要求。

Description

一种基于增材制造的一体化成型均温板

技术领域

本发明涉及电子设备热控技术领域，尤其涉及到一种基于增材制造的一体化成型均温板。

背景技术

随着芯片运行速度的不断提高，电子元器件功率的增大，发热量也越来越大，热控设计对保证电子元器件正常工作起着非常重要的作用。电子设备在工作中面临着诸多限制,如工作环境非常恶劣、空间密闭狭小、无法直接供风供液冷却、体积重量限制等多种苛刻条件，尤其是航空、航天、通信等领域电子设备，其功率高、热流密度大，电子元件超过最高许用温度后就可能会因过热而性能下降甚至失效。平板热管或均温板(后文仅以均温板表述)因体积薄、传热高效，成为了电子设备中不可或缺的散热装置。同时因电子设备日趋轻薄化、高集成化，其安装平台、环境条件也日赵复杂，热负荷也会不断增大，这就要求热管的设计灵活性更强、厚度更薄、换热效率更高、质量更好。

传统的均温板采用机械加工制得，因需留存内部空间进行蒸汽和液体循环流动，其外壳多采用焊接、压接方式形成空腔，而采用焊接或压接法进行外壳腔体密封，受焊接工艺工装限制，一方面构件厚度、边缘面积会大幅增加，另一方面其形状、尺寸、安装接口会受到很大的约束，适装性差，经常无法满足设备研制的要求。另外均温板内部多孔毛细芯是对热管的传热性能产生决定性影响的关键部件，多采用烧结、压接的方式成型和固定，一般只能采用规则的形状和尺寸，无法进行异形和局部强化设计，无法设置高效的汽液分离干道，同时在加工过程中，内部多孔毛细芯的破坏程度较大，质量一致性差，导热率较低，无法达到预期的效果。最后，传统的均温板存在加工工艺复杂，涉及的工序、流程多，周期长、成本高等限制其广泛应用的瓶颈，使其只能在高价值的装备或大批量生产的装备中使用，无法满足大多数普通、多样的小批量或定制类军民用电子设备的热控需求。

要提高均温板综合换热效率的提升，促进均温板在电子设备热控领域的广泛应用，就需要克服传统均温板受加工制造工艺方法带来的设计局限，通过采用新的制备工艺，从而解放设计思想，产生新的设计方案。

其中中国专利申请号CN201910808646.5公开了“一种3D打印多孔毛细芯超薄平板热管及打印方法”，提出通过3D打印分步加工平板热管的腔体及内部多孔毛细芯的方法，在平板热管的设计、加工上具有一定的灵活性。但该方法由于没有掌握均温板实心结构与多孔毛细结构同种材料一体化、一次性加工成型的关键技术，3D打印的赋予均温板设计与制造的技术优势并没有得到充分发挥，导致并没有根本性地解决均温板广泛应用的瓶颈问题。首先平板热管腔体与多孔毛细芯需分步打印，平板热管腔体内部由于在后期还需要另外烧结或打印多孔毛细结构，所以其腔体必须是开放式结构，需要多次打印并通过焊接、热压等方式实现拼接密封，其成型质量不可控、可设计性差。其次多孔毛细芯为3D打印金属粉末与造孔剂混合烧结后得到的多孔结构，工艺工序复杂，可设计性差，无法在同一个层面上既设计实体强化结构，又设计强化沸腾、吸附的多孔毛细结构，无法设计实体结构与多孔毛细结构相结合的复合异形微槽干道，同时多次更换材料对3D打印设备的使用维护要求高，打印质量不可控。另外由于需要多次分步打印或密封，多孔毛细结构与腔体实心结构无法以冶金方式连为一体，接触热阻较高，影响换热效率，均温板腔体内容结构材料多次暴露在空气中，材料氧化导致表面吸附、浸润性能下降。

中国专利申请号CN202010429819.5公开了“一种一体化平板微热管结构及其3D打印制造方法”，提出分四个步骤实现3D打印平板微热管结构，解决传统平板微热管分体式结构制造方法工序多、生产周期长、制造成本高的问题。该方法重点对平板热管结构3D打印制造方法提出了新的方案，但没有充分利用增材制造工艺技术的优势，没有对平板热管结构提出增强沸腾、改善气液相循环，提高相变热输运能力的新型设计方案。

中国专利申请号CN201910547149.4公开了“一种复合结构的平板吸液芯及其制造方法”，提出基于增材制造技术，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，有效提升零件的散热能力，显著降低热阻，增大传热效率。但该方法所述的复合结构吸液芯的模型由三维软件绘制，其毛细孔洞(基孔)由模型中具有连通的小孔隙以及嵌套于小孔结构中的大孔组成，其尺度受工艺技术限制，最小尺寸在0.4mm以上，并不是真正意义上靠工艺过程参数控制、随机生成的数十微米级开关各异的毛细结构，并不具备与传统烧结毛细结构相当或更优的冷却介质毛细吸附、浸润性能。

中国专利申请号CN201610103785.4公开了“一种嵌入有毛细结构管道的零件制造方法”，提出通过增材制造，使得零件、管体与毛细结构一体化，有效地提高了零件最大传热量、加快了热传导效率。该技术方案仅利用增材制造工艺制作侧壁带有各种沟槽结构的直线型或曲线型管道毛坯，而其多孔毛细结构仍然采用传统的丝网毛细结构或烧结毛细结构，既需要在管道毛坯制作完成后，再次在其侧壁沟槽中填充丝网毛细结构或烧结粉末结构，同时仍然需要通过高温烧结工序，并不能真正利用增材制造工艺一体化、一次性完成平板热管实体结构以及多孔毛细结构的加工。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于增材制造的一体化成型均温板，旨在解决目前现有均温板设计、加工技术存在的换热效率不高、加工复杂的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种基于增材制造的一体化成型均温板，包括：

腔体壁面，所述腔体壁面内设有壁面毛细芯、锥状堆叠强化毛细芯和多孔毛细环，所述锥状堆叠强化毛细芯下设有复合微槽干道，所述腔体壁面内部形成真空气密腔室并灌注低沸点液态工质；

腔体强化柱，设于所述腔体壁面内，支撑所述真空气密腔室的上下两面的腔体壁面；

清粉排气灌注口，设于所述真空气密腔室侧面的腔体壁面。

本发明中，所有组成构件通过选择性激光熔化(SLM)增材制造技术一次性、一体化成型为一个完整部件，加工完成后内部形成真空气密腔室并灌注低沸点液态工质。该均温板及其腔体壁面、壁面毛细芯尺寸、形状可根据安装及应用需求进行任意设计，锥状堆叠强化毛细芯、复合微槽干道、腔体强化柱、多孔毛细环的形状、尺寸与布局可根据蒸发区、冷凝区的布局以及工质气、液相流场特征进行灵活调整以满足热控需求。

可选的，所述腔体壁面、壁面毛细芯、锥状堆叠强化毛细芯、复合微槽干道、腔体强化柱、多孔毛细环和清粉排气灌注口皆通过选择性激光熔化增材制造技术一次性、一体化成型。

本发明中，增材制造表面自然形成的微、纳米粗糙结构可显著增强材料表面的浸润性能，同时不需要多次钎焊、烧结等复杂工序，可避免材料氧化导致表面吸附、浸润性能下降。

可选的，所述增材制造所选用材料为铜粉、铝粉或不锈钢粉。

本发明中，腔体尺寸、形状可根据热源位置、蒸发区、冷凝区的布局进行其它任意变形设计。

可选的，所述壁面毛细芯、锥状堆叠强化毛细芯和多孔毛细环采用多孔毛细结构在腔体实心结构上一次性、一体化成型为一个完整部件，所述壁面毛细芯、锥状堆叠强化毛细芯和多孔毛细环的形状、尺寸、布局与孔隙率根据蒸发区、冷凝区的布局以及工质气、液相流场特征进行灵活调整。

本发明中，其材料与腔体实心结构一致，不需要类似传统烧结工艺所需的造孔剂、丝网等其它材料。

可选的，所述壁面毛细芯、锥状堆叠强化毛细芯和多孔毛细环直接与所述真空气密腔室的腔体壁面以冶金方式连为一体。

本发明中，相较于传统烧结方法，多孔毛细结构与腔体加热壁面接触条件良好，有效降低接触热阻，提高换热效率。

可选的，所述锥状堆叠强化毛细芯设置于用于加热或用于蒸发区的腔体壁面内，所述锥状堆叠强化毛细芯设置为条状或锯齿状沿传热方向阵列分布。

本发明中，锥状尖峰的翅片效应可极大增加相变蒸发界面面积，提高极限换热能力。

可选的，所述复合微槽干道设置于用于加热或用于蒸发区的腔体壁面与壁面毛细芯之间，所述复合微槽干道设置为菱形。

本发明中，在腔体加热壁或蒸发区的腔体壁面、壁面毛细芯之间设计菱形的复合微槽干道，菱形的复合微槽干道便于实现增材制造，其翅片效应可有效增大初始换热面积、降低了加热面的热流密度、增强液相工质浸润吸附作用，其干道效应(相分离与调制)提供了蒸气逸出的通道，相较于传统多孔结构蒸发/沸腾传热过程中严重的气液逆流阻力，可避免气液流向干扰，促进气液工质分流，气相主要通过干道分流排出，液相主要通过毛细吸附作用回流，其蒸气与液体流动路径更加合理。

可选的，所述腔体强化柱设置为实心结构或网格结构的圆柱形、方形或矩形。

本发明中，在上下腔体壁面之间设计腔体强化柱，腔体强化柱可有效增强均温板刚强度，便于增设均温板安装接口，腔体强化柱可设计为实心结构或网格结构，可设计为圆柱形、方形或矩形，也可根据多热源散热或定向热传输需要设计为定向导流隔热板，避免局部形成自循环。

可选的，所述多孔毛细环设置于所述腔体强化柱的四周。

本发明中，多孔毛细环的毛细吸附作用可有效引导、加速液相工质回流，提高综合传热、换热效率。

可选的，在腔体一角设计与真空气密腔室贯通的清粉排气灌注口。

本发明中，通过清粉排气灌注口可有效清除真空气密腔室内增材制造过程中遗留的粉末材料，同时可作为内部抽真空与工质灌注的接口。

可选的，所述低沸点液态工质采用酒精、丙酮、氨或水。

本发明中，真空气密腔室内灌注低沸点液态工质，低沸点液态工质可选用酒精、丙酮、氨或水等低沸点且不会与金属材料间发生氧化反应，不会产生不凝性气体的液体。非工作状态时低沸点液态工质储存于腔体周边壁面毛细芯、锥状堆叠强化毛细芯、多孔毛细环等多孔毛细结构的孔隙中以及菱形复合微槽干道的沟槽中，工作状态时液态工质在蒸发区的多孔毛细结构以及复合微槽道内蒸发吸热形成蒸汽，蒸汽通过复合微槽道以及壁面毛细芯逸出扩散，流经温度较低的冷凝区放热重新凝结为液态，液态工质在在毛细力作用下通过壁面毛细芯、多孔毛细环回流至蒸发区的多孔毛细结构以及复合微槽道内再次进行蒸发吸热，如此持续循环实现高效热扩散。

本发明相比于现有点阵结构具有如下有益效果：

综合换热效率更高。本发明将均温板所有组成构件以冶金方式结合，减小了接触热阻。在均温板内腔壁面设计有壁面毛细芯以及锥状堆叠强化毛细芯，改善了毛细蒸发效果。在腔体壁面、壁面毛细芯之间设计有菱形复合微槽干道用于提供蒸气逸出通道，促进气液工质分流。在腔体强化柱周边设计多孔毛细环，在增强结构强度的同时有利于液相回流。以上多种优化设计有效保证了工质在均温板内相变循环换热的高效性，提高循环换热效率。

设计更加灵活，适装性更好。本发明在多元化灵活选材的基础上，采用了基于增材制造技术的适应性设计，可充分利用增材制造的技术优势，使均温板及其腔体壁面、壁面毛细芯、锥状堆叠强化毛细芯、复合微槽干道、腔体强化柱、多孔毛细环的尺寸、形状、布局可根据安装及应用需求进行任意设计，有效解决均温板广泛推广应用的设计灵活、适装性问题。

加工工序少，工艺流程简单，加工周期短，制造成本低，质量可靠，能够满足各种环境适应性要求。本发明将均温板所有组成构件通过选择性激光熔化(SLM)增材制造技术一次性、一体化成型为一个完整部件，不需要分步打印，不需要后期另外烧结或打印多孔毛细结构，不需要通过焊接、热压等方式进行拼接密封，不需要多次更换材料，内腔不会多次暴露在空气中导致表面材料氧化，加工工序少，工艺流程简单，从而明显缩短加工周期，降低制造成本，提高成型质量。

附图说明

图1是本发明一种基于增材制造的一体化成型均温板的剖切图。

图2是图1中腔体壁面任意变形设计示意图。

图3是腔体周边壁面毛细芯、锥状堆叠强化毛细芯、多孔毛细环的一般设计与布局示意图。

图4是菱形复合微槽干道的一般设计与布局示意图。

附图标号说明：1-腔体壁面，2-壁面毛细芯，3-锥状堆叠强化毛细芯，4-菱形复合微槽干道，5-腔体强化柱，6-多孔毛细环，7-清粉排气灌注口，8-真空气密腔室，9-低沸点液态工质，10-热源。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释发明，并不用于限定发明。

下面将结合发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。

需要说明，发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当人认为这种技术方案的结合不存在，也不在发明要求的保护范围之内。

目前，相关技术领域中，现有均温板设计、加工技术存在的换热效率不高、加工复杂。

为了解决这一问题，提出本发明的基于增材制造的一体化成型均温板的各个实施例。本发明提供的基于增材制造的一体化成型均温板，通过将均温板所有组成构件以冶金方式结合，减小了接触热阻，在多元化灵活选材的基础上，采用了基于增材制造技术的适应性设计，可充分利用增材制造的技术优势，加工工序少，工艺流程简单，加工周期短，制造成本低，质量可靠，能够满足各种环境适应性要求。

参阅图1，提供一种基于增材制造的一体化成型均温板，该一体化成型均温板包括：腔体壁面1、壁面毛细芯2、锥状堆叠强化毛细芯3、复合微槽干道4、腔体强化柱5、多孔毛细环6、清粉排气灌注口7。

其中，所有组成构件通过选择性激光熔化(SLM)增材制造技术一次性、一体化成型为一个完整部件，加工完成后内部形成真空气密腔室8并真空灌注低沸点液态工质9。

在腔体壁面毛细芯2上设计呈条状或锯齿状沿主要传热方向阵列分布的锥状堆叠强化毛细芯3以增加相变蒸发界面面积，提高极限换热能力。在腔体壁面1、壁面毛细芯2之间设计既便于实现增材制造又可有效增大初始换热面积、增强液相工质浸润吸附作用的菱形复合微槽干道4。在上下腔体壁面1之间设计用于增强结构强度的腔体强化柱5，在腔体强化柱5的四周设计可有效引导、加速液相工质回流的多孔毛细环6。在腔体一角设计与真空气密腔室8贯通的用于清除增材制造过程遗留粉末材料，同时可作为内部抽真空与工质灌注接口的清粉排气灌注口7。

其中，腔体壁面1、腔体强化柱5、清粉排气灌注口7为实心金属增材制造结构，所用工艺为一般的选择性激光熔化(SLM)增材制造工艺，壁面毛细芯2、锥状堆叠强化毛细芯3、复合微槽干道4、多孔毛细环6为多孔毛细金属增材制造结构，所用工艺为选择性激光熔化(SLM)增材制造多孔毛细专用工艺。

需要说明的是，所有结构选用同一种材料，可为铜粉、铝粉或不锈钢粉。低沸点液态工质9可选用酒精、丙酮、氨或水等低沸点且不会与金属材料间发生氧化反应，不会产生不凝性气体的液体。

在非工作状态时，低沸点液态工质9储存于腔体周边壁面毛细芯2、锥状堆叠强化毛细芯3、多孔毛细环6等多孔毛细结构的孔隙中以及菱形复合微槽干道4的沟槽中。

在工作状态时，液态工质在蒸发区的多孔毛细结构以及复合微槽道内蒸发吸热形成蒸汽，蒸汽通过复合微槽道以及壁面毛细芯逸出扩散，流经温度较低的冷凝区放热重新凝结为液态，液态工质在在毛细力作用下通过壁面毛细芯2、多孔毛细环6回流至蒸发区的多孔毛细结构以及复合微槽道内再次进行蒸发吸热，如此持续循环实现高效热扩散。

参阅图2，基于增材制造、一体化成型的技术优势，均温板腔体形状、尺寸可根据热源位置、蒸发区、冷凝区的布局以及安装环境条件的要求进行任意变形设计，如图2(a)为典型的单热源扩散型平板均温板，图2(b)为单热源传输型平板均温板，图2(c)为单热源传输L型均温板。均温板腔体厚度根据现有工艺技术能力，可设计为2.5mm～5mm，相应内腔高度可设计为1mm～3mm。均温板腔体也可以根据需求与发热电子产品的其它结构件进行结构功能一体化设计，展现更加灵活的设计灵活性与适应性。

参阅图3，腔体周边壁面毛细芯2、锥状堆叠强化毛细芯3、多孔毛细环6等多孔毛细结构的形状、尺寸、布局与孔隙率可根据蒸发区、冷凝区的布局以及工质气、液相流场特征进行灵活调整。其中壁面毛细芯2厚度可设计为0.3mm～0.8mm，腔体蒸发区壁面毛细芯厚度可以大于冷凝区的壁面毛细芯厚度。锥状堆叠强化毛细芯3主要布局在腔体蒸发区壁面毛细芯上，可以是圆锥形、棱锥形，高度0.3mm～0.8mm，锥角30°～90°，呈条状或锯齿状沿主要传热方向阵列分布。多孔毛细环6依附于腔体强化柱5周围，厚度可设计为1mm～2mm。

参阅图4，在腔体加热壁或蒸发区的腔体壁面1、壁面毛细芯2之间设计菱形复合微槽干道4。菱形复合微槽干道4一半位于腔体壁面1的实体结构中，一半位于壁面毛细芯2的多孔毛细结构中。菱形复合微槽干道的当量直径为0.5mm～1.2mm，菱形尖角30°～90°。微槽干道的位置布局、走向根据热源10的位置、热扩散方向与锥状堆叠强化毛细芯3的位置布局、走向一致。复合微槽干道4的形状也可设计为矩形或其它形状，可全部位于腔体壁面的实体结构中，或者全部位于壁面毛细芯2的多孔毛细结构中。

本实施例提供了一种基于增材制造的一体化成型均温板，通过将均温板所有组成构件以冶金方式结合，减小了接触热阻，在多元化灵活选材的基础上，采用了基于增材制造技术的适应性设计，可充分利用增材制造的技术优势，加工工序少，工艺流程简单，加工周期短，制造成本低，质量可靠，能够满足各种环境适应性要求。

除上述具体实施方式外，还可通过更改或优化局部组成部件的设计方案而扩展使用范围。典型的有改变均温板整体外形、尺寸、材料；改变强化浸润吸附和沸腾效果的多孔毛细结构尺寸、形状、布局、孔隙率；改变内部腔体强化结构的形状、布局；改变低沸点液态工质材料、充填数量；改变充填灌注口设置、充填及密封工艺等。

以上仅为发明的优选实施例，并非因此限制发明的专利范围，凡是利用发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于增材制造的一体化成型均温板，其特征在于，包括：

腔体壁面(1)，所述腔体壁面(1)内设有壁面毛细芯(2)、锥状堆叠强化毛细芯(3)和多孔毛细环(6)，所述锥状堆叠强化毛细芯(3)下设有复合微槽干道(4)，所述腔体壁面(1)内部形成真空气密腔室(8)并灌注低沸点液态工质(9)；

所述锥状堆叠强化毛细芯(3)设置于用于加热或用于蒸发区的腔体壁面(1)内，所述锥状堆叠强化毛细芯(3)设置为条状或锯齿状沿传热方向阵列分布；

所述复合微槽干道(4)设置于用于加热或用于蒸发区的腔体壁面(1)与壁面毛细芯(2)之间，所述复合微槽干道(4)设置为菱形；

腔体强化柱(5)，设于所述腔体壁面(1)内，支撑所述真空气密腔室(8)的上下两面的腔体壁面(1)；

清粉排气灌注口(7)，设于所述真空气密腔室(8)侧面的腔体壁面(1)；

所述腔体壁面(1)、壁面毛细芯(2)、锥状堆叠强化毛细芯(3)、复合微槽干道(4)、腔体强化柱(5)、多孔毛细环(6)和清粉排气灌注口(7)皆通过选择性激光熔化增材制造技术一次性、一体化成型；

所述壁面毛细芯(2)、锥状堆叠强化毛细芯(3)和多孔毛细环(6)采用多孔毛细结构在腔体实心结构上一次性、一体化成型为一个完整部件；

所述壁面毛细芯(2)、锥状堆叠强化毛细芯(3)和多孔毛细环(6)直接与所述真空气密腔室(8)的腔体壁面(1)以冶金方式连为一体。

2.如权利要求1所述的基于增材制造的一体化成型均温板，其特征在于，所述增材制造所选用材料为铜粉、铝粉或不锈钢粉。

3.如权利要求1所述的基于增材制造的一体化成型均温板，其特征在于，所述壁面毛细芯(2)、锥状堆叠强化毛细芯(3)和多孔毛细环(6)的形状、尺寸、布局与孔隙率根据蒸发区、冷凝区的布局以及工质气、液相流场特征进行灵活调整。

4.如权利要求1所述的基于增材制造的一体化成型均温板，其特征在于，所述腔体强化柱(5)设置为实心结构或网格结构的圆柱形、方形或矩形。

5.如权利要求1所述的基于增材制造的一体化成型均温板，其特征在于，所述多孔毛细环(6)设置于所述腔体强化柱(5)的四周。

6.如权利要求1所述的基于增材制造的一体化成型均温板，其特征在于，所述低沸点液态工质(9)采用酒精、丙酮、氨或水。