TWI654068B - 模製塑膠物件及耗散熱之方法 - Google Patents

模製塑膠物件及耗散熱之方法

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帕洛阿爾托研究中心公司
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Abstract

實施例是有關於一種模製塑膠物件，其包括在該塑膠物件內之至少一個蒸汽腔室。一浸潤材料與該蒸汽腔室之一內壁的至少一部分接觸。位於該蒸汽腔室內之一工作流體經組成以將熱自該塑膠物件之較暖區域分佈至該塑膠物件之較冷區域。在一些實施例中，該模製塑膠物件為一固體噴墨印刷頭之部分或全部。

Description

模製塑膠物件及耗散熱之方法
本發明是關於包括整合式熱散播器之射出模製塑膠物件，以及其製造及使用方法。
有用於諸如汽車或消費型電子工業之工業中之製造中的許多物件需要能夠將熱傳導離開物件中之熱區域或使熱貫穿物件均勻地分佈。此情形在塑膠物件之至少部分靠近諸如引擎體或攜帶型電腦中之電池的熱源時特別重要。塑膠之射出模製提供較低製造成本及較高部分至部分均一性之可能性，因此，其為許多工業所關注之製造製程。然而，由於大多數塑膠具有低熱導率，故即使當使用傳導填充物時，塑膠物件在某些應用中之使用亦可受到限制。
固體噴墨印刷頭是使用堆疊式金屬板或板與塑膠層之堆疊而製造。此等印刷頭是運用黏著安裝式電阻性加熱器而保持於該等印刷頭中使用之固體墨水的大約相變溫 度。然而，此等印刷頭具有一些熱均一性挑戰(熱梯度)--尤其是對於寬格式(A3紙)外觀尺寸。
一種用以克服射出模製塑膠物件中之低熱導率或均一性的方式可為將一較高傳導率元件直接地整合至該塑膠物件中以促進來自射出模製製程之熱的均一散播及耗散。在一個態樣中，揭示一種模製塑膠物件，其包括在該塑膠物件內之至少一個蒸汽腔室。該蒸汽腔室具有一內壁。一浸潤材料與該蒸汽腔室之該內壁的至少一部分接觸。一工作流體位於該蒸汽腔室內，且經組成以將熱自該塑膠物件之較暖區域分佈至該塑膠物件之較冷區域。在一些實施例中，該塑膠模製物件為一固體噴墨印刷頭之部分或全部。
在另一態樣中，揭示一種製造一模製塑膠物件之方法，其包括將一熔融聚合物射出至一模具中。該模具包括具有一內壁之至少一個蒸汽腔室。該模具亦包括至少與該蒸汽腔室之該內壁接觸的一浸潤材料。該所揭示方法亦包括冷卻該熔融聚合物以允許該熔融聚合物凝固、自該模具移除該塑膠物件，及運用工作流體來填充該蒸汽腔室，該工作流體經組成以將熱自該塑膠物件之較暖區域分佈至該塑膠物件之較冷區域。
在另一態樣中，揭示一種耗散熱之方法，其包括模製一塑膠物件，該塑膠物件經構型以將熱自該塑膠物件之較暖區域分佈至該塑膠物件之較冷區域。該塑膠物件包括具 有一內壁之至少一個蒸汽腔室。模具亦包括至少與該蒸汽腔室之該內壁接觸的一浸潤材料，及在該蒸汽腔室、該浸潤材料或兩者內之一工作流體。該工作流體經組成以將熱自該塑膠物件之較暖區域分佈至該塑膠物件之較冷區域。該方法進一步包括將該塑膠物件定位成近接於一熱源，且接著將熱自該熱源耗散至該塑膠物件。
以上概述不意欲描述本發明之每一所揭示實施例或每一實施方案。諸圖及以下詳細描述更特定地例示說明性實施例。
100‧‧‧噴墨印刷頭
110‧‧‧射出模製閘
120‧‧‧流道
125‧‧‧電阻性加熱器
130‧‧‧填充通口
135‧‧‧空腔
200‧‧‧熱散播器
220‧‧‧熱源
225‧‧‧蒸汽腔室
230‧‧‧浸潤材料
240‧‧‧冷區域(冷凝區域)
260‧‧‧蒸汽
270‧‧‧熱能
300‧‧‧噴墨印刷頭
310‧‧‧射出模製閘
320‧‧‧流道
330‧‧‧主模空腔
335‧‧‧通口
400‧‧‧噴墨印刷頭本體
410‧‧‧閘
420‧‧‧虛設插入物
422‧‧‧蒸汽腔室插入物
425‧‧‧內壁
430‧‧‧空間
501~506‧‧‧步驟
貫穿本說明書，參看隨附圖式，其中類似參考數字指定類似元件，且其中：
圖1為包括所揭示之整合式熱散播器之模製塑膠噴墨印刷頭的橫截面圖。
圖2為根據本文所揭示之實例實施例的蒸汽腔室熱散播器之基本構型的橫截面說明。
圖3為展示用於製造包括整合式熱散播器之模製塑膠噴墨印刷頭之單射射出模製製程的橫截面圖。
圖4A及圖4B為說明用於製造包括整合式熱散播器之模製塑膠噴墨印刷頭之兩步驟射出模製製程的橫截面示意圖。
圖5為製造所揭示之塑膠模製物件的製程之實施例的流程圖。
諸圖未必按比例繪製。諸圖中使用之類似編號指代類似組 件。然而，應理解，使用編號以指代給定圖中之組件並不意欲限制另一圖中運用相同編號所標註之組件。
在以下描述中，參看隨附圖式集合，該等圖式形成本發明之描述的部分，且其中作為說明而展示若干特定實施例。應理解，在不脫離本發明之範疇的情況下，預期且可製作其他實施例。因此，不應在限制性意義上理解以下詳細描述。
除非另有指示，否則表達本說明書及申請專利範圍中使用之特徵大小、數量及物理性質的所有數字應被理解為在所有例子中由術語「約」修飾。因此，除非有相反指示，否則前述說明書及隨附申請專利範圍中闡述之數值參數為可取決於由熟習此項技術者利用本文所揭示之教示而設法獲得之所要性質而變化的近似值。藉由端點而對數值範圍之使用包括在彼範圍內之所有數字(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4及5)，及在彼範圍內之任何範圍。
塑膠或聚合物件或零件用於製造中以替換金屬。相較於金屬零件，塑膠物件或零件可被製造得較輕、較不昂貴，且可容易得多地模製或切割成極複雜形狀。然而，塑膠之可極不同於金屬的一個性質為：金屬可為極良好熱導體且允許熱自物件之較暖區域快速地傳播至較冷區域，而大多數塑膠具有極低熱導率係數且在熱轉移(熱散播)方面極低效。存在可歸因於塑膠零件藉由諸如射出模製、鑄造與固 化模製及雷射切除之模製技術容易地形成為許多形狀之能力而受益於使用塑膠零件的許多工業應用。此等應用中之一些可受益於可較易於耗散熱或使熱貫穿零件散播以便降低零件之溫度或縮減溫度貫穿零件之非均一性的塑膠零件。舉例而言，在汽車工業中存在可使用可能在熱源附近之塑膠零件或能夠使用零件來散播熱或耗散熱(諸如，離開熱敏感的電池或其他汽車組件)的應用。另外，在消費型電子工業中存在移動或散播熱離開熱敏感組件將有益的應用。
一種用以增加塑膠之熱導率的方式可為將導熱粒子添加至塑膠。用以使熱貫穿塑膠物件散播之另一方式可為將諸如傳導金屬桿或棒之導熱組件或其他導熱金屬性物件模製至塑膠零件中。塑膠物件之射出模製可產生具有極任意形狀之本體的物件。將有用的是開發可以快速方式散播熱且達成熱均一性之塑膠物件。在一個實施例中，塑膠噴墨印刷頭可被預見為熱散播塑膠物件可極有用的實例。
術語固體(或相變)噴墨印刷指代使用以固體(常常為蠟狀)形式而存在之墨水的一類影像成形製程及/或影像成形器件。固體墨水可在墨水儲存及供應器件之墨水裝載部分與噴出型墨水遞送印刷頭之間熔融成液體形式或液相。噴出型墨水遞送印刷頭可將以熔融/液體形式或熔融相/液相呈現給噴出型墨水遞送印刷頭之墨水施配至經加熱中間轉移結構(諸如，中間轉移鼓)上或直接地施配至影像接收介質(諸如，紙)之基板上，該影像接收介質亦可能已經被初步地加熱以較好地接受熔融墨水。
固體(或相變)噴墨印表機可在墨水被饋入至噴墨印刷頭之複雜管道中之前在墨水儲存及供應器件之出口端處將固體墨水熔融至液體。接著可使用壓電致動印刷頭(有時被稱作「噴射管(jetstack)」)而自噴嘴噴射呈加熱/液體形式或加熱相/液相之墨水。印刷頭可用以將呈加熱/液體形式或加熱相/液相之墨水遞送至中間轉移裝置之經加熱表面，以供進一步轉移至影像接收介質之基板或直接地轉移至基板，在該基板處，墨水冷卻以在該基板上形成有時顯著凸起之經印刷影像。
將需要縮減噴墨印刷頭內與模製印刷頭相關聯之大溫度梯度，使得噴墨製程橫越印刷頭均一。在相較於金屬構造提供實質成本縮減之射出模製塑膠印刷頭的狀況下，橫越印刷頭之面達成諸如小於1℃至3℃之變化的熱均一性可歸因於射出模製塑膠之低熱導率而具挑戰性。整合式熱散播器可提供改良型熱均一性及噴墨效能。
本發明描述諸如噴墨印刷頭之模製塑膠物件，其包括整合式熱散播器或熱管。整合式熱散播器可將熱自塑膠物件之較暖區域分佈至塑膠物件之較冷區域，且允許貫穿物件之快速及均一熱分佈。在此整合式熱散播器的情況下，來自射出模製製程之熱可被快速地引導離開較熱區域或在模製塑膠物件內之敏感電子組件周圍的區域，且可因此保護該等組件並防止該等組件移出適當位置外。
所揭示之塑膠物件包括整合式熱散播器，該整合式熱散播器具有在塑膠物件內的具有內壁之至少一個蒸汽腔 室。在一些實施例中，蒸汽腔室之壁可為具有圓形或卵形橫截面之管狀。在其他實施例中，蒸汽腔室之壁可具有平坦管狀橫截面。蒸汽腔室可具有壁，該等壁具有連續且閉合之任何形狀，只要該形狀提供表面以供浸潤材料與工作流體之接觸即可。蒸汽腔室具有蒸發區段及冷凝區段。蒸發區段可隨著其冷卻而與模製塑膠物件之暖部分進行熱接觸。冷凝區段可隨著其冷卻而與模製塑膠物件之較冷部分進行熱接觸。熱自冷卻模製塑膠物件之較暖部分轉移至模製塑膠物件之較冷部分，藉此使熱貫穿物件在模製塑膠物件中均一地分佈且消除或極大地縮減材料中之熱梯度。在一些實施例中，蒸汽腔室可具有冷凝區段，該冷凝區段與諸如模製塑膠物件之外表面的散熱器或外部散熱器接觸，該外部散熱器與模製塑膠物件之外表面進行熱接觸。
蒸汽腔室包括在其內之浸潤材料，該浸潤材料與蒸汽腔室之內壁的至少一部分接觸。浸潤材料可為具有針對工作流體之親和性的任何多孔材料。在一些實施例中，浸潤材料可為具有高表面積之親水性材料，諸如，具有小網目大小之混合粉末，該親水性材料可如(例如)美國專利申請公開案第2013/0168052 A1(Meyer,IV等人)中所揭示或藉由與塑膠材料及處理相容之其他相似/類似製程而燒結至蒸汽腔室之內壁。在其他實施例中，浸潤材料可為能夠吸收工作流體之聚集微纖維，如(例如)美國專利申請公開案第2008/0210407號(Kim等人)中所描述。在又其他實施例中，浸潤材料可包括複數個分離通道之支撐支架，該等分離通道 允許工作流體之蒸汽通過，如(例如)美國專利申請公開案第2011/0315351號(Meyer,IV等人)中所揭示。浸潤材料可為任何熱耗散器件，其可與工作流體蒸汽相互作用，且可有助於將熱轉移至工作流體或自工作流體轉移熱。其他有用浸潤材料被揭示於(例如)美國專利申請公開案第2011/0232877號及第2012/0279687號(兩者皆頒予Meyer,IV等人)中。上述參考案之全文是以引用方式併入本文中。在一些實施例中，諸如以商品名NANOSPREADER可購自Celsia Technologies(Miami,FL)之組件的熱散播器中之一些或全部組件可作為整合式熱散播器或熱管系統而有用。
在一些實施例中，浸潤材料可為多工聚合發泡體。多孔發泡體可提供足夠浸潤作用以允許蒸發及冷凝之熱管熱力循環完成，使得存在所界定之較冷(冷凝)區段及所界定之較暖(蒸發)區段。在利用的情況下，多孔聚合發泡體可易於整合至模製塑膠物件之模製製程中。若多孔聚合發泡體亦射出模製至模製塑膠物件之開口中，則模具中諸如電阻性加熱導線或電導線之任何插入物可需要錨定於適當位置，如在模製塑膠物件之本體的模製中一樣。在多孔聚合發泡體浸潤材料與用於模製塑膠本體之本體的塑膠材料之間亦可存在黏著及整合。
圖1為包括所揭示之整合式熱散播器之模製塑膠噴射管(噴墨印刷頭)的橫截面圖。噴墨印刷頭100包括射出模製閘110，其允許來自流道120之熔融聚合物射出以形成噴墨印刷頭100之本體。噴墨印刷頭100具有空腔135，空腔 135可含有敏感電子零件，或需要冷卻或均一溫度之其他零件。用於噴墨印刷頭100之模具包括電阻性加熱器125、蒸汽腔室140及噴射管板150作為至模具中之插入物。該等插入物可(例如)使用磁鐵或熱穩定黏著劑而固持於適當位置。連接至蒸汽腔室140之填充通口130在第二射出模製步驟中用以將多孔聚合浸潤材料射出至蒸汽腔室140中。蒸發區段包括蒸汽腔室140之近接於電阻性加熱器125的區段。冷凝區段包括蒸汽腔室140之遠離於電阻性加熱器125且緊接於射出模製噴墨印刷頭100之邊緣或外表面的區段。
圖2為根據本文所揭示之實例實施例的蒸汽腔室熱散播器之基本構型的橫截面說明。熱散播器200具有在蒸汽腔室225內部之工作流體。蒸汽腔室225在兩個端處且在所有側上密封。蒸汽腔室225之內壁的至少一部分包括浸潤材料230。蒸汽腔室與熱源220接觸。熱源220可為電阻性加熱器，或射出模製塑膠之內部中正冷卻的熱區。熱源220將熱能270提供至蒸汽腔室225中之工作流體。此情形使工作流體汽化，且隨著蒸汽260或暖流體而將熱傳導離開熱源220，如由虛線箭頭所展示。經加熱蒸汽260自熱(蒸發區域)源220遷移至冷區域(冷凝區域)240，冷區域(冷凝區域)240可處於射出模製塑膠零件之邊緣。因此，蒸汽腔室225內之熱力蒸發/冷凝循環將熱自較暖區域分佈至較冷區域。
工作流體可為可在蒸汽腔室內發生相變且藉此將熱自模製塑膠物件之較暖區域轉移至較冷區域的任何流體。通常，工作流體可在所關注之操作溫度範圍內經歷相變， 該操作溫度範圍可為約-20℃至約120℃。在一些實施例中，有用範圍可為約30℃至約110℃。有用流體包括但不限於醇類，及在操作範圍內具有沸點之其他有機材料。有用工作流體可包括戊烷、丙酮、甲醇、乙醇、庚烷及甲苯。在一些實施例中，水可為工作流體，此是由於水在約100℃下自液體轉變至蒸汽。亦有可能藉由引入由(例如)具有高熱導率係數之銅或其他金屬製成的導熱粒子來改良工作流體之熱效能。在一些實施例中，導熱粒子可為奈米粒子，且可產生所謂「奈米流體(nanofluid)」。
在另一態樣中，揭示一種製造模製塑膠物件之方法，其包括將熔融聚合物射出至模具中。模具包括具有內壁之至少一個蒸汽腔室，及與該蒸汽腔室之內壁之至少一部分接觸的浸潤材料。所揭示方法進一步包括冷卻熔融聚合物以允許熔融聚合物凝固，且接著自模具移除經凝固聚合物。將工作流體引入至蒸汽腔室中。工作流體經組成以將熱自塑膠物件之較暖區域分佈至塑膠物件之較冷區域。在一些實施例中，用於對模製塑膠物件進行射出模製之模具可包括用於浸潤材料之空腔。
模製塑膠物件可使用單射出步驟予以製造，該單射出步驟使用諸如粒子發泡體複合射出模製(PARTICLE-FOAM COMPOSITE INJECTION MOUDING,PCIM)(Augburg GmbH,Lossburg,Germany)之共模製技術。PCIM為將發泡模製零件與聚合組件永久地結合的單射出步驟製程。PCIM被揭示於(例如)歐洲專利第1,299,219號 (Ziegler等人)中。在一些實施例中，可如圖3所展示而製造模製塑膠物件。使用主模空腔330以形成內部具有多孔發泡體粒子之蒸汽腔室。將諸如以下各者的具有相對低處理溫度之聚合粒子通過通口335而射出至主模空腔330中以在主模空腔330內部形成多孔發泡體：可膨脹聚乙烯、可膨脹聚丙烯、可膨脹聚胺基甲酸酯，或可膨脹聚苯乙烯。同時，將形成噴墨印刷頭300之本體的另一聚合物射出至模具中以形成該印刷頭之主體。自流道320通過射出模製閘310而射出此聚合物。用於噴墨印刷頭之本體的聚合物是由相較於構成多孔發泡體之粒子具有較高熔融溫度的聚合物製成。用於噴墨印刷頭之本體的合適聚合物包括但不限於諸如以下各者之聚合物：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚醚酮、聚碸，及在噴墨印表機之操作溫度下熱穩定的任何易於射出模製塑膠聚合物或共聚物。在一些實施例中，聚合物可包括導熱填充物以改良塑膠之熱導率。導熱填充物可包括諸如具有高熱導率之銅、鋁或其他金屬及合金的金屬性粒子。另外，石墨及其衍生物以及碳奈米管可用作導熱填充物。整合式熱散播器與具有熱導率之塑膠的組合可進一步增強所揭示印刷頭中之溫度均一性。
在所揭示方法之其他實施例中，可根據所揭示方法之實施例進行兩步驟製程。圖4A及圖4B為說明用於製造包括整合式熱散播器之模製塑膠噴墨印刷頭之兩步驟射出模製製程的橫截面示意圖。在圖4A所展示之第一處理步驟中，藉由在壓力下之射出熔融聚合物通過閘410而形成噴墨印刷 頭本體400，其中虛設插入物420插入至模具中以保持用於整合式熱散播器之組件之插入的空間。在熔融聚合物冷卻之後，移除虛設插入物420，且將蒸汽腔室插入物422插入至藉由移除虛設插入物420而空出之空間中。在圖4B所展示之第二步驟中，在蒸汽腔室插入物422與最終整合式熱散播器之內壁425之間的空間430中對多孔發泡體進行射出模製。多孔發泡體形成與蒸汽腔室之內壁425之至少一部分接觸的浸潤材料。在使用此兩步驟製程的情況下，可使用諸如聚碸之較高溫度聚合物以產生噴墨印刷頭。在一個實施例中，可使用反應性射出模製以產生浸潤材料，特別是當浸潤材料為聚合發泡體時。
在上文所描述及圖3中用圖解表示之單射製程或上文所描述及圖4A及圖4B中說明之雙射製程之後，可將真空施加至蒸汽腔室，且可將在所關注之操作溫度範圍內經歷相變的工作流體射出至蒸汽腔室中。在一些實施例中，工作流體可為飽和蒸氣。蒸汽腔室需要可使用在壓縮下之橡膠或彈性體栓塞而進行的快速密封，該橡膠或彈性體栓塞可膨脹以填充工作流體被射出所通過的通口。栓塞可接著黏著地密封於適當位置。
圖5為製造所揭示之塑膠模製物件的製程之實施例的流程圖。所揭示製程包括將熔融聚合物射出至含有蒸汽腔室及浸潤材料之模具中(501)。接著，冷卻熔融聚合物以允許熔融聚合物凝固(502)。自模具移除經凝固聚合物(503)。接著將真空施加至蒸汽腔室(504)。將工作流體引 入至蒸汽腔室中(505)，且接著在壓縮下密封蒸汽腔室(506)。
亦揭示一種耗散熱之方法，其包括模製塑膠物件，該塑膠物件經構型以將熱自塑膠物件之較暖區域分佈至塑膠物件之較冷區域。塑膠物件包括具有內壁的在塑膠物件內之至少一個蒸汽腔室、與蒸汽腔室之內壁之至少一部分接觸的浸潤材料，及在蒸汽腔室、浸潤材料或兩者內之工作流體。工作流體經組成成以快速方式將熱自塑膠物件之較暖區域分佈至塑膠物件之較冷區域。方法進一步包括將塑膠物件定位成近接於諸如汽車引擎體、電子裝置中之電子熱源的熱源，或(例如)定位於噴墨印刷頭中。方法亦包括將熱自熱源耗散至塑膠物件。可接著使熱貫穿塑膠物件均一地分佈，或可將熱轉移至亦近接於塑膠物件之另一部分的散熱器。
儘管本文已說明及描述特定實施例，但一般熟習此項技術者將瞭解，在不脫離本發明之範疇的情況下，多種替代及/或等效實施方案可取代所展示及描述之特定實施例。本申請案意欲涵蓋本文所論述之特定實施例的任何調適或變化。因此，希望本發明僅受到申請專利範圍及其等效者限制。

Claims (9)

  1. 一種模製塑膠物件，其包含：在該塑膠物件內之至少一蒸汽腔室，其具有一內壁；一浸潤材料，其與該蒸汽腔室之該內壁的至少一部分接觸；以及在該蒸汽腔室、該浸潤材料或兩者內之一工作流體，其經組成以將熱自該塑膠物件之較暖區域分佈至該塑膠物件之較冷區域，其中該塑膠物件包含一射出模製聚合材料。
  2. 如申請專利範圍第1項之模製塑膠物件，其中該浸潤材料包含一聚合發泡體。
  3. 如申請專利範圍第1項之模製塑膠物件，其中該工作流體在-20℃至120℃之溫度範圍內經歷一相變。
  4. 如申請專利範圍第1項之模製塑膠物件，其中該射出模製聚合材料包含導熱填充物。
  5. 如申請專利範圍第1項之模製塑膠物件，其中該工作流體包含導熱粒子。
  6. 一種耗散熱之方法，其包含：模製一塑膠物件，該塑膠物件經構型以將熱自該塑膠物件之較暖區域分佈至該塑膠物件之較冷區域，該塑膠物件包含：在該塑膠物件內之至少一蒸汽腔室，其具有一內壁；一浸潤材料，其與該蒸汽腔室之該內壁的至少一部分接觸；以及在該蒸汽腔室、該浸潤材料或兩者內之一工作流體，其經組成以將熱自該塑膠物件之較暖區域分佈至該塑膠物件之較冷區域；將該塑膠物件定位成近接於一熱源；以及將熱自該熱源耗散至該塑膠物件，其中該塑膠物件包含一射出模製聚合材料。
  7. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該熱源包含用於一噴墨印刷頭中之固體墨水的一加熱器。
  8. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該熱源包含一熱引擎體。
  9. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該熱源包含一電子裝置。
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