一种基于3D打印的相变冷却强化结构及散热器制造技术

本发明专利技术涉及设备冷却技术领域，尤其涉及一种基于3D打印的相变冷却强化结构及散热器，旨在解决烧结型多孔结构孔穴缺陷导致换热效率降低的问题。本发明专利技术提供的基于3D打印的相变冷却强化结构包括相互垂直相交的第一骨架、第二骨架和第三骨架；多个第一骨架和第二骨架形成网格形的第一多孔层；多个第三骨架将多个第一多孔层连接；第一骨架、第二骨架和第三骨架表面设置有凸起；第一骨架、第二骨架和第三骨架由金属制成。本发明专利技术通过垂直相交的第一骨架、第二骨架和第三骨架形成形状规则的孔道并在骨架表面设置凸起，保证毛细吸力的同时增大了比表面积和成核位点密度，避免了烧结型多孔结构渗透率低、工质流动阻力大的问题，提高了散热效率。热效率。热效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于3D打印的相变冷却强化结构及散热器


[0001]本专利技术涉及设备冷却
，尤其涉及一种基于3D打印的相变冷却强化结构及散热器。

技术介绍

[0002]随着电子设备朝着微型化、集成化方向的迅速发展，其热流密度急剧增大，而高热流密度会引起设备性能退化，降低设备运行可靠性并缩短设备运行寿命。日益严峻的散热问题已成为制约电力电子元器件应用的重要瓶颈之一，如何提升系统散热能力成为器件设计时需要考虑的关键问题。
[0003]相比于水冷、风冷等传统的单相冷却方式，基于相变换热的表贴式自循环蒸发冷却具有更高的换热效率，其均温性更优且安全、节能，能够满足大功率设备的高效冷却需求，已经在超算、风电变流器等高功率模块上得到应用。表贴式自循环蒸发冷却系统主要部件包括功率器件、表贴式散热器、冷凝器、循环管路以及二次冷却回路，其热传递过程如下：首先热量由功率器件传递给表贴式散热器中的冷却工质，通过工质的流动沸腾，快速带走器件表面的热量，借助上升管将热量传递到换热面积较大的冷凝器，工质冷凝后经回液管重新输送至表贴式散热器中，借助工质密度差完成系统无泵自循环，实现功率器件表面的快速、均匀冷却。
[0004]表贴式散热器通过流动沸腾相变换热直接对功率器件进行冷却，是自循环蒸发冷却系统的关键部件，系统的冷却效率主要取决于表贴式散热器的换热性能。表面成型微多孔结构是强化加热表面沸腾换热的一种重要手段，多孔结构具有较大的比表面积和成核位点密度，因而能够显著增加沸腾换热面积和气化核心数目，从而提高沸腾换热系数，降低沸腾起始过热度。多孔结构自身的毛细抽吸作用也更利于回液补充至沸腾处，延缓干涸，防止过早干烧，而机加工形成的沟槽结构因毛细力较低，沸腾表面易出现干涸，因此在中高功率密度器件的相变冷却中并不适用。现有的沸腾表面多孔结构成型工艺以铜粉、铝粉等金属粉末烧结为主，依照特定的升/降温曲线在铜/铝底板上进行加压还原性烧结，最终成型一层致密的多孔结构。烧结型多孔结构的烧结层与散热器的内壁结合较为紧密，其机械强度较高，毛细吸力较强，但普遍存在孔穴形状不规律、随机性强，内部通道形状不可控以及部分孔穴封闭的缺点，烧结得到的多孔层渗透率低，冷却工质流动阻力大，不利于气泡快速脱离和回液及时补充，降低了换热效率。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种基于3D打印的相变冷却强化结构及散热器，以解决因烧结型多孔结构孔穴缺陷导致换热效率降低的问题。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术提供的技术方案在于：
[0007]一种基于3D打印的相变冷却强化结构，包括相互垂直相交的第一骨架、第二骨架和第三骨架；多个第一骨架和第二骨架形成网格形的第一多孔层；多个第三骨架将多个第
一多孔层连接；第一骨架、第二骨架和第三骨架表面设置有凸起；第一骨架、第二骨架和第三骨架由金属制成。
[0008]进一步的，多个第一多孔层沿第三骨架的长度方向间隔设置。
[0009]进一步的，第一骨架、第二骨架和第三骨架为圆柱形骨架，直径范围为500μm
‑
1000μm。
[0010]进一步的，第一骨架、第二骨架和第三骨架由AlSi10Mg、不锈钢316L或钛合金制成。
[0011]进一步的，基于3D打印的相变冷却强化结构背离功率器件的一侧开设有蒸汽排出槽，蒸汽排出槽设置为梯形。
[0012]进一步的，基于3D打印的相变冷却强化结构采用选择性激光熔融3D打印方式，并使用金属粉末进行打印。
[0013]进一步的，金属粉末为AlSi10Mg粉末、不锈钢316L粉末或钛合金粉末。
[0014]进一步的，基于3D打印的相变冷却强化结构厚度为4mm
‑
5mm，相邻的第一骨架之间的间距为a，a∈[500μm，2500μm]；相邻的第二骨架之间的间距为b，b∈[500μm，2500μm]。
[0015]进一步的，相邻的第一多孔层之间的间距为c，c∈[500μm，2500μm]。
[0016]本专利技术的另一方面，提出了一种基于3D打印的散热器，包括上述的基于3D打印的相变冷却强化结构。
[0017]综合上述技术方案，本专利技术所能实现的技术效果在于：
[0018]本专利技术提供的基于3D打印的相变冷却强化结构包括相互垂直相交的第一骨架、第二骨架和第三骨架；多个第一骨架和第二骨架形成网格形的第一多孔层；多个第三骨架将多个第一多孔层连接；第一骨架、第二骨架和第三骨架表面设置有凸起；第一骨架、第二骨架和第三骨架由金属制成。
[0019]本专利技术提供的基于3D打印的相变冷却强化结构通过相互垂直相交的第一骨架、第二骨架和第三骨架形成形状规则的孔道，在保证毛细吸力、比表面积和成核位点密度的同时，避免了烧结型多孔结构渗透率低、工质流动阻力大，不利于气泡脱离和回液补充的问题，同时通过在骨架表面设置凸起，进一步增加了成核位点密度，表面的凸起还可以减小气泡聚集的程度，使气泡更为分散且不易聚结为大气泡，进而减小工质进入孔道的阻力，降低回液补充的难度，提高了散热效率。本专利技术基于3D打印技术进行设计和加工，加工难度低、形状易于控制，而烧结工艺较为复杂，加工周期较长，孔道形状和分布密度不可控，难于保证换热效率的一致性，影响散热的均匀性，同时烧结工艺需要借助机加工方式得到相应的模具，不利于实现规模化应用。
附图说明
[0020]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0021]图1为本专利技术实施例提供的基于3D打印的相变冷却强化结构的结构示意图；
[0022]图2为本专利技术实施例提供的基于3D打印的相变冷却强化结构的局部示意图；
[0023]图3为图2的主视图；
[0024]图4为图2的俯视图；
[0025]图5为图2的左视图；
[0026]图6为蒸汽排出槽的示意图；
[0027]图7为基于3D打印的相变冷却强化结构的电镜图；
[0028]图8为基于3D打印的散热器的结构示意图。
[0029]图标：100
‑
基于3D打印的散热器；200
‑
功率器件；110
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基于3D打印的相变冷却强化结构；111
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第一骨架；112
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第二骨架；113
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第三骨架；114
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蒸汽排出槽；115
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第一孔；116
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第二孔；117
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第三孔。
具体实施方式
[0030]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于3D打印的相变冷却强化结构，其特征在于，包括相互垂直相交的第一骨架(111)、第二骨架(112)和第三骨架(113)；多个所述第一骨架(111)和所述第二骨架(112)形成网格形的第一多孔层；多个所述第三骨架(113)将多个所述第一多孔层连接；所述第一骨架(111)、所述第二骨架(112)和所述第三骨架(113)表面设置有凸起；所述第一骨架(111)、所述第二骨架(112)和所述第三骨架(113)由金属制成。2.根据权利要求1所述的基于3D打印的相变冷却强化结构，其特征在于，多个所述第一多孔层沿所述第三骨架(113)的长度方向间隔设置。3.根据权利要求2所述的基于3D打印的相变冷却强化结构，其特征在于，所述第一骨架(111)、所述第二骨架(112)和所述第三骨架(113)为圆柱形骨架，直径范围为500μm
‑
1000μm。4.根据权利要求1所述的基于3D打印的相变冷却强化结构，其特征在于，所述第一骨架(111)、所述第二骨架(112)和所述第三骨架(113)由AlSi10Mg、不锈钢316L或钛合金制成。5.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：王炜晨，阮琳，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：