一种基于3D批量打印的微通道冷板、散热器及装置的制作方法

本发明属于散热器技术领域，涉及散热器中的新型结构微通道冷板与3d打印制造方法。

背景技术

散热器是机器设备部件运转时用于降低设备运转时所产生的热量，从而使机械设备部件散热制冷来增加机械运作寿命的设备。作为一种辅助机械设备运行的器件，散热器下游应用范围广泛。一方面随着近年来新兴国家的兴起，汽车、电子等产品的需求日益增加，另一方面ict及能源等现代基础设施建设也在加快进行。在这两方面因素的推动下，全球散热器行业整体市场规模呈稳定的增长趋势。有数据显示，2016年全球散热器行业市场规模超过6000亿元，同比增长3.5％；2017年上半年为3042亿元。以计算机领域为例，美国仅惠普、戴尔、apple三家公司2016年pc生产量就达到1.1亿台，每台pc假如散热器配费用为100元，那么2016年产生的市场需求就超过100亿元；除此之外，美国的硬件厂商英特尔及amd等公司每年对散热器的需求规模也非常大。其中，微通道散热器作为新兴的电子冷却手段，越来越成为研究和应用的热点。因此，对散热器的生产模式和制造方法进行优化，可以在提高产量的同时大幅度降低成本。

传统的生产模式一般受限于传统制造技术和工匠制造产品的形状，同时存在原材料浪费严重、物体形状越复杂，制造成本越高等局限和缺点。而3d打印技术可以突破这些局限，3d打印是具有代表性的基于加工制造原理的自由成型技术之一，是快速成型技术的一种，以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。与传统制造技术相比，3d打印技术可以让传统工业突破模具限制，实现低碳制造，同时制造用材更节能，从而降低生产成本。目前3d打印已经可以实现微通道的制造，在专利申请号为cn201610188812.2，名称为《通过3d打印制造换热器的方法》的专利中提出了一种3d打印制造散热器的方法，该制造方法分为三个步骤：步骤一：通过激光熔融待加工金属粉末；步骤二：根据换热器的三维模型进行分层切片；步骤三：根据每层切片的截面轮廓逐层打印出换热器。采用3d打印一体成型技术制造微通道散热器可以避免传统机械加工及焊接方式可能造成的流体泄露现象。在专利申请号为cn201710448652.5，名称为《一种通过3d打印制备分形结构微通道的方法》的专利中提出了另一种3d打印制造微通道的方法，该方法主要包括：由计算机绘图软件绘制，并由3d打印机打印出对应的分形结构骨架。将所述分形结构骨架固定在培养皿中，并注入聚二甲基硅氧烷溶液至一定高度，真空抽取所述聚二甲基硅氧烷溶液中的气泡，加热固化。利用溶剂溶解所述分形结构骨架，形成分形结构微通道。

现有技术中通过3d打印微通道的技术制造散热器时，冷板上微通道的结构单一，该微通道所能覆盖到的面积较小，因而该类散热器各个部分散热能力没有通过冷板结构调控，没有研究3d打印实现结构可控制造的同时一次性制造多种微通道结构的冷板，无法适用于热源范围较大且分布不均匀的情况。

技术实现要素：

本发明的目的在于：提供一种基于3d批量打印的微通道冷板、散热器及装置，可适用于多种温区与局部高热流密度散热的微通道冷板、散热器及装置。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于3d批量打印的微通道冷板，包括板体，板体的工作面上分布有多个通道结构相同或不同的多组微通道组件，板体的工作面上开设有包围单个和/或多个微通道组件并用于容纳密封圈的容纳槽。

针对某一部位热源密度极高的情况下，为了提高该散热器的散热效果，在板体的背面上对应每个微通道组件的位置处均开设有灌注孔，灌注孔与对应的微通道组件的换热通道连通。在盖板与冷板盖合后且首次使用冷板之前，通过灌注孔向灌注孔内灌注高导热材料，直至填满灌注孔；待高导热材料冷却凝固之后，凝固的高导热材料将灌注孔封堵住，从而凝固的高导热材料可与热源的局部高热流密度区域进行高效的热交换。

为了满足对普通热源和分散热源散热的需求，本申请提供四种结构的通道结构，从而可根据不同的散热需求采用不同的通道结构进行组合使用。在板体上微通道组件的通道结构采用波壁流道模型、分形模型、针刺形模型、蜂窝形模型中的一种或多种。

该四种通道结构具体为：波壁流道模型包括多组横截面为波浪形的波壁板，多组波壁板沿微通道组件的长度或宽度方向均匀分布，并在相邻两组波壁板之间、波壁板与模型内壁之间形成换热通道；分形模型包括以阵列方式均布的多组锥台，并在相邻两组锥台之间、锥台与模型内壁之间形成换热通道；针刺形模型包括沿微通道组件的长度或宽度方向均匀分布的多组大刺针，相邻两组大刺针的小径段之间设置有中刺针，中刺针的小径段与大刺针的小径段之间设置有小刺针，并在相邻两大刺针之间、大刺针与中刺针之间、中刺针与小刺针之间、以及大刺针、中刺针和小刺针与模型内壁之间形成换热通道；蜂窝形模型包括多组横截面为正六边形的六棱柱，多组六棱柱以阵列的方式均匀分布在模型内壁内，并在相邻两六棱柱之间、六棱柱与模型内壁之间形成换热通道。

一种基于3d批量打印的散热器，包括冷板、盖板、密封圈，所述冷板采用上述的微通道冷板，微通道冷板采用3d打印一体成型，密封圈放置于冷板上的容纳槽内，盖板盖合在冷板上并通过密封圈进行密封。

散热器除了采用循环的冷却液进行换热以外，还可以采用组合散热的方式进行散热。盖板的顶面上设置有多组散热翅片，盖板的顶面上开设有注液口和出液口，注液口、出液口均与冷板上的换热通道连通。

一种基于3d批量打印的散热装置，包括热源、安装于热源上的散热器，还包括循环液体冷却器、脉动泵，循环液体冷却器的出料口通过连接管道、脉动泵与散热器的注液口连通，散热器的出液口通过连接管道与循环液体冷却器的进料口连通；散热器采用上述的散热器。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明中，在冷板的工作面上分布有多个通道结构相同或不同的多组微通道组件，冷板的板面更大，冷板上对应区域可采用不同散热效果的微通道组件，从而可根据热源分布情况调整微通道组件的设计位置及具体结构，使微通道组件的散热效果与热源的分布情况更加适配，该冷板可适用于热源范围较大、热源分布不均等情况下的散热，冷板的适用范围更大、散热效果更好。此外，采用3d打印技术实现微通道冷板的批量制造，可根据客户需求一次性制造多个微通道冷板，每块冷板的尺寸、微通道结构都可以设置成多种类型，满足客户的个性化需求，提高了冷板的生产速度，突破冷板的生产局限；同时实现个性化制造与批量制造，实现多种不同复杂微通道结构的一次性制造。

2、本发明中，在板体的背面上开设有灌注孔，在3d打印制造中已实现，通过向灌注孔内灌注高导热材料，可构建热源与高导热材料、高导热材料与冷却液之间的通路，使高导热材料直接接触热源和冷却液，能更快地带走该部位更多的热量，可有效提高局部高热流密度热源的散热效果，提高散热器的散热效率。

3、本发明中，提供四种结构的通道结构，从而可根据不同的散热需求采用不同的通道结构进行组合使用。在板体上微通道组件的通道结构采用波壁流道模型、分形模型、针刺形模型、蜂窝形模型中的一种或多种，波壁流道模型、分形模型、针刺形模型、蜂窝形模型均是根据仿生学和流体力学原理设计的高效散热的仿生微通道结构，能满足多种的散热需求，散热效率更高、散热效果更好。

附图说明

图1为本发明中散热装置的结构示意图；

图2为本发明中散热器的结构示意图；

图3为本发明另一实施例中散热器的结构示意图；

图4为本发明中冷板的结构示意图；

图5为本发明另一实施例中冷板的结构示意图；

图6为图5的局部放大图；

图7为图6的b-b剖视图；

图中标记：1-板体、2-散热器、3-循环液体冷却器、4-脉动泵、5-连接管道、6-热源、13-分形模型、14-波壁流道模型、15-针刺形模型、16-蜂窝形模型、17-灌注孔、21-冷板、22-密封圈、23-盖板、231-散热翅片、232-安装孔、233-注液口、234-出液口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种基于3d批量打印的散热装置，其包括有热源6、散热器2、循环液体冷却器3、脉动泵4和连接管道5，散热器2安装在热源6上，散热器2的注液口233通过连接管道5、脉动泵4与循环液体冷却器3的出料口连通，而散热器2的出液口234通过连接管道5与循环液体冷却器3的进料口连通，最终形成一个封闭的液冷循环系统，具体如图1所示。

工作时，从散热器2上的注液口233将散热器2抽成真空并注入一定体积的去离子水或乙醇后密封；在脉动泵4的作用下，冷却液体将以“……—循环液体冷却器3—脉动泵4—散热器2—循环液体冷却器3—脉动泵4—散热器2—……”的顺序进行循环。脉动泵4产生的脉动流通过连接散热器2与脉动泵4的管道进入散热器2，热源6产生的热量通过热传导的方式被散热器2吸收；尤其对于最高热源6处，热源6产生的热量既通过铝板传递给冷却液去离子水或乙醇，也通过高导热材料银传递给冷却液去离子水或乙醇。随后这些热量被流经散热器2的去离子水或乙醇通过散热器2的出液口234带出，然后去离子水或乙醇通过连接散热器2与循环液体冷却器3的管道将热量进一步带入循环液体冷却器3中进行冷却，最后去离子水或乙醇又经连接脉动泵4和散热器2的管道回到脉动泵4中，形成一个封闭的液冷循环系统，实现最热源6的散热。

热源6与散热器2通过导热硅胶胶接，但导热硅胶粘性不够，为了防止热源6与散热器2贴合不足，再将热源6与散热器2通过螺栓固定在一起。连接管道5的内径为4-7mm，连接管道5与其他部件的连接可以通过环氧耐高温导热胶胶接或焊接。脉动泵4的型号可以采用vlc系列的vlc7602、vlc6503等，循环液体冷却器3可以定做尺寸长*高*宽为133mm*103mm*86mm的水箱。

散热器2作为散热装置的主要器件、核心器件，其散热性能将直接影响整个散热装置的散热效果。为此，本申请提供一种散热效果更好的基于3d批量打印的散热器，该散热器2可适用于热源6范围较大、热源6分布不均等情况的散热。该散热器2包括有冷板21、盖板23、密封板，在冷板21上开设有容纳槽，该冷板21上的容纳槽可将冷板21上的微通道组件包围在内，并在冷板21的容纳槽内设置有密封圈22。在将盖板23盖合在冷板21上以后，盖板23与冷板21之间通过密封圈22进行密封。在冷板21、盖板23上均开设有安装孔232，冷板21与盖板23之间通过安装孔232、连接螺栓等进行连接。

该散热器2除了采用循环的冷却液进行换热以外，还可以采用组合散热的方式进行散热。即在盖板23的顶面上设置有多组散热翅片231，多组散热翅片231在盖板23的顶面上沿盖板23的长度方向或宽度方向均匀设置，在盖板23的顶面上开设有注液口233和出液口234，注液口233、出液口234均与冷板21上的换热通道连通。当然，盖板23上的注液口233、出液口234的数量、位置可与冷板21上的微通道组件的数量、位置相适配，每个微通道组件均对应配套有一个注液口233、出液口234(如图2所示)；也可以每个微通道组件均对应配套有一个出液口234，而所有的微通道组件共用一个注液口233(如图3所示)。

另外，针对某一部位热源6密度极高的情况下，为了提高该散热器2的散热效果，在盖板23的板体1的背面上对应每个微通道组件的位置处均开设有灌注孔17，灌注孔17与对应的微通道组件的换热通道连通。通过冷板21背面上的灌注孔17向灌注孔17内灌注有高导热材料，待高导热材料凝固后该高导热材料可将灌注孔全部覆盖住，从而该凝固的高导热材料可与热源的局部高热流密度区域进行高效的热交换。该高导热材料可以选择铜或银。

在将散热器2安装在热源之前，先通过冷板21上的灌注孔17向散热器2内灌注熔融状态的高导热材料，待灌注好一定量的高导热材料之后，高导热材料逐渐在散热器2内降温、凝固，从而凝固后的高导热材料将冷板21上的灌注孔17封堵住。再将散热器2对应热源6进行安装，且该灌注孔17所在位置与热源6中温度较高的部位对应，从而热源6中更多地热量将经由灌注孔17处的高导热材料进行传递，且在传递热量的过程中高导热材料始终处于固态，最终实现对散热器散热效率的提高。

该散热器2的散热效果除了受到上述的冷却液、散热翅片231的直接影响以外，其散热效果还与散热器2中的冷板21结构有密切关联，冷板21的热交换效率越高，散热器2的散热效果可能会越好。为此，本申请提供一种具有特殊结构的微通道冷板21，该微通道冷板21包括有板体1，在板体1的工作面上分布有多个通道结构相同或不同的多组微通道组件。另外，在板体1的工作面上还开设有用于容纳密封圈22的容纳槽，该容纳槽可包围单一的微通道组件(如图2、4所示)，该容纳槽也可以将全部的微通道组件包围在内(如图3、5所示)。

由于微通道组件的结构不同，因而不同结构的微通道组件的散热效果也是各有不同的。为此，本申请可对应热源6分布不均时，在不同位置选择性适用与该位置所需散失热量相对应的微通道结构，从而适用于热源6范围较大、热源6分布不均等情况下的散热。此外，采用3d打印技术实现微通道冷板21的批量制造，一次性制造多个微通道冷板21，提高了冷板21的生产速度，突破冷板21的生产局限；支持个性化制造，可以实现多种不同复杂微通道结构的一次性制造。

针对某一部位热源6密度极高的情况下，为了提高该散热器2的散热效果，在板体1的背面上对应每个微通道组件的位置处均开设有灌注孔17，灌注孔17与对应的微通道组件的换热通道连通。

为了满足对普通热源6和分散热源6散热的需求，本申请提供四种结构的通道结构，从而可根据不同的散热需求采用不同的通道结构进行组合使用。在板体1上微通道组件的通道结构采用波壁流道模型14、分形模型13、针刺形模型15、蜂窝形模型16中的一种或多种。

该四种通道结构具体为：波壁流道模型14包括多组横截面为波浪形的波壁板，多组波壁板沿微通道组件的长度或宽度方向均匀分布，并在相邻两组波壁板之间、波壁板与模型内壁之间形成换热通道；分形模型13包括以阵列方式均布的多组锥台，并在相邻两组锥台之间、锥台与模型内壁之间形成换热通道；针刺形模型15包括沿微通道组件的长度或宽度方向均匀分布的多组大刺针，相邻两组大刺针的小径段之间设置有中刺针，中刺针的小径段与大刺针的小径段之间设置有小刺针，并在相邻两大刺针之间、大刺针与中刺针之间、中刺针与小刺针之间、以及大刺针、中刺针和小刺针与模型内壁之间形成换热通道；蜂窝形模型16包括多组横截面为正六边形的六棱柱，多组六棱柱以阵列的方式均布在模型内壁内，并在相邻两六棱柱之间、六棱柱与模型内壁之间形成换热通道。

该冷板21上的微通道组件的材料可采用导热性能较好的铝材料，同时在3d打印时铝粉烧结工艺也是比较完善的。

根据需求的不同，同时生产多个通道结构不同的微通道冷板21，以满足个性化制造和批量生产。即当需求相同时，可同时生产多个通道结构相同的微通道冷板21；当需求不同时，可同时生产多种通道结构不同的微通道冷板21。对于生产出的整块微通道冷板21，可以将各个微通道组件分割开来使用；也可以在热源6范围较大且分布不均匀时，在冷板21设计之初针对不同位置的热源6情况设计不同通道结构的微通道组件，最终将生产出的微通道冷板21作为一个整体使用。

此外，微通道组件可直接与冷板一体打印成型，该微通道组件也可通过可拆卸地连接安装在冷板上。在采用可拆卸的方式进行连接时，先在冷板上开设几个通孔，然后微通道组件通过常见的卡扣连接的方式安装在冷板的通孔内。

上述结构中的冷板可采用3d打印技术进行批量生产，且批量打印出来的冷板21可沿各微通道边界线进行切割、分开使用，当然也可以不切割开使用，其是否切割使用由实际的生产需求决定。当没有个性化需求时，可打印为相同结构，一次打印成功后将各部分沿各微通道边界线切割，即一次可得到多个相同的微通道，实现了批量生产的同时大大提高了生产效率。当不同客户提出不同需求或者同一客户提出多个需求时，可根据需求的不同，结合仿生学及流体力学原理在同一块冷板上设计出多个不同的微通道结构，一次打印成功后可以将各部分沿各微通道边界线切割，即一次可得到多种不同的微通道，实现了个性化的同时实现了批量生产。当热源6范围较大且分布不均匀时，可以在打印成功后将各部分微通道结构作为一个总体使用，此时可以根据热源6的分布特点，在散热需求低的位置设计常用的简单的微通道结构，而在散热需求高的位置设计较为复杂的微通道结构，以满足热源6不同位置的散热需求，同时节省生产成本。

实施例1

一种基于3d批量打印的微通道冷板，该微通道冷板包括有板体1，在板体1的工作面上分布有多个通道结构相同或不同的多组微通道组件。另外，在板体1的工作面上还开设有用于容纳密封圈22的容纳槽，该容纳槽可包围单一的微通道组件(如图2所示)，该容纳槽也可以将全部的微通道组件包围在内(如图3所示)。

实施例2

在实施例一的基础上，针对某一部位热源6密度极高的情况下，为了提高该散热器2的散热效果，在板体1的背面上对应每个微通道组件的位置处均开设有灌注孔17，灌注孔17与对应的微通道组件的换热通道连通。

实施例3

在实施例一或实施例二的基础上，为了满足对普通热源6和分散热源6散热的需求，本申请提供四种结构的通道结构，从而可根据不同的散热需求采用不同的通道结构进行组合使用。在板体1上微通道组件的通道结构采用波壁流道模型14、分形模型13、针刺形模型15、蜂窝形模型16中的一种或多种。

实施例4

在实施例三的基础上，该四种通道结构具体为：波壁流道模型14包括多组横截面为波浪形的波壁板，多组波壁板沿微通道组件的长度或宽度方向均匀分布，并在相邻两组波壁板之间、波壁板与模型内壁之间形成换热通道；分形模型13包括以阵列方式均布的多组锥台，并在相邻两组锥台之间、锥台与模型内壁之间形成换热通道；针刺形模型15包括沿微通道组件的长度或宽度方向均匀分布的多组大刺针，相邻两组大刺针的小径段之间设置有中刺针，中刺针的小径段与大刺针的小径段之间设置有小刺针，并在相邻两大刺针之间、大刺针与中刺针之间、中刺针与小刺针之间、以及大刺针、中刺针和小刺针与模型内壁之间形成换热通道；蜂窝形模型16包括多组横截面为正六边形的六棱柱，多组六棱柱以阵列的方式均布在模型内壁内，并在相邻两六棱柱之间、六棱柱与模型内壁之间形成换热通道。

实施例5

一种基于3d批量打印的散热器，该散热器2可适用于热源6范围较大、热源6分布不均等情况的散热。该微通道散热器2包括有冷板21、盖板23、密封板，在冷板21上开设有容纳槽，该冷板21上的容纳槽可将冷板21上的微通道组件包围在内，并在冷板21的容纳槽内设置有密封圈22。在将盖板23盖合在冷板21上以后，盖板23与冷板21之间通过密封圈22进行密封。在冷板21、盖板23上均开设有安装孔232，冷板21与盖板23之间通过安装孔232、连接螺栓等进行连接。该散热器2中的冷板21采用上述实施例一至四中任一所述的微通道冷板21，密封圈22放置于冷板21上的容纳槽内，盖板23盖合在冷板21上并通过密封圈22进行密封。

实施例6

在实施例五的基础上，散热器2除了采用循环的冷却液进行换热以外，还可以采用组合散热的方式进行散热。盖板23的顶面上设置有多组散热翅片231，盖板23的顶面上开设有注液口233和出液口234，注液口233、出液口234均与冷板21上的换热通道连通。

实施例7

在实施例五或实施例六的基础上，针对某一部位热源6密度极高的情况下，为了提高该散热器2的散热效果，在盖板23与冷板21盖合后，通过冷板21背面上的灌注孔17向灌注孔17内灌注有高导热材料，高导热材料凝固后封堵住灌注孔17。

实施例8

一种基于3d批量打印的散热装置，其包括有热源6、散热器2、循环液体冷却器3、脉动泵4和连接管道5，散热器2安装在热源6上，散热器2的注液口233通过连接管道5、脉动泵4与循环液体冷却器3的出料口连通，而散热器2的出液口234通过连接管道5与循环液体冷却器3的进料口连通，具体如图1所示；最终形成一个封闭的液冷循环系统。该散热装置的散热器2采用上述实施例五至实施例七中任一所述的散热器2。

以上所述仅为本发明的部分实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。