一种塑料平板均热板及其制造方法与流程

本发明属于热交换技术领域，具体涉及一种均热板及其制造方法。

背景技术：

随着信息技术的发展，半导体元器件的尺寸越来越小，而功率越来越大，同时发热量越来越高，单位面积的热流密度越来越大。为了使元器件在许可温度下良好运行，电子元器件上结合各种不同样式的散热器用以散热作用。在照明领域，大功率发光二极管(led)有着比传统白炽灯、日光灯等灯具更高效节能长寿的优点，因此获得越来越广泛的应用。但led灯具的发光组件的发光效率仅为15～25％，这意味着有75％以上的电能被转化为热能需要散发出去。由于led本身的结构特点，二极管结温tj一般为150℃，在超过150℃下工作时led二极管的寿命将急剧下降。因此led灯具需要配备散热装置以保证其工作温度在结温以下。

目前半导体元器件和led灯具一般采用铝型材散热器以及空气自然对流换热的方式解决散热问题。但随着发热功率的上升，热流密度加大，当前的散热解决方案遇到瓶颈，因此越来越多的方案引入了热管技术。自1963年在美国阿拉莫斯国家实验室被发明后，热管技术被广泛应用于航天、军工领域，从而改变了传统散热器的设计思路。热管技术利用热传导及工质相变热传递原理，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外部。热管是一个内壁具有毛细结构的真空腔体，当热量由热源通过热管中的热量输入端传导至热管的蒸发区时，腔体里面的工质会在低真空度的环境中开始产生液相汽化现象，气相工质会很快充满整个腔体，当气相工质接触到一个比较冷的区域时便会产生凝结的现象，借由凝结的现象通过热管中的热量输出段释放出在蒸发时累积的热量，凝结后的液相工质会借由热管内的毛细微结构产生毛细抽吸力而再回到蒸发热源处。这种工质的循环运行在封闭腔体内周而复始进行，可以使热管排除重力的影响达到很高的整体导热效率。

从热管技术发展而来的均热板与普通热管不同，其内部蒸汽流动是沿二维平面的方向进行，所以可以在更大面积上采用相变传热，从而突破传统热管的种种限制。

现有均热板以铝、铜等高导热金属为主体材料，存在以下问题：

1)金属材质决定了现有均热板的结构限制以及高制造成本。目前已有的均热板结构多采取上下拼接焊接的方法制造，生产工艺复杂，且这种制造方法必须要专门的模具加工出固定大小的部件，从而导致制造成本高。

2)金属材质的均热板生产过程中对高精度结构的控制较难且控制成本高。

3)金属材质的密度较高使得均热板重量较大，从而限制了其在特殊场景如电子、汽车、led、航天航空散热产品中的应用。

4)散热能力有局限，目前均热板的热源和冷凝区其实并不是在同一平面内，这就导致了冷凝回流的工质实质上是回流到热源的对面区域，这会导致均热板整体传热效率的降低。

5)金属材料的均热板，其与金属的工质灌装接口通过冷压等工艺密封连接时，金属工质灌装接口的材质对其连接效果和效率影响较大，若材质较硬，则冷压连接处密封效果受影响，若材质较软，容易被压扁，影响抽真空和灌装。

如公开号为cn206909017u的中国实用新型专利公开了一种整体式型材均热板散热器封装腔体；位于封装腔体内部的多孔毛细芯和工质；以及一端与封装腔体内部连通，另一端位于封装腔体外部并密封的抽真空及工质灌装接口。其制作方法包括：封装腔体的挤压或铸造成型；多孔毛细芯的烧结或编织成型；将多孔毛细芯插入封装腔体中，并将抽真空及工质灌装接口一端放置在封装腔体内；利用冷压模具挤压封装腔体；移走冷压模具，将封装腔体前后端闭合面处焊接密封；对封装腔体抽真空，并灌装工质；夹断抽真空及工质灌装接口，并焊接密封。其采用金属型材密度高，多空毛细芯和封装腔体装配结构复杂，制造工艺复杂，且其为了节省开模而成本将散热翅片焊接于热管上，热管和翅片焊接处会产生热阻，散热效果降低。

公开号为cn109099737a的中国发明专利公开了一种均温板，包括基板，基板内设有供制冷剂流通的通道，基板的一侧设有若干个散热翅片；所述通道包括第一通道、第二通道以及若干个用于连通第一通道和第二通道的连通通道。在第一通道和第二通道之间设有多个连通通道，提高制冷剂在通道内的流动性，并在连通通道内设置多个散热槽，增大散热面积，提高散热效率。然而，一方面，此专利技术方案适用于第一通道、第二通道具有高度差的场合，工质在第一通道或第二通道中被蒸发，经中间连通通道冷凝后依靠重力回流至第一通道或第二通道，散热方式导致散热效果受限，另一方面，实施例中各通道的结构设计，较为复杂，实际使用时仅能采用金属注塑工艺，模具复杂度高，精度要求高，金属材质控制较困难。此外，此专利中均温板的材质选用金属材质，也存在前述缺陷。

由此可见，上述现有的均热板显然存在着不便与缺陷，亟需进一步改进。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的前述问题：本发明提供了一种质轻、制造工艺简单，制造成本低、制造精度高且可控的平板均热板，为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种塑料平板均热板，包括腔体和封装部，所述腔体与封装部相配合密封腔体，所述腔体内部抽真空并填充有工质，所述腔体内表面设有毛细结构；所述工质可以通过相变吸热和传热；所述腔体的材质为导热系数3～50w/(m·k)的导热塑料。

可选的，所述封装部为一个或两个，所述封装部设有凹槽结构的联通腔，所述封装部中的至少一个还设有与联通腔连接的填充管，所述填充管用于将腔体和封装部抽真空及灌装工质后密封。

可选的，所述腔体为挤出成型，所述封装部为注塑成型，所述腔体两端配合两个封装部密封。

可选的，两个所述封装部均设有填充管，其中一端填充管用于抽真空，另一端的填充管用于灌装工质。

可选的，所述腔体内设有支撑结构，所述腔体通过支撑结构分成若干散热通道，所述散热通道表面设有毛细结构，所述支撑结构表面的毛细结构为平行于散热通道方向的微沟槽；所述联通腔将若干散热通道相互联通。所述微沟槽的形状的设置，为挤出成型特定产生的结构，而采用注塑成型无法实现，因为如果微沟槽形状如此设计，则难以取出注塑件。

可选的，所述腔体与支撑结构一体成型。一体成型减少腔体和支撑结构间的热阻，提高传热效果。

可选的，所述封装部的材质为导热系数3～50w/(m·k)的导热塑料。能够扩大整个均热板的散热面积，提高散热效率。

可选的，所述封装部中联通腔材质为导热系数3～50w/(m·k)的导热塑料，所述填充管的材质为金属材质，通过镶嵌注塑工艺与联通腔连接。能够利用填充管为金属的冷压密封工序，且不必考虑金属管材质太硬与联通腔结合处的密封问题，仅需考虑是否容易夹断密封即可，提高金属管材质选择性，有利于降低成本。

可选的，所述工质包括水、乙醇、丙醇、异丙醇、乙酸、丙酮中的一种或几种。

可选的，所述工质的表面张力为15～50mn/m，小于或等于导热塑料本身材质的表面张力。进一步可选为丙酮。工质与导热塑料界面张力差距越小，越能够更快的吸热蒸发和冷凝，增强散热效果。

可选的，所述腔体外表面设有多个散热翅片，所述散热翅片材质为导热塑料。

可选的，多个所述散热翅片沿腔体纵向排列，且各散热翅片间相互平行，多个所述散热翅片与腔体一体化挤出成型。与腔体一体化挤出成型一方面能够减少界面连接热阻，另一方面，大大提高制件生产效率。

可选的，所述导热塑料为绝缘导热塑料。

本发明还提供了一种塑料平板均热板的制造方法，包括以下步骤：通过挤出成型工艺制备腔体，通过注塑成型工艺或镶件注塑工艺分别制备封装部，分别将封装部采用焊接方式固定于腔体两端，通过填充管对腔体内部抽真空并灌装工质，完成后，密封填充管。

本发明还提供了另一种塑料平板均热板的制造方法，所述腔体和封装部为一整体，通过上下两个部分分别注塑成型后，通过焊接方式合并成完整的腔体和封装部，通过填充管对腔体内部抽真空并灌装工质，完成后，密封填充管。

可选的，所述焊接方式为等离子体电弧焊或激光焊接。

可选的，两个所述封装部均设有填充管，其中一端填充管用于抽真空，另一端的填充管用于灌装工质，抽真空过程和灌装工质过程可同时进行。

本发明适用于通讯设备、发光二极管照明部分及各种芯片的散热，还可适用于雷达、激光设备、医疗器械等设备内部高能发热部件的冷却。

本发明所述工质不仅限于以上几种，可以根据实际使用需求限定，如也可采用液氮在温度需求极低的环境中控制发热主体的散热。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

现有技术生产的均热板多为上下板分别成型加工后组合而成，不同大小的均热板需要不同的模具生产，生产成本较高。与现有技术相比，本发明所述的塑料平板均热板，腔体的材质为导热系数3～50w/(m·k)的导热塑料，具有质轻、制造工艺简单，制造成本低、制造精度高且可控的优势。均温板散热主要由热传导、热辐射和热对流三种方式，散热效果和材料的导热系数并非线性相关，仅传导过程依赖于材料的导热系数，在热传递一维平板模型中，在导热系数达到一定数值之后散热则主要取决于对流散热。鉴于此，采用导热系数3～50w/(m·k)的导热塑料替换现有技术中的铜、铝等金属材质的均热板，能够在实现散热目的的同时，克服金属材质均热板结构设计受限，结构精度控制受限，重量大、加工工艺复杂、制造成本高等缺陷。

导热系数为大于等于3w/(m·k)即可在一定厚度条件下，实现接近于金属材质所达到的均热板整体的散热效果；导热系数的另一端点值选择为50w/(m·k)时，能够在保证材质的力学性能满足均热板要求下达到的较高导热系数。

封装部设有凹槽结构的联通腔，能够将各散热通道彼此联通，可实现在高发热点的工质蒸发，迅速扩散至其他散热通道内冷凝，将热量快速分散，大大提高换热效率。

腔体采用挤出成型，封装部为注塑成型，能够大大提高生产效率，多规格均热板生产时，可后续简单切割处理即可，相较于金属材质的生产工艺，大大减少模具数量和成本，整体上节约能源和生产成本效果明显。

依据热管的导热机理，气相工质在冷凝区冷凝成液相后通过毛细结构回流到加热区。目前现有技术生产的均热板热源点和冷凝区多分布在均热板的对应两个面，两个面之间无连接或以无毛细结构的加强筋连接，这就导致了回流的冷凝工质大部分回流到热源点的对面，从而降低工质相变速度，影响导热效率。本发明均热板的腔体内表面带有回流作用的毛细结构的支撑结构，促使冷凝后液相工质可以通过加强筋表面回流到吸热区，回流效率提高，同时吸热区的热量也更易传导到液相工质，从而提高导热效率。

两个所述封装部均设有填充管，其中一端填充管用于抽真空，另一端的填充管用于灌装工质。相较于仅从一端进行抽真空和灌装工质，能够同时进行灌装和抽真空步骤，提高效率，而且在先灌装再抽真空时，能够减少灌装时内部空气的阻力；避免在先抽真空后灌装时，真空度下降，从而降低工质换热效果。

本发明所述的均热板制造方法，挤出成型的腔体不仅纵向可切割为不同长度的均热板，而且在横向上也可后期切割出任意宽度大小的制件，配合不同的腔体封装盖即可得到不同大小的均热板，同时由于采用导热塑料材质，比金属材质更易加工，从而极大的降低加工制造成本。

附图说明

图1是实施例1所述的塑料平板均热板的示意图；

图2是实施例1所述的塑料平板均热板的局部剖开结构示意图；

图3是实施例1所述的塑料平板均热板的局部剖开的局部a处的结构示意图；

图4是实施例1所述的塑料平板均热板封装部的结构透视图；

图5是实施例2所述的塑料平板均热板的结构示意图。

图中附图标记为：1-腔体，11-支撑结构，12-毛细结构，2-封装部，21-联通腔，22-填充管，3-散热翅片。

具体实施方式

本发明技术方案中所采用的导热塑料，其树脂基体可以为pa、pps、lcp、tpe、pc、pp、ppa、peek等，填料可以为aln、sic、al2o3、石墨、纤维状高导热碳粉、鳞片状高导热碳粉等。由于均热板腔体内部需要抽真空，因此需要导热塑料材质具有一定的力学性能，因此结合力学性能要求，限定其导热系数选择范围。导热系数为大于等于3w/(m·k)即可在一定厚度条件下，实现接近于金属材质所达到的均热板整体的散热效果；导热系数选择为50w/(m·k)时，能够在保证材质的力学性能满足均热板要求下达到的较高导热系数。

聚酰胺树脂的表面张力约为38～50mn/m，丙酮的表面张力为23.7mn/m，二者接触界面间容易浸润，加速蒸发冷凝过程，增强换热、传热效果。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明，要指出的是，本发明实施例所述的具体技术方案，并不作为对本发明权利要求的限制。

实施例1

如图1～图4所示的一种塑料平板均热板包括：腔体1和封装部2，腔体1与两端两个封装部2相配合密封腔体1，所述腔体1内部抽真空并填充有工质，其中腔体1内设有支撑结构11，所述腔体1通过支撑结构11分成若干散热通道，所述腔体1内散热通道表面设有毛细结构12，所述联通腔21将若干散热通道相互联通，使工质能更快传输热量到整个均热板的各个部分，提高传热效率。

所述支撑结构11表面的毛细结构12为平行于散热通道方向的微沟槽；所述工质为丙酮，可以通过相变吸热和传热，所述腔体1和封装部2的材质均为导热系数3～50w/(m·k)的导热塑料。所述封装部2内设有凹槽结构的联通腔21，所述两个封装部2中均设有与联通腔21连接的填充管22，所述填充管22用于将腔体1和封装部2抽真空及灌装工质后密封。

所述腔体1与支撑结构11一体挤出成型，成型后可以通过切割得到不同宽度的腔体1。封装部2为注塑成型。

其中，本实施例中两个所述封装部2均设有填充管22，其中一端填充管22用于抽真空，另一端的填充管22用于灌装工质。

本实施例所的述塑料平板均热板的制造方法可概括为：通过挤出成型工艺制备腔体1，通过注塑成型工艺或镶件注塑工艺分别制备封装部2，分别将封装部2采用焊接方式固定于腔体1两端，通过填充管22对腔体1内部抽真空并灌装工质丙酮，完成后，密封填充管22。

具体包括以下步骤：

步骤一，腔体1的成型。腔体1可以通过连续挤出成型。后期可根据规格用机加工的方式裁剪出要求的长度和宽度。

步骤二，封装部2的成型。封装部2通过注塑成型，其上的联通腔21和填充管22可通过注塑一次成型得到，也可利用现有金属管通过镶嵌注塑工艺内嵌到封装部2中，通过金属管连接内部空腔。

步骤三，参阅图1所示，将封装部2置于腔体1两端，通过焊接方式密封，焊接方式包括且不限于激光焊接，超声波焊接等方法。除填充管22外，其他位置均处于密封无缝隙且与外界不连通的状态。

步骤四，焊接完成后利用真空设备，通过填充管22对平板均热板进行抽真空，抽真空过程应当保证环境无尘清洁。

步骤五，抽真空过程完成后，将工质通过填充管22对平板均热板进行灌装。

步骤六，工质灌装完成后将填充管22夹断，同时对断口进行焊接。保证均热板内部与外界空气隔绝，并在以后的使用过程中腔体1内的高温高压气体不发生泄漏。

本实施例中所述密封或焊接方式也可采用等离子体电弧焊或激光焊接。

本实施例可以根据所需腔体1的宽度，可以设计得到不同宽度的封装部2的配合，从而得到不同规格的均热板。相对于目前普遍采用的均热板一模一型的情况可极大的节省模具费用，提高生产效率。

平板均热板制备完成后即可投入使用。当均热板某一局部接触热源后，热源产生的热量通过均热板外壁传递到腔体1内表面。此时接触点腔体1内表面的毛细结构12吸附的低沸点工质会吸热蒸发，形成局部的高压气体。由于均热板内部真空度较高，高压气体会很快速的沿腔体1内空间运动到周围较冷的区域，并在这些较冷区域的腔体1及加支撑结构11表面放热冷凝。冷凝放出的热量通过均热的板腔体1外壁散发到环境中去，同时冷凝工质通过毛细结构12，在毛细管力的作用下回流到热源接触点附近。往复循环，连续不断地把热量从热源点扩散出去。

实施例2

如图5所示的一种塑料平板均热板，与实施例1其他结构相同，区别在于，所述腔体1外表面设有多个散热翅片3，所述散热翅片3材质为与腔体相同的导热塑料，多个散热翅片3沿腔体纵向(即与腔体1内的散热通道同一方向)排列，且各散热翅片3间相互平行，多个所述散热翅片3与腔体1一体化挤出成型。可以减少平板均热板加工程序，大大提高生产效率，降低成本并提高散热性能。此外，本实施例中，工质的抽真空和灌装步骤可以为：将工质灌装设备和抽真空设备分别连接在两个填充管22的两端，先短暂开启抽真空设备，部分降低腔体1内部的气压，有利于工质灌装，再开启工质灌装设备，开始灌装工质，当工质灌装完成后，关闭工质灌装设备，此时延长抽真空设备启动的时间，继续对腔体内进一步抽真空，使得内部其他气体杂质较少，气体中混入较多的是气态的工质，提高整体的换热效率。达到一定真空度后，关闭抽真空装置。密封两端的填充管22，即完成塑料平板均热板的制造。

以上实施例仅为本技术方案的部分可行方式，本领域技术人员可根据本申请说明书，结合本实施例进行任意变换，均在本申请保护范围内，具体如下：

本领域技术人员根据本发明思路，可以将本实施例中的填充管22，替换为两端镶嵌注塑金属材质的填充管22，也可以选择合金材质的填充管22。

本领域技术人员根据本发明思路，可以将抽真空和灌装步骤选择从一个填充管22进行，也可以从两个填充管22先后进行，也可以如本实施例1和实施例2中的方式进行。

本领域技术人员根据本发明思路，可以选择采用导热塑料材质，但仍以原上下两部分，分别通过两个模具注塑成型，然后焊接密封形成腔体1。

本领域技术人员根据本发明思路，可以根据实际应用需求，轻易制备出腔体1较小，内部无需支撑结构11的均热板产品。

本领域技术人员根据本发明思路，可以选择一端封装部2具有填充管22的结构，运用现有技术进行抽真空和填充，制备出均热板产品。

本领域技术人员根据本发明思路，将散热通道截面形状改为圆形、矩形、多边形等形状。

本发明适用于通讯设备、发光二极管照明部分及各种芯片的散热，还可适用于雷达、激光设备、医疗器械等设备内部高能发热部件的冷却。

本发明所述工质不仅限于以上几种，可以根据实际使用需求限定，如也可采用液氮在温度需求极低的环境中控制发热主体的散热。

需要说明的是，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明技术方案所作的举例说明。凡依据本发明专利构思所述的特征及原理所做的简单变化或者等效变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的技术思路或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。