一種製造多腔體相變均溫板的方法

2023-05-11 09:01:31 1

專利名稱：一種製造多腔體相變均溫板的方法
技術領域：
本發明涉及一種均溫板的製造方法。
背景技術：
隨著電子、IT、通訊、LED、太陽能等行業的飛速發展，其中所用電子元氣件的發熱功率也在不斷提高，熱流密度大幅提升，利用傳統的散熱組件已很難很好的解決相關的熱傳問題，特別是在IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極型電晶體)、通訊功率放大器、大功率LED路燈等散熱領域。傳統的散熱多以熱源加散熱片的散熱模式，通過熱散熱片與空氣的熱交換將熱量散失掉，但由於其結構空間、材料傳熱特性及散熱模組重量、結構強度及可靠性等限制，在遇到大功率、高熱流密度時傳統的散熱模式無法滿足散熱需求。同時，對於IGBT、通訊及軍工電子高功耗散熱領域，散熱器的可靠性及冗餘性是必須考慮的重點。傳統相變均溫板(Vapor Chamber)的工作原理如圖1所示,典型設計都是由密閉的殼體1、吸液芯和工作液組成單一密封腔體，將管內抽成1.3X (10_2 10_3)Pa的負壓後充以適量的工作液體，使緊貼腔 體內壁的吸液芯毛細芯中充滿液體後加以密封。腔體的一端為蒸發段(加熱段)，另一端為冷凝段(冷卻段)。腔體的一端受熱時毛細芯中的液體蒸發汽化，蒸汽在微小的壓差下在蒸汽通道3內流向另一端放出熱量凝結成液體，液體靠毛細力或重力的作用在流體通道4內流回蒸發段。如此循環不已,熱量由Vapor Chamber的一端傳至另一端。傳統Vapor Chamber的熱流密度可以達到200W/cm2 300W/cm2,其熱阻為
0.03W/°C 0.08W/°C，相對熱管具有更大的熱傳輸量，而且能滿足多點熱源的散熱需求。但是，傳統均溫板一般只有一個密封腔體，如果均溫板局部損壞或失效，將造成與均溫板接觸的所有電子元件(熱源)無法正常散熱的問題，尤其在軍工電子、通訊等設備中，往往為保證設備的正常運行，一套系統中要增加相應的冗餘保護措施，當其中一個功放在電路，或IGBT出現問題時，冗餘設計的電路或電源就要替代已出現問題的部件，以保證通訊或電源系統的正常使用。如果所有這些發熱元件共用一個單腔體均溫板，就無法達到可靠性冗餘的目的，為此，急需研發一種新型的冗餘多腔體相變均溫板。

發明內容
本發明的目的在於提供一種製造多腔體相變均溫板的方法，能更好地解決一套系統中所有發熱元件共用單腔體均溫板無法達到可靠性冗餘的問題。根據本發明的一個方面，提供的一種製造多腔體相變均溫板的方法，包括以下步驟:A)將鋁合金板加工成具有多個腔體的鋁合金下殼體；B)製作與所述鋁合金下殼體相配的鋁合金上殼體；
C)製作與所述多個腔體相配的多個鋁泡沫板；D)將所述多個鋁泡沫板分別安裝到鋁合金下殼體內相應的多個腔體中，形成具有多個鋁泡沫腔體的鋁合金下殼體組件；E)將所述鋁合金上殼體扣合到所述鋁合金下殼體組件上，並進行密封處理。進一步地，在所述步驟A)中，所述鋁合金下殼體具有加工出密封臺階的側壁，以及用來形成多個腔體的支撐結構。進一步地，在所述步驟B)中，所述鋁合金上殼體具有分別與所述密封臺階和所述支撐結構相配的焊接側邊和焊接溝槽，以及與所述多個腔體對應的多個工藝孔。進一步地,所述步驟C)包括:Cl)切割出與所述多個腔體相配的多個鋁泡沫板；C2)將切割出的所述多個鋁泡沫板進行模壓處理。進一步地，所述步驟C)還包括:C3)在實施所述步驟C2)後，利用超聲波，將所述多個鋁泡沫板進行去汙、脫脂清洗和烘乾處理，並將得到的多個鋁泡沫板進行表面打磨粗化處理，去除表面氧化層。利用60-100目的不同砂帶，對所述多個鋁泡沫板進行表面打磨粗化處理。進一步地，所述步驟D)包括:Dl)將表面打磨粗化的所述多個鋁泡沫板進行清洗後，在鋁釺焊劑中進行浸泡處理並烘乾；D2)利用超聲波將所述鋁合金下殼體進行清洗後，進行表面噴淋鋁釺焊劑的處理或在鋁釺焊劑中進行浸泡處理並烘乾；D3)將釺焊爐溫度調整到450 650°C之間，在氣體保護下，使鋁合金下殼體和鋁泡沫板在釺焊爐內進行密封釺焊，形成具有多個鋁泡沫腔體的鋁合金下殼體組件。進一步地,所述步驟E)包括:El)將多個工藝管分別插入所述鋁合金上殼體的多個工藝孔內；E2)利用氬弧焊將所述工藝管與所述鋁合金上殼體焊接在一起；E3)將安裝有多個工藝管的鋁合金上殼體扣合到所述鋁合金下殼體組件上並利用攪拌摩擦焊，將所述鋁合金上殼體的所述焊接溝槽和所述焊接側邊分別焊接到所述鋁合金下殼體組件的所述支撐結構和所述密封臺階上。進一步地，所述步驟E)還包括:E4)在實施所述步驟E3)之後，利用工藝管對多個鋁泡沫腔體進行抽真空、注工質處理。E5)在實施所述步驟E4)之後，利用氬弧焊封焊所述工藝管。與現有技術相比較，本發明的有益效果在於:本發明通過在均溫板內部形成多個完全獨立密封的腔體，實現了可靠性冗餘，並且能夠滿足多個熱源的傳熱需求。


圖1是現有技術提供的傳統相變均溫板工作原理圖；圖2是本發明實施例提供的鋁合金下殼體結構圖；圖3是本發明實施例提供的鋁合金上殼體結構圖4是本發明實施例提供的切割出的鋁泡沫板結構圖；圖5是本發明實施例提供的壓制後的鋁泡沫板結構圖；圖6是本發明實施例提供的鋁合金下殼體組件結構圖；圖7是本發明實施例提供的鋁合金殼體焊接結構圖；圖8是本發明實施例提供的多腔體相變均溫板的應用示意圖。附圖標記說明:1-殼體；2_毛細結構；3_蒸汽通道；4_流體通道；51a_第一腔體；51b-第二腔體；51c-第三腔體；51d-第四腔體；52a-第一鋁泡沫板；52b_第二鋁泡沫板；52c-第三鋁泡沫板；52d-第四鋁泡沫板；53a-第一鋁泡沫腔體；53b_第二鋁泡沫腔體；53c-第三鋁泡沫腔體；53d-第四鋁泡沫腔體；6_側壁；7_支撐結構；8_密封臺階；9_焊接側邊；10-焊接溝槽；11-工藝孔；12-邊縫溝槽；13a-第一熱源；13-第二熱源；13c-第三熱源。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的優選實施例進行詳細說明，應當理解，以下所說明的優選實施例僅用於說明和解釋本發明，並不用於限定本發明。如圖2至圖7所示，本發明的製造多腔體相變均溫板的方法包括如下步驟:A)將鋁合金板加工成具有多個腔體的鋁合金下殼體。所述鋁合金下殼體具有加工出密封臺階8的側壁6，以及用來形成多個腔體51a-51d的支撐結構7。B)製作與所述鋁合金下殼體相配的鋁合金上殼體。所述鋁合金上殼體具有分別與所述密封臺階8和所述支撐結構7相配的焊接側邊9和焊接溝槽10，以及與所述多個腔體51a_51d對應的多個工藝孔11。C)製作與所述多個腔體51a_51d相配的多個鋁泡沫板52a_52d。具體地說，首先切割出與所述多個腔體51a-51d相配的多個鋁泡沫板52a-52d，然後將切割出的所述多個鋁泡沫板52a-52d進行模壓處理。在實施模壓處理之後，利用超聲波，將所述多個鋁泡沫板52a-52d進行去汙、脫脂清洗和烘乾處理，並利用60-100目的不同砂帶，將得到的多個鋁泡沫板52a-52d進行表面打磨粗化處理，去除表面氧化層。D)將所述多個鋁泡沫板52a_52d分別安裝到鋁合金下殼體內相應的多個腔體51a-51d中，形成具有多個鋁泡沫腔體53a-53d的鋁合金下殼體組件。具體地說，首先將表面打磨粗化的所述多個鋁泡沫板52a-52d進行清洗後在鋁釺焊劑中進行浸泡處理並烘乾，利用超聲波將所述鋁合金下殼體進行清洗後進行表面噴淋鋁釺焊劑的處理或在鋁釺焊劑中進行浸泡處理並烘乾，然後將釺焊爐溫度調整到450 650°C之間，在氣體保護下，使鋁合金下殼體和鋁泡沫板52a-52d在釺焊爐內進行密封釺焊，形成具有多個鋁泡沫腔體53a-53d的鋁合金下殼體組件。E)將所述鋁合金上殼體扣合到所述鋁合金下殼體組件上，並進行密封處理。具體地說，首先將多個工藝管分別插入所述鋁合金上殼體的多個工藝孔11內，利用氬弧焊將所述工藝管與所述鋁合金上殼體焊接在一起，然後將安裝有多個工藝管的鋁合金上殼體扣合到所述鋁合金下殼體組件上，並利用攪拌摩擦焊，將所述鋁合金上殼體的所述焊接溝槽10和所述焊接側邊9分別焊接到所述鋁合金下殼體組件的所述支撐結構7和所述密封臺階8上，最後，利用工藝管對多個鋁泡沫腔體53a-53d進行抽真空、注工質處理，並利用氬弧焊封焊所述工藝管。下面以四個腔體為例，結合如圖2至圖7，對上述製造方法進行詳細描述。 1、多腔體相變均溫板鋁殼體的製作通過鋁壓鑄工藝或利用CNC加工技術，用鋁合金板製作出如圖2所示的多腔體相變均溫板的鋁合金下殼體，並以其中的支撐結構7將所述鋁合金下殼體分為四個空腔，形成具有第一腔體51a、第二腔體51b、第三腔體51c和第四腔體51d的鋁合金下殼體。其中，所述支撐結構7不僅可以使相變均溫板結構加強，而且，也是四個腔體51a-51d焊接密封的臺階。所述鋁合金下殼體的四周側壁6加工密封臺階8，所述密封臺階8與所述支撐結構7同高。依照多腔體相變均溫板的鋁合金下殼體的密封臺階8的尺寸，將鋁合金板切削加工出如圖3所示的鋁合金上殼體，其表面加工有焊接溝槽10和帶有傾角的焊接側邊9。也就是說，製作出的所述鋁合金上殼體要與所述鋁合金下殼體相配，具有分別與所述密封臺階8和所述支撐結構7相配的焊接側邊9和焊接溝槽10。進一步地，在鋁合金上殼體的四個角部開有四個工藝孔11，所述工藝孔11用於焊接為各個腔體排氣和充注工質的工藝管。2.泡沫鋁成型:根據不同產品的設計需求，選用不同網孔的泡沫鋁(80 120目)，並根據產品熱傳需求，利用不同切模分別切割出如圖4所示的第一鋁泡沫板52a(l#腔體泡沫板)、第二鋁泡沫板52b (2#腔體泡沫板)、第三招泡沫板52c (3#腔體泡沫板)、第四招泡沫板52d (4#腔體泡沫板)，以配合多腔體相變均溫板鋁合金下殼體各腔體51a-51d的尺寸。對切割得到的所述鋁泡沫板52a_52d，利用壓模分別加工製作出如圖5的對應多個腔體51a_51d的鋁泡沫腔體形狀，之後利用超聲波進行去汙、脫脂清洗，之後烘乾。3.泡沫鋁表面粗化處理利用60 100目不同砂帶，將鋁泡沫板52a_52d與鋁合金殼體接觸表面進行打磨粗化處理，以增大鋁泡沫板52a-52d表面與鋁合金殼體的接觸面積，並可去除鋁泡沫板52a_52d表面氧化層。4.鋁泡沫板預處理:將粗化處理的鋁泡沫板52a_52d進行清洗，之後將鋁泡沫52a_52d板浸入鋁釺焊劑液中，並使鋁泡沫板52a-52d在鋁釺焊劑中不停前後擺動，並上下震動，以使鋁泡沫板52a-52d表面在鋁釺焊劑液中可以得到充分浸泡，取出在烘道內烘乾。5.鋁合金殼體預處理將鋁合金下殼體進行超聲波清洗，之後使用鋁釺焊劑進行殼體表面噴淋或浸泡處理，後取出在烘道內烘乾。6.鋁泡沫板與鋁合金下殼體組裝將清洗、烘乾完成的鋁泡沫板52a_52d和鋁合金下殼體組裝在一起，如圖6所示，並將釺焊芯模鎖合(保持一定壓力，lOkg/cm2)至對應的鋁泡沫腔體53a-53d中，並保護好工藝孔11。7.鋁合金下殼體與鋁泡沫板釺焊調整釺焊爐溫度(450 650°C之間)，在氮氣(或其它保護氣體)的氣體保護下，使鋁釺焊工件在氣體保護釺焊爐內進行釺焊，將鋁合金下殼體與鋁泡沫板一次性密封焊接在一起。然後在氣體保護條件下冷卻到45度以下取出工件。8.附件組裝將工藝管(真空管和注料管)和鋁合金上殼體四個工藝孔11組裝在一起。在組裝過程中控制好殼體與殼體焊接縫隙之間的配合間隙，所述配合間隙一般小於0.08_。然後，利用氬弧焊接將工藝管與鋁合金上殼體焊接在一起。9、殼體密封焊接採用攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding,簡稱FSW)技術,在焊接過程中，焊頭按如圖7所述的焊接溝槽10和邊縫溝槽12曲線旋轉伸入工件的接縫中，旋轉焊頭與工件之間的摩擦熱，使焊頭前面的鋁合金材料發生強烈塑性變形，然後隨著焊頭的移動，高度塑性變形的材料流向焊頭的背後，將邊縫和溝槽縫隙密封焊接。從而使每個鋁泡沫腔體達到完全獨立密封的效果。10、抽真空、注工質將每個密封焊接的鋁殼腔體通過每個獨立鋁泡沫腔體的工藝管抽真空(< 1.3X10_2 5.0Xl(T3Pa)，並根據產品設計需求，在每個鋁泡沫腔體注入不同量的工質(141b、丙酮、乙二醇等)。11、工藝管密封。注入相應量的工質後，利用氬孤焊，封焊各個鋁泡沫腔體的工藝管。12、焊接殼體密封檢測:利用氦質譜檢測，對每個密封鋁合金殼體進行密封檢測，根據不同產品結構設計和不同需求進行氣壓檢測(5 15kgf/cm2)，或利用氦質譜進行密封檢測(根據產品設計要求、腔體體積大小不同、工質材料、使用年限等的不同，其微漏控制在3.0XlO-10
1.0XKT11Pa.m3/S)。13、性能檢測將製作好的鋁均溫板進行傳熱量、均溫性、熱阻等性能測試。圖8顯示了本發明實施例提供的多腔體相變均溫板的應用示意圖，如圖8所示，在一個電源模塊中，同時有三個發熱源，分別是第一熱源13a、第二熱源13b、第三熱源13c，所述三個熱源位於多腔相變均溫板的下方，並與均溫板平面緊密接觸。為了能保證所述三個熱源模塊產生的熱量能夠安全可靠的被多腔相變均溫板傳輸至冷卻端，採用了冗餘設計，即每個熱源同時與兩個獨立密封均溫板腔體接觸，如圖8所示，所述第一熱源13a位於第一鋁泡沫腔體53a和第二鋁泡沫腔體53b下方，所述第二熱源13b位於第二鋁泡沫腔體53b和第三鋁泡沫腔體53c下方，所述第三熱源13c位於第三鋁泡沫腔體53c和第四鋁泡沫腔體53d下方，即第一熱源13a產生的熱量可以被第一鋁泡沫腔體53a和第二鋁泡沫腔體53b兩個獨立密封腔內的工質(工作液)傳輸至冷卻端。同樣，第二熱源13b產生的熱量可以被第二鋁泡沫腔體53b和第三鋁泡沫腔體53c兩個獨立密封腔內的工作液傳輸至冷卻端；所述第三熱源13c產生的熱量可以被第三鋁泡沫腔體53c和第四鋁泡沫腔體53d兩個獨立密封腔內的工作液傳輸至冷卻端。其可靠性表現在，當其中一個獨立密封腔，例如第一鋁泡沫腔體53a，發生洩露或其它損壞時，第二鋁泡沫腔體53b內的工質仍能將第一熱源13a所產生的熱量帶走，從而保證了第一熱源14a能夠正常應用，增強了電源模塊的可靠性和安全性。
綜上所述，本發明具有以下技術效果:1.可以同時滿足多熱源傳熱需求；2.可以利用多個鋁泡沫腔體達到冗餘可靠性的設計需求；3.多腔體相變均溫板具有更好的結構強度；4.製作工藝簡單，相對銅均溫成本可大幅降低；5.可以有效降低散熱器重量。儘管上文對本發明進行了詳細說明，但是本發明不限於此，本技術領域技術人員可以根據本發明的原理進行各種修改。因此，凡按照本發明原理所作的修改，都應當理解為落入本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種製造多腔體相變均溫板的方法，其特徵在於，包括以下步驟: A)將鋁合金板加工成具有多個腔體的鋁合金下殼體； B)製作與所述鋁合金下殼體相配的鋁合金上殼體； C)製作與所述多個腔體相配的多個鋁泡沫板； D)將所述多個鋁泡沫板分別安裝到鋁合金下殼體內相應的多個腔體中，形成具有多個鋁泡沫腔體的鋁合金下殼體組件； E)將所述鋁合金上殼體扣合到所述鋁合金下殼體組件上，並進行密封處理。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，在所述步驟A)中，所述鋁合金下殼體具有加工出密封臺階的側壁，以及用來形成多個腔體的支撐結構。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，在所述步驟B)中，所述鋁合金上殼體具有分別與所述密封臺階和所述支撐結構相配的焊接側邊和焊接溝槽，以及與所述多個腔體對應的多個工藝孔。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述步驟C)包括: Cl)切割出與所述多個腔體相配的多個鋁泡沫板； C2)將切割出的所述多個鋁泡沫板進行模壓處理。
5.根據權利要求或4所述的方法，其特徵在於，所述步驟C)還包括: C3)在實施所述步驟C2)後，利用超聲波，將所述多個鋁泡沫板進行去汙、脫脂清洗和烘乾處理，並將得到的多個鋁泡沫板進行表面打磨粗化處理，去除表面氧化層。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，利用60-100目的不同砂帶，對所述多個鋁泡沫板進行表面打磨粗化處理。
7.根據權利要求1-6任意一項所述的方法，其特徵在於，所述步驟D)包括: Dl)將表面打磨粗化的所述多個鋁泡沫板進行清洗後，在鋁釺焊劑中進行浸泡處理並烘乾； D2)利用超聲波將所述鋁合金下殼體進行清洗後，進行表面噴淋鋁釺焊劑的處理或在鋁釺焊劑中進行浸泡處理並烘乾； D3)將釺焊爐溫度調整到450 650°C之間，在氣體保護下，使鋁合金下殼體和鋁泡沫板在釺焊爐內進行密封釺焊，形成具有多個鋁泡沫腔體的鋁合金下殼體組件。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述步驟E)包括: El)將多個工藝管分別插入所述鋁合金上殼體的多個工藝孔內； E2)利用氬弧焊將所述工藝管與所述鋁合金上殼體焊接在一起； E3)將安裝有多個工藝管的鋁合金上殼體扣合到所述鋁合金下殼體組件上並利用攪拌摩擦焊，將所述鋁合金上殼體的所述焊接溝槽和所述焊接側邊分別焊接到所述鋁合金下殼體組件的所述支撐結構和所述密封臺階上。
9.根據權利要求8所述的方法，所述步驟E)還包括: E4)在實施所述步驟E3)之後，利用工藝管對多個鋁泡沫腔體進行抽真空、注工質處理。
10.根據權利要求9所述的方法，所述步驟E)還包括: E5)在實施所述步驟E4)之後，利用氬弧焊封焊所述工藝管。
全文摘要
本發明公開了一種製造多腔體相變均溫板的方法，包括以下步驟A)將鋁合金板加工成具有多個腔體的鋁合金下殼體；B)製作與所述鋁合金下殼體相配的鋁合金上殼體；C)製作與所述多個腔體相配的多個鋁泡沫板；D)將所述多個鋁泡沫板分別安裝到鋁合金下殼體內相應的多個腔體中，形成具有多個鋁泡沫腔體的鋁合金下殼體組件；E)將所述鋁合金上殼體扣合到所述鋁合金下殼體組件上，並進行密封處理。本發明通過在均溫板內部形成多個完全獨立密封的腔體，實現了可靠性冗餘，並且能夠滿足多個熱源的傳熱需求。
文檔編號B23P15/26GK103203606SQ20121000832
公開日2013年7月17日 申請日期2012年1月12日 優先權日2012年1月12日
發明者劉曉東, 王子傑 申請人:國研高能(北京)穩態傳熱傳質技術研究院有限公司