CN103203606A - 一种制造多腔体相变均温板的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制造多腔体相变均温板的方法，包括以下步骤：A)将铝合金板加工成具有多个腔体的铝合金下壳体；B)制作与所述铝合金下壳体相配的铝合金上壳体；C)制作与所述多个腔体相配的多个铝泡沫板；D)将所述多个铝泡沫板分别安装到铝合金下壳体内相应的多个腔体中，形成具有多个铝泡沫腔体的铝合金下壳体组件；E)将所述铝合金上壳体扣合到所述铝合金下壳体组件上，并进行密封处理。本发明通过在均温板内部形成多个完全独立密封的腔体，实现了可靠性冗余，并且能够满足多个热源的传热需求。

Description

一种制造多腔体相变均温板的方法

技术领域

本发明涉及一种均温板的制造方法。

背景技术

随着电子、IT、通讯、LED、太阳能等行业的飞速发展，其中所用电子元气件的发热功率也在不断提高，热流密度大幅提升，利用传统的散热组件已很难很好的解决相关的热传问题，特别是在IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)、通讯功率放大器、大功率LED路灯等散热领域。

传统的散热多以热源加散热片的散热模式，通过热散热片与空气的热交换将热量散失掉，但由于其结构空间、材料传热特性及散热模组重量、结构强度及可靠性等限制，在遇到大功率、高热流密度时传统的散热模式无法满足散热需求。同时，对于IGBT、通讯及军工电子高功耗散热领域，散热器的可靠性及冗余性是必须考虑的重点。

传统相变均温板(Vapor Chamber)的工作原理如图1所示，典型设计都是由密闭的壳体1、吸液芯和工作液组成单一密封腔体，将管内抽成1.3×(10^-2～10^{- 3})Pa的负压后充以适量的工作液体，使紧贴腔体内壁的吸液芯毛细芯中充满液体后加以密封。腔体的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)。腔体的一端受热时毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下在蒸汽通道3内流向另一端放出热量凝结成液体，液体靠毛细力或重力的作用在流体通道4内流回蒸发段。如此循环不已，热量由Vapor Chamber的一端传至另一端。

传统Vapor Chamber的热流密度可以达到200W/cm2～300W/cm2，其热阻为0.03W/℃～0.08W/℃，相对热管具有更大的热传输量，而且能满足多点热源的散热需求。但是，传统均温板一般只有一个密封腔体，如果均温板局部损坏或失效，将造成与均温板接触的所有电子元件(热源)无法正常散热的问题，尤其在军工电子、通讯等设备中，往往为保证设备的正常运行，一套***中要增加相应的冗余保护措施，当其中一个功放在电路，或IGBT出现问题时，冗余设计的电路或电源就要替代已出现问题的部件，以保证通讯或电源***的正常使用。

如果所有这些发热元件共用一个单腔体均温板，就无法达到可靠性冗余的目的，为此，急需研发一种新型的冗余多腔体相变均温板。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制造多腔体相变均温板的方法，能更好地解决一套***中所有发热元件共用单腔体均温板无法达到可靠性冗余的问题。

根据本发明的一个方面，提供的一种制造多腔体相变均温板的方法，包括以下步骤：

A)将铝合金板加工成具有多个腔体的铝合金下壳体；

B)制作与所述铝合金下壳体相配的铝合金上壳体；

C)制作与所述多个腔体相配的多个铝泡沫板；

D)将所述多个铝泡沫板分别安装到铝合金下壳体内相应的多个腔体中，形成具有多个铝泡沫腔体的铝合金下壳体组件；

E)将所述铝合金上壳体扣合到所述铝合金下壳体组件上，并进行密封处理。

进一步地，在所述步骤A)中，所述铝合金下壳体具有加工出密封台阶的侧壁，以及用来形成多个腔体的支撑结构。

进一步地，在所述步骤B)中，所述铝合金上壳体具有分别与所述密封台阶和所述支撑结构相配的焊接侧边和焊接沟槽，以及与所述多个腔体对应的多个工艺孔。

进一步地，所述步骤C)包括：

C1)切割出与所述多个腔体相配的多个铝泡沫板；

C2)将切割出的所述多个铝泡沫板进行模压处理。

进一步地，所述步骤C)还包括：

C3)在实施所述步骤C2)后，利用超声波，将所述多个铝泡沫板进行去污、脱脂清洗和烘干处理，并将得到的多个铝泡沫板进行表面打磨粗化处理，去除表面氧化层。

利用60-100目的不同砂带，对所述多个铝泡沫板进行表面打磨粗化处理。

进一步地，所述步骤D)包括：

D1)将表面打磨粗化的所述多个铝泡沫板进行清洗后，在铝钎焊剂中进行浸泡处理并烘干；

D2)利用超声波将所述铝合金下壳体进行清洗后，进行表面喷淋铝钎焊剂的处理或在铝钎焊剂中进行浸泡处理并烘干；

D3)将钎焊炉温度调整到450～650℃之间，在气体保护下，使铝合金下壳体和铝泡沫板在钎焊炉内进行密封钎焊，形成具有多个铝泡沫腔体的铝合金下壳体组件。

进一步地，所述步骤E)包括：

E1)将多个工艺管分别***所述铝合金上壳体的多个工艺孔内；

E2)利用氩弧焊将所述工艺管与所述铝合金上壳体焊接在一起；

E3)将安装有多个工艺管的铝合金上壳体扣合到所述铝合金下壳体组件上并利用搅拌摩擦焊，将所述铝合金上壳体的所述焊接沟槽和所述焊接侧边分别焊接到所述铝合金下壳体组件的所述支撑结构和所述密封台阶上。

进一步地，所述步骤E)还包括：

E4)在实施所述步骤E3)之后，利用工艺管对多个铝泡沫腔体进行抽真空、注工质处理。

E5)在实施所述步骤E4)之后，利用氩弧焊封焊所述工艺管。

与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：本发明通过在均温板内部形成多个完全独立密封的腔体，实现了可靠性冗余，并且能够满足多个热源的传热需求。

附图说明

图1是现有技术提供的传统相变均温板工作原理图；

图2是本发明实施例提供的铝合金下壳体结构图；

图3是本发明实施例提供的铝合金上壳体结构图；

图4是本发明实施例提供的切割出的铝泡沫板结构图；

图5是本发明实施例提供的压制后的铝泡沫板结构图；

图6是本发明实施例提供的铝合金下壳体组件结构图；

图7是本发明实施例提供的铝合金壳体焊接结构图；

图8是本发明实施例提供的多腔体相变均温板的应用示意图。

附图标记说明：1-壳体；2-毛细结构；3-蒸汽通道；4-流体通道；51a-第一腔体；51b-第二腔体；51c-第三腔体；51d-第四腔体；52a-第一铝泡沫板；52b-第二铝泡沫板；52c-第三铝泡沫板；52d-第四铝泡沫板；53a-第一铝泡沫腔体；53b-第二铝泡沫腔体；53c-第三铝泡沫腔体；53d-第四铝泡沫腔体；6-侧壁；7-支撑结构；8-密封台阶；9-焊接侧边；10-焊接沟槽；11-工艺孔；12-边缝沟槽；13a-第一热源；13-第二热源；13c-第三热源。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，应当理解，以下所说明的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图2至图7所示，本发明的制造多腔体相变均温板的方法包括如下步骤：

A)将铝合金板加工成具有多个腔体的铝合金下壳体。所述铝合金下壳体具有加工出密封台阶8的侧壁6，以及用来形成多个腔体51a-51d的支撑结构7。

B)制作与所述铝合金下壳体相配的铝合金上壳体。所述铝合金上壳体具有分别与所述密封台阶8和所述支撑结构7相配的焊接侧边9和焊接沟槽10，以及与所述多个腔体51a-51d对应的多个工艺孔11。

C)制作与所述多个腔体51a-51d相配的多个铝泡沫板52a-52d。具体地说，首先切割出与所述多个腔体51a-51d相配的多个铝泡沫板52a-52d，然后将切割出的所述多个铝泡沫板52a-52d进行模压处理。在实施模压处理之后，利用超声波，将所述多个铝泡沫板52a-52d进行去污、脱脂清洗和烘干处理，并利用60-100目的不同砂带，将得到的多个铝泡沫板52a-52d进行表面打磨粗化处理，去除表面氧化层。

D)将所述多个铝泡沫板52a-52d分别安装到铝合金下壳体内相应的多个腔体51a-51d中，形成具有多个铝泡沫腔体53a-53d的铝合金下壳体组件。具体地说，首先将表面打磨粗化的所述多个铝泡沫板52a-52d进行清洗后在铝钎焊剂中进行浸泡处理并烘干，利用超声波将所述铝合金下壳体进行清洗后进行表面喷淋铝钎焊剂的处理或在铝钎焊剂中进行浸泡处理并烘干，然后将钎焊炉温度调整到450～650℃之间，在气体保护下，使铝合金下壳体和铝泡沫板52a-52d在钎焊炉内进行密封钎焊，形成具有多个铝泡沫腔体53a-53d的铝合金下壳体组件。

E)将所述铝合金上壳体扣合到所述铝合金下壳体组件上，并进行密封处理。具体地说，首先将多个工艺管分别***所述铝合金上壳体的多个工艺孔11内，利用氩弧焊将所述工艺管与所述铝合金上壳体焊接在一起，然后将安装有多个工艺管的铝合金上壳体扣合到所述铝合金下壳体组件上，并利用搅拌摩擦焊，将所述铝合金上壳体的所述焊接沟槽10和所述焊接侧边9分别焊接到所述铝合金下壳体组件的所述支撑结构7和所述密封台阶8上，最后，利用工艺管对多个铝泡沫腔体53a-53d进行抽真空、注工质处理，并利用氩弧焊封焊所述工艺管。

下面以四个腔体为例，结合如图2至图7，对上述制造方法进行详细描述。

1、多腔体相变均温板铝壳体的制作

通过铝压铸工艺或利用CNC加工技术，用铝合金板制作出如图2所示的多腔体相变均温板的铝合金下壳体，并以其中的支撑结构7将所述铝合金下壳体分为四个空腔，形成具有第一腔体51a、第二腔体51b、第三腔体51c和第四腔体51d的铝合金下壳体。其中，所述支撑结构7不仅可以使相变均温板结构加强，而且，也是四个腔体51a-51d焊接密封的台阶。所述铝合金下壳体的四周侧壁6加工密封台阶8，所述密封台阶8与所述支撑结构7同高。

依照多腔体相变均温板的铝合金下壳体的密封台阶8的尺寸，将铝合金板切削加工出如图3所示的铝合金上壳体，其表面加工有焊接沟槽10和带有倾角的焊接侧边9。也就是说，制作出的所述铝合金上壳体要与所述铝合金下壳体相配，具有分别与所述密封台阶8和所述支撑结构7相配的焊接侧边9和焊接沟槽10。进一步地，在铝合金上壳体的四个角部开有四个工艺孔11，所述工艺孔11用于焊接为各个腔体排气和充注工质的工艺管。

2.泡沫铝成型：

根据不同产品的设计需求，选用不同网孔的泡沫铝(80～120目)，并根据产品热传需求，利用不同切模分别切割出如图4所示的第一铝泡沫板52a(1#腔体泡沫板)、第二铝泡沫板52b(2#腔体泡沫板)、第三铝泡沫板52c(3#腔体泡沫板)、第四铝泡沫板52d(4#腔体泡沫板)，以配合多腔体相变均温板铝合金下壳体各腔体51a-51d的尺寸。

对切割得到的所述铝泡沫板52a-52d，利用压模分别加工制作出如图5的对应多个腔体51a-51d的铝泡沫腔体形状，之后利用超声波进行去污、脱脂清洗，之后烘干。

3.泡沫铝表面粗化处理

利用60～100目不同砂带，将铝泡沫板52a-52d与铝合金壳体接触表面进行打磨粗化处理，以增大铝泡沫板52a-52d表面与铝合金壳体的接触面积，并可去除铝泡沫板52a-52d表面氧化层。

4.铝泡沫板预处理：

将粗化处理的铝泡沫板52a-52d进行清洗，之后将铝泡沫52a-52d板浸入铝钎焊剂液中，并使铝泡沫板52a-52d在铝钎焊剂中不停前后摆动，并上下震动，以使铝泡沫板52a-52d表面在铝钎焊剂液中可以得到充分浸泡，取出在烘道内烘干。

5.铝合金壳体预处理

将铝合金下壳体进行超声波清洗，之后使用铝钎焊剂进行壳体表面喷淋或浸泡处理，后取出在烘道内烘干。

6.铝泡沫板与铝合金下壳体组装

将清洗、烘干完成的铝泡沫板52a-52d和铝合金下壳体组装在一起，如图6所示，并将钎焊芯模锁合(保持一定压力，10kg/cm²)至对应的铝泡沫腔体53a-53d中，并保护好工艺孔11。

7.铝合金下壳体与铝泡沫板钎焊

调整钎焊炉温度(450～650℃之间)，在氮气(或其它保护气体)的气体保护下，使铝钎焊工件在气体保护钎焊炉内进行钎焊，将铝合金下壳体与铝泡沫板一次性密封焊接在一起。然后在气体保护条件下冷却到45度以下取出工件。

8.附件组装

将工艺管(真空管和注料管)和铝合金上壳体四个工艺孔11组装在一起。在组装过程中控制好壳体与壳体焊接缝隙之间的配合间隙，所述配合间隙一般小于0.08mm。然后，利用氩弧焊接将工艺管与铝合金上壳体焊接在一起。

9、壳体密封焊接

采用搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)技术，在焊接过程中，焊头按如图7所述的焊接沟槽10和边缝沟槽12曲线旋转伸入工件的接缝中，旋转焊头与工件之间的摩擦热，使焊头前面的铝合金材料发生强烈塑性变形，然后随着焊头的移动，高度塑性变形的材料流向焊头的背后，将边缝和沟槽缝隙密封焊接。从而使每个铝泡沫腔体达到完全独立密封的效果。

10、抽真空、注工质

将每个密封焊接的铝壳腔体通过每个独立铝泡沫腔体的工艺管抽真空(＜1.3X10^-2～5.0X10^-3Pa)，并根据产品设计需求，在每个铝泡沫腔体注入不同量的工质(141b、丙酮、乙二醇等)。

11、工艺管密封。

注入相应量的工质后，利用氩孤焊，封焊各个铝泡沫腔体的工艺管。

12、焊接壳体密封检测：

利用氦质谱检测，对每个密封铝合金壳体进行密封检测，根据不同产品结构设计和不同需求进行气压检测(5～15kgf/cm2)，或利用氦质谱进行密封检测(根据产品设计要求、腔体体积大小不同、工质材料、使用年限等的不同，其微漏控制在3.0X10^-10～1.0X10^-11Pa.m³/S)。

13、性能检测

将制作好的铝均温板进行传热量、均温性、热阻等性能测试。

图8显示了本发明实施例提供的多腔体相变均温板的应用示意图，如图8所示，在一个电源模块中，同时有三个发热源，分别是第一热源13a、第二热源13b、第三热源13c，所述三个热源位于多腔相变均温板的下方，并与均温板平面紧密接触。为了能保证所述三个热源模块产生的热量能够安全可靠的被多腔相变均温板传输至冷却端，采用了冗余设计，即每个热源同时与两个独立密封均温板腔体接触，如图8所示，所述第一热源13a位于第一铝泡沫腔体53a和第二铝泡沫腔体53b下方，所述第二热源13b位于第二铝泡沫腔体53b和第三铝泡沫腔体53c下方，所述第三热源13c位于第三铝泡沫腔体53c和第四铝泡沫腔体53d下方，即第一热源13a产生的热量可以被第一铝泡沫腔体53a和第二铝泡沫腔体53b两个独立密封腔内的工质(工作液)传输至冷却端。同样，第二热源13b产生的热量可以被第二铝泡沫腔体53b和第三铝泡沫腔体53c两个独立密封腔内的工作液传输至冷却端；所述第三热源13c产生的热量可以被第三铝泡沫腔体53c和第四铝泡沫腔体53d两个独立密封腔内的工作液传输至冷却端。

其可靠性表现在，当其中一个独立密封腔，例如第一铝泡沫腔体53a，发生泄露或其它损坏时，第二铝泡沫腔体53b内的工质仍能将第一热源13a所产生的热量带走，从而保证了第一热源14a能够正常应用，增强了电源模块的可靠性和安全性。

综上所述，本发明具有以下技术效果：

1.可以同时满足多热源传热需求；

2.可以利用多个铝泡沫腔体达到冗余可靠性的设计需求；

3.多腔体相变均温板具有更好的结构强度；

4.制作工艺简单，相对铜均温成本可大幅降低；

5.可以有效降低散热器重量。

尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本技术领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种制造多腔体相变均温板的方法，其特征在于，包括以下步骤：

A)将铝合金板加工成具有多个腔体的铝合金下壳体；

B)制作与所述铝合金下壳体相配的铝合金上壳体；

C)制作与所述多个腔体相配的多个铝泡沫板；

D)将所述多个铝泡沫板分别安装到铝合金下壳体内相应的多个腔体中，形成具有多个铝泡沫腔体的铝合金下壳体组件；

E)将所述铝合金上壳体扣合到所述铝合金下壳体组件上，并进行密封处理。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤A)中，所述铝合金下壳体具有加工出密封台阶的侧壁，以及用来形成多个腔体的支撑结构。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述步骤B)中，所述铝合金上壳体具有分别与所述密封台阶和所述支撑结构相配的焊接侧边和焊接沟槽，以及与所述多个腔体对应的多个工艺孔。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤C)包括：

C1)切割出与所述多个腔体相配的多个铝泡沫板；

C2)将切割出的所述多个铝泡沫板进行模压处理。

5.根据权利要求或4所述的方法，其特征在于，所述步骤C)还包括：

C3)在实施所述步骤C2)后，利用超声波，将所述多个铝泡沫板进行去污、脱脂清洗和烘干处理，并将得到的多个铝泡沫板进行表面打磨粗化处理，去除表面氧化层。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，利用60-100目的不同砂带，对所述多个铝泡沫板进行表面打磨粗化处理。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的方法，其特征在于，所述步骤D)包括：

D1)将表面打磨粗化的所述多个铝泡沫板进行清洗后，在铝钎焊剂中进行浸泡处理并烘干；

D2)利用超声波将所述铝合金下壳体进行清洗后，进行表面喷淋铝钎焊剂的处理或在铝钎焊剂中进行浸泡处理并烘干；

D3)将钎焊炉温度调整到450～650℃之间，在气体保护下，使铝合金下壳体和铝泡沫板在钎焊炉内进行密封钎焊，形成具有多个铝泡沫腔体的铝合金下壳体组件。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤E)包括：

E1)将多个工艺管分别***所述铝合金上壳体的多个工艺孔内；

E2)利用氩弧焊将所述工艺管与所述铝合金上壳体焊接在一起；

E3)将安装有多个工艺管的铝合金上壳体扣合到所述铝合金下壳体组件上并利用搅拌摩擦焊，将所述铝合金上壳体的所述焊接沟槽和所述焊接侧边分别焊接到所述铝合金下壳体组件的所述支撑结构和所述密封台阶上。

9.根据权利要求8所述的方法，所述步骤E)还包括：

E4)在实施所述步骤E3)之后，利用工艺管对多个铝泡沫腔体进行抽真空、注工质处理。

10.根据权利要求9所述的方法，所述步骤E)还包括：

E5)在实施所述步骤E4)之后，利用氩弧焊封焊所述工艺管。

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