一种基于多胞结构的轻质高效散热结构及其增材制造方法

技术领域

本发明涉及高功率电子装备散热结构设计与增材制造技术领域，更具体的说是涉及一种基于多胞结构的轻质高效散热结构及其增材制造方法。

背景技术

随着航空航天、核电、汽车能源等行业的快速发展，电子设备的集成数量以及热流密度不断增加，工作中的发热量也随之剧增，导致电子设备的工作温度也显著升高，工作温度过高将直接影响电子设备的性能和寿命。因此，需要开发高效的散热结构来进行电子设备的热控制。

液冷散热是高功率电子设备最常用的散热方式之一。其中，液冷板是液冷散热的关键装置，功能是将电子设备的热量带到冷源。传统冷板受制造方法约束，结构简单，散热能力提升困难，无法满足新一代电子设备的是散热要求。随着增材制造技术的发展，使新的散热结构设计与制造成为了可能。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是提供了一种基于多胞结构的轻质高效散热结构及其增材制造方法，通过引入新的结构和制造方法，实现复杂轻质高效散热结构一体化设计与制造，解决高功率电子设备的散热难题，同时提升结构轻量化水平。

(二)技术方案

一种多胞结构的轻质高效散热结构，其特征在于，包括多胞散热单元2、多条流道6-3和轻量化结构8-3；其中，多胞散热单元2包括壳体2-4和多个胞元2-2，多个胞元2-2在长宽高三个方向紧密排列在一起，形成立体方阵；立体方阵在长宽高三个方向上，至少有一个方向上有多个胞元2-2，三个方向的胞元尺寸可以分别进行缩放；每个胞元2-2至少在冷却液流向的方向上设有贯通的孔，在冷却液流向的方向上连在一起的多个胞元2-2的贯通的孔相连接，形成一个通道；壳体2-4是一个密封的壳体，壳体2-4上端设有进口2-1，壳体2-4下端设有出口2-5；立体方阵安装在壳体2-4内，除冷却液流向的方向外，立体方阵其余四个面都有部分表面与壳体2-4的四个内壁相连接；壳体2-4外表面与热源2-3连接在一起；壳体2-4的进口2-1通过流道6-3与冷却液源头连接，壳体2-4的出口2-5通过流道6-3与冷却液回流装置连接；

工作时，壳体2-4的进口2-1输入冷却液，冷却液通过多个胞元2-2的贯通孔或多个胞元2-2与壳体2-4间的缝隙流向壳体2-4的出口2-5，使冷却液流到回流装置中；壳体2-4通过冷却液降温，同时也使热源2-3得到降温；对于非散热区域，填充减重结构8-3，起到支撑和安装的作用。

包含多个多胞结构的轻质高效散热结构的轻质高效散热结构，有由多条流道6-3将多个多胞散热单元2串联或并联在一起，用于对多个热源2-3降温。

所述的每个胞元2-2在长、宽、高三个方向都有设有贯通的孔。

所述的胞元2-2的表面散热结构是三周期极小曲面或三周期极小曲面衍生结构。

所述的胞元2-2的表面散热结构是三周期极小曲面，所述三周期极小曲面，是一种平均曲率为零的曲面，通过隐函数控制，包括P型、D型、G型三周期极小曲面，通过曲面单向偏移、双向偏移、嵌套等方法形成高比表面积薄壁曲面；基于三周期极小曲面生成的结构的P型、D型、G型极小曲面表达式为：

所述P型极小曲面表达式为：

f(x,y,z)＝cos(x)+cos(y)+cos(z)；

所述D型极小曲面表达式为：

f(x,y,z)＝cos(x)*cos(y)*cos(z)-sin(x)*sin(y)*sin(z)；

所述G型极小曲面表达式为：

f(x,y,z)＝cos(x)*sin(y)+cos(y)*sin(z)+sin(x)*cos(z)。

所述的胞元2-2的表面散热结构是三周期极小曲面的衍生结构时，其表达式为；

G-PSurface：cos(x)*sin(y)+cos(y)*sin(z)+sin(x)*cos(z)-cos(x)+cos(y)+cos(z)

G-DSurface:cos(z)*sin(x)+cos(x)+cos(y)+cos(z)-(cos(x)*cos(y)*cos(z)-sin(x)*si n(y)*sin(z))

I-WP Surface：cos(x)*cos(y)+cos(y)*cos(z)+cos(z)*cos(x)-cos(x)*cos(y)*cos(z)；

Neovius Surface：3*(cos(x)+cos(y)+cos(z))+4*cos(x)*cos(y)*cos(z)；

Split P Surface：1.1*(sin(2*x)*cos(y)*sin(z)+sin(2*y)*cos(z)*sin(x)+sin(2*z)*cos(x)*sin(y))-0.2*(cos(2*x)*cos(2*y)+cos(2*y)*cos(2*z)+cos(2*z)*cos(2*x))-0.4*(cos(2*y)+cos(2*z)+cos(2*x))；

Lidinoid Surface：(sin(x)*cos(y)*sin(z)+sin(y)*cos(z)*sin(x)+sin(z)*cos(x)*sin(y))-(cos(x)*cos(y)+cos(y)*cos(z)+cos(z)*cos(x))。

一种用于权利要求1所述的一种多胞结构的轻质高效散热结构的增材制造方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤一、设计用增材制造的结构方案：

将所需的一个或多个多胞散热单元2设计在一个基板内，在基板的最外层设计为蒙皮，用于保护基板内部的结构，基板内部分布一个或多个多胞散热单元2，每个多胞散热单元2上端的进口2-1和下端的出口2-5都连接有流道6-3；使一个或多个多胞散热单元2在基板内形成串联或并联的回路，在基板内上表面设有总进口和总出口；且所有多胞散热单元2的进口2-1都在其上端，出口2-5都在其下端；

步骤二、设计多胞散热单元2的具体结构：

A将多胞散热单元2设计在基板内部，且基板的前蒙皮5-5和后蒙皮5-6的一部分成为多胞散热单元2的前部壳体和后部壳体；将一个或多个胞散热单元2串并联，形成散热结构；

B在多个高效散热胞元2-2的下底面，设计一个“Λ”字形极小曲面下表面自支撑结构10-8，使“Λ”字形极小曲面下表面自支撑结构10-8与多个高效散热胞元2-2的下底面连接，在“Λ”字形极小曲面下表面自支撑结构10-8开多个孔，多个孔与多个高效散热胞元2-2的下底面的孔相连通；

步骤三、设计与多胞散热单元2相连接的流道6-3，流道6-3横截面为五边形，上面两个边呈“Λ”字形的工艺结构，下面三个边呈

步骤四、设计多胞散热单元2和流道6-3与基板外表面之间的部位的结构，用于填充非换热区域：

为了减少重量，将多胞散热单元2和流道6-3与基板外表面之间的部位设计成轻量化结构；

步骤五、对一体化散热结构进行工艺仿真分析，评估增材制造过程中的成形质量，对模型进行工艺优化；

步骤六、用增材方式制造基板，其中增材方向由多个多胞散热单元2的出口出口2-5的下端向多个多胞散热单元2的进口2-1的上端方向进行增材，直到基板完成。

所述轻量化结构是点阵结构、三周期极小曲面结构或仿生结构；

所述点阵结构包括面心立方或体心立方；所述极小曲面包括P型、D型或G型结构，还能够用极小曲面的镂空设计；所述仿生结构是仿生点阵或仿丝瓜瓤结构，用于进一步减重。

在基板内部无法实现增材的结构处增加“Λ”字形工艺支撑，以实现增材制造，进而实现结构一体化设计与制造。

(三)本发明的优点及功效

本发明的一种基于周期胞元的轻质高效散热结构及其设计与增材制造方法，提出了一种基于周期胞元的轻质高效散热结构及其设计方法，采用极小曲面+点阵的结构形式实现了散热结构散热能力和轻量化水平的提升，散热能力可提升50％以上，轻量化水平可提升60％以上；通过工艺仿真进行增材制造过程中的变形、开裂、刮刀碰撞、收缩等风险预测，实现了复杂一体化结构的增材制造变形控制，提高产品一次合格率，节省试错成本。通过新的结构设计和制造方法，解决了高功率电子设备的散热难题和轻量化难题。

附图说明

下面将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1、为本发明一种基于周期胞元的轻质高效散热结构一体化设计与增材制造方法流程图；

图2、为本发明一实施例中多胞散热单元2结构示意图。(1)为多胞散热单元2外部结构示意图；(2)为多胞散热单元2内部结构示意图。

图中：2-1为进口，2-2为高效散热胞元，2-3为热源，2-4为壳体，2-5为出口，2-6为一体化设计。

图3、为本发明一实施例中多胞散热单元2结构仿真结果云图。

图4、为本发明一实施例中多胞散热单元2结构实物热实验图片。

图5、为本发明一实施例中冷却基板设计输入示意图。

图中：5-1为冷板入口，5-2为冷板热源，5-3为冷板表面，5-4为冷板出口。

图6、为本发明一实施例中热设计示意图。

图中：6-1为冷板入口，6-2为热源，6-3为流道，6-4为出口，6-5为散热胞元。

图7、为本发明一实施例中热仿真结果示意图。

图8、为本发明一实施例中结构设计示意图。

图中：8-1点阵填充区域、8-2进口、8-3安装接口、8-4热源区域(5处)、8-5出口、8-6流道、8-7蒙皮。

图9、为本发明一实施例中结构力学仿真结果。

图10、为本发明一实施例中自支撑结构示意图。

(1)基板中管路结构示意图；

(2)胞散热单元2内部的结构示意图

图中：10-1为蒙皮，10-2为点阵，10-3为流道自支撑结构1，6-3为流道，10-5为流道自支撑结构2，10-6极小曲面上腔室自支撑结构，10-7为极小曲面，10-8为极小曲面下表面自支撑结构。

图11、为本发明一实施例中工艺设计示意图。

图中：11-1为设备成形空间，11-2为结构工艺模型；11-3为设备基板。

图12、为本发明一实施例中工艺仿真结果图。

图13、为本发明一实施例中结构件实物与试验图。

图14、为本发明一实施例中结构件实物与试验图。

图15、为一种极小曲面镂空结构示意图。

具体实施方式

为实现上述发明目的，本发明所采取的技术方案是：

一种基于周期胞元的轻质高效散热结构，该结构为一体化结构，包括：高效散热结构、轻量化结构等。它们之间的关系是：所述高效散热结构实现换热区的换热能力提升，与流道连通，形成换热回路；所述轻量化结构实现换热区域外的结构轻量化水平提升；所述一体化结构是将换热结构与轻量化结构结合起来，实现轻质高效散热结构的一体化设计与制造，面向增材制造工艺，可对一体化结构进行工艺优化。

所述高效散热结构，采用高比表面积薄壁曲面结构，填充主要换热区域并通过流道连通形成回路，通过冷却液将热量带走，实现高效散热，高效散热结构主要包括三周期极小曲面及其衍生结构等；

进一步的，所述三周期极小曲面，是一种平均曲率为零的曲面，通过隐函数控制，包括P型、D型、G型等三周期极小曲面，通过曲面单向偏移、双向偏移、嵌套等方法形成高比表面积薄壁曲面；基于三周期极小曲面生成的结构

所述P型极小曲面表达式为：

f(x,y,z)＝cos(x)+cos(y)+cos(z)；

所述D型极小曲面表达式为：

f(x,y,z)＝cos(x)*cos(y)*cos(z)-sin(x)*sin(y)*sin(z)；

所述G型极小曲面表达式为：

f(x,y,z)＝cos(x)*sin(y)+cos(y)*sin(z)+sin(x)*cos(z)；

进一步的，所述三周期极小曲面衍生结构，通过调整极小曲面隐函数各分项式系数、参数，以及不同极小曲面之间的组合等，列举几类极小曲面衍生结构表达式如下；

G-P Surface：cos(x)*sin(y)+cos(y)*sin(z)+sin(x)*cos(z)-cos(x)+cos(y)+cos(z)

G-D Surface:

cos(z)*sin(x)+cos(x)+cos(y)+cos(z)-(cos(x)*cos(y)*cos(z)-sin(x)*sin(y)*sin(z))

I-WP Surface：cos(x)*cos(y)+cos(y)*cos(z)+cos(z)*cos(x)-cos(x)*cos(y)*cos(z)；

Neovius Surface：3*(cos(x)+cos(y)+cos(z))+4*cos(x)*cos(y)*cos(z)；

Split P Surface：1.1*(sin(2*x)*cos(y)*sin(z)+sin(2*y)*cos(z)*sin(x)+sin(2*z)*cos(x)*sin(y))-0.2*(cos(2*x)*cos(2*y)+cos(2*y)*cos(2*z)+cos(2*z)*cos(2*x))-0.4*(cos(2*y)+cos(2*z)+cos(2*x))；

Lidinoid Surface：(sin(x)*cos(y)*sin(z)+sin(y)*cos(z)*sin(x)+sin(z)*cos(x)*sin(y))-(cos(x)*cos(y)+cos(y)*cos(z)+cos(z)*cos(x))；

所述轻量化结构，用于填充非换热区域，保证结构足够的强度和刚度，轻量化结构包括点阵、三周期极小曲面、仿生结构等；

进一步的，所述点阵结构包括面心立方、体心立方等，胞元尺寸4-15mm，杆径0.5-3mm，蒙皮厚度0.4-1.5mm；

进一步的，所述极小曲面包括P型、D型、G型等，胞元尺寸4-15mm，壁厚0.3-3mm，蒙皮厚度0.4-1.5mm；

进一步的，所述仿生结构包括仿生点阵、仿丝瓜瓤等，用于进一步减重；

进一步的，为实现进一步减重，可进行极小曲面的镂空设计，如图15所示。

所述一体化散热结构，将高效散热结构域轻量化结构进行一体化设计，进行安装接口等详细设计，进行力热仿真分析，得到一体化轻质高效散热结构；

进一步的，所述一体化设计，包括散热结构、流道、轻量化结构求和布尔运算，以及面向增材制造的一体化设计；

进一步的，所述面向增材制造的一体化设计，主要指自支撑设计和排粉设计，这是因为结构内部工艺支撑无法去除，内腔(封闭腔)的粉末排出困难甚至无法排出，会影响结构功能；

进一步的，所述自支撑设计，首先根据结构件尺寸选取合适打印设备，确定结构生长角度，减少悬垂面，避免结构突变引起应力集中；无法避免的悬垂面通过添加倒角/倒圆等实现自支撑，流道等内强可设计成菱形、房顶形、水滴形等自支撑结构。

进一步的，所述排粉设计，避免结构排粉通道过于狭小、曲折、存在死角等，必要时设置排粉孔，排完粉后堵孔；确需为封闭腔室的地方，需开排粉孔。

一种基于周期胞元的轻质高效散热结构设计方法，对上述基于周期胞元的轻质高效散热结构进行设计，具体步骤如下：

(1)明确设计输入：包括热载荷、力载荷等设计载荷约束，以及温度、重量等设计指标；

(2)热设计：依据设计输入，进行散热结构热设计，包括散热胞元设计、流道设计、热仿真等。散热胞元设计首先选取合适的胞元类型，根据热载荷大小，选取合适的胞元尺寸的壁厚；流道设计需要对流道的分布路径进行规划，根据流量等设计流道截面积，散热胞元处流道需要根据胞元设计相应壳体，整个流道和散热胞元形成流道回路；热仿真主要针对流道回路进行热仿真，提取温度、流速、压力等参数，分析结构热性能，满足热设计指标后进行下一步；

(3)结构设计：在上述热设计基础上，将散热结构划分为散热区域和轻量化区域，针对轻量化区域，进行轻量化胞元设计、详细设计、力学仿真等。轻量化胞元设计需要依据力学载荷选取胞元类型，设计胞元尺寸和杆径以及蒙皮厚度；针对安装接口、安装面、装配面等细节进行详细设计；通过力学仿真提取应力、应变等结果，验证结构件力学性能。力学性能满足后进行下一步；

(4)一体化设计：将热结构、轻量化结构等进行求和布尔运算，面向增材制造进行自支撑结构设计，并通过力热/仿真分析，验证一体化结构的设计指标，满足要求后输出设计模型。

一种基于周期胞元的轻质高效散热结构增材制造方法，上述轻质高效散热结构一体化结构已面向增材制造工艺进行了初步优化设计，可通过增材制造进行一体化成形制造，制造前通过工艺仿真进行工艺优化，提高结构一次合格率，具体包括如下步骤：

(1)对一体化轻质高效散热结构进行工艺设计，包括几何修复、添加未注倒角/倒圆、添加加工余量、添加工艺支撑、零件摆放与位置等；

(2)通过工艺仿真进行结构二次优化，根据仿真结果评价一体化结构增材制造成形过程中的变形、开裂、刮刀碰撞、收缩等风险，并对结构进行二次工艺优化，多次迭代后输出工艺模型；

(3)对工艺模型进行力热仿真，评估工艺优化后的结构满足设计要求；

(4)对工艺模型进行切片等处理，导入加工机器进行加工；

(5)轻质高效散热结构可根据实际工况采用铝合金、钛合金、铜等金属材料；

(6)打印完成后，对结构件安装面、螺纹孔等进行加工，得到散热结构产品。

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种高效散热结构一体化设计与增材制造，参见图2所示，包括进口2-1、高效散热胞元2-2、热源2-3、壳体2-4、出口2-5、一体化设计2-6。

参见图2所示，冷却液从入口1进入散热器，热源3的热量通过壳体4和散热胞元2与冷却液进行热量传递，冷却液带着热量从出口5流出，壳体4壁厚1mm。

参见图2所示，高效散热胞元采用P型极小曲面结构进行设计，可通过高比表面强化传热，胞元尺寸8mm*8mm*8mm～4mm*4mm*4mm，壁厚0.3mm-1mm。

参见图2所示，一体化设计6是典型的面向增材制造的结构设计特征之一，通过房顶式设计，可实现散热结构内腔室一体化增材制造成形。

参见图3所示，对一体化结构进行力热仿真，获得良好散热效果；

参考图4所示，通过增材制造制备了一体化结构实物，并进行了换热能力试验，散热效果良好。

实施例2

一种轻质高效散热结构一体化设计与增材制造方法，基于实施例1中对高效散热结构的实施，开展轻质高效液冷板结构设计与制造。具体步骤如下：

(1)明确设计输入：参见图5所示，5-1为冷板入口，5-2为冷板热源，5-3为冷板表面，5-4为冷板出口，冷板尺寸为250mm*250mm，共5处热源，力学载荷为均布载荷，增材制造材料说明：轻质高效散热结构可根据实际工况采用铝合金、钛合金、铜等金属材料；

(2)热设计：参见图6所示，6-1为冷板入口，6-2为热源，6-3为流道，6-4为出口，6-5为散热胞元。6-2热源处设计为三周期极小曲面胞元结构进行高效换热，选取P形极小曲面胞元，胞元尺寸8mm*8mm*8mm，壁厚1mm；根据热源分布，设计6-2流道，连通散热胞元形成冷却液回路；通过热仿真分析，验证结构温度、流速、压力等热性能，参见图7；

(3)结构设计：参见图8所示，8-1点阵填充区域、8-2进口、8-3安装接口、8-4热源区域(5处)、8-5出口、8-6流道、8-7蒙皮。冷却液回路以外区域为8-1点阵填充区域，填充轻量化点阵结构，选取体内立方点阵，胞元尺寸8mm*8mm*8mm，杆径1mm，8-7蒙皮1mm；对结构进行力学仿真分析，雁阵结构承载能力，结果参见图9所示；

(4)一体化设计：参见图8所示，根据结构特征选取成形方向，依据成形方向设计自支撑结构。参见图10所示，所述自支撑结构包括流道自支撑、周期胞元自支撑结构。对于流道，上下表面存在悬垂面，上表面设计成房顶结构，如10-3所示，下表面通过45°倒角自支撑，如10-5所示。极小曲面腔室上表面设计成房顶形，如10-6所示，下表面按45°进行修改，如10-8所示。对一体化结构进行力/仿真分析，验证修改后的模型是否符合设计要求。满足设计要求后输出设计模型；

(5)工艺设计：参见图11所示，对一体化轻质高效散热结构进行工艺设计，包括几何修复、添加未注倒角/倒圆、添加加工余量、添加工艺支撑、选择设备、零件摆放与位置等；

(6)工艺仿真：参见图12所示，对结构件进行工艺仿真分析，根据仿真结果评价一体化结构增材制造成形过程中的变形、开裂、刮刀碰撞、收缩等风险，并对结构进行二次工艺优化，多次迭代后输出优化后的工艺模型；

(7)力热仿真校核：对工艺模型进行力热仿真，评估工艺优化后的结构满足设计要求；

(8)增材制造：对工艺模型进行切片等处理，导入加工机器进行加工；

(9)后处理：打印完成后，对结构件安装面、螺纹孔等进行加工，得到散热结构产品。

(10)验证试验：参见图13所示，通过验证试验，验证结构力热性能是否满足设计指标。

(11)本实施例实现了散热结构散热能力提升50％、减重60％。

实施例3

一种轻质高效散热结构一体化设计与增材制造方法，参见图14所示，基于本发明，设计制造一散热器，实现换热能力提升45％，减重50％。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式作出多种变更或修改，而不背离发明的原理和实质，本发明的保护范围仅由所附权利要求书限定。