3D增材制造零件中集成热管的研究

摘要

工程中常见的多种疲劳失效都与零部件温度过高有关，究其原因是散热系统不能及时地转移热源处产生的热量，使得热量的积累引发局部高温。有效散热、快速转移过热点热量从而降低零件工作温度峰值是提高其承载能力、延长工作寿命的重要措施。不同于传统的单相流冷却方式，热管是利用气液两相循环转变且无需外力驱动的高效热传导元件。但是目前热管面临吸液芯传热能力不足，传统制造工艺加工困难，散热方式单一等困境。本文首创立足于3D增材制造集成热管于零件于一体的新概念和新型加工方法，提出了新型吸液芯结构的设计理论，制定了增材制造热管新工艺流程。所提出的新设计理论与制造方法有助于开拓热管新的应用市场和探索新型多功能自散热机械零件的发展道路。
　　本文首先推导了梯形沟槽微吸液芯的有效毛细半径、最大毛细压力、孔隙率、渗透率等基本参数的数学模型；建立了梯形沟槽微热管在多种情况下的传热极限的理论模型。通过对传热极限的分析说明了吸液芯的结构参数对热管传热性能的重要性。其次，通过对毛细压力与渗透率这一对相互制约的因素的分析，提出了吸液芯的渐变模型设计理论。制定了结合传统热管制造技术与新兴增材制造技术的新型热管制造工艺流程。利用EOS M280金属3D打印机制造了4根直线型新型沟槽微热管。然后，利用搭建的热管传热性能实验平台，测试了4根梯形沟槽微热管在不同工况下的传热性能。结果表明：3D制造的微热管具有良好的热响应特性和均温特性；使用渐变模型设计的深沟槽微热管具有更好的导热能力。最后，对微热管进行切割后观察测量其成型效果，结果表明微热管结构参数达到了预期设计效果。这些结果说明在3D增材制造的帮助下，热管导热性能可在减小热管空间的同时得到进一步提高，热管可能成为机械零件的一部分从而使后者具有自动热平衡功能。这一新设计方法和3D增材制造热管的尝试对未来多功能零部件的设计与制造有积极探索意义。

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主要符号

1 绪 论

1.1 引言

1.2 热管及其吸液芯的研究进展

1.3 热管的制造工艺

1.4 增材制造的研究进展

1.5 本文的目标及研究内容

2 梯形沟槽微热管的传热理论

2.1 引言

2.2 梯形沟槽吸液芯的参数模型

2.3 热管的传热极限分析

2.4 本章总结

3 新型沟槽微热管的设计与增材制造

3.1 引言

3.2 适用于EOS M280型金属3D打印机的三维模型

3.3 沟槽吸液芯的设计

3.4 增材制造成型的沟槽微热管主体

3.5 热管主体材料与工作液体的选择

3.6 封装与充液

3.7 本章总结

4 新型沟槽微热管传热实验及分析

4.1 引言

4.2 实验装置

4.3 实验方案

4.4 传热性能参数

4.5 增材制造微热管的工作性能与可靠性

4.6 梯形沟槽微热管传热性能

4.7 渐变沟槽对传热性能的影响

4.8 本章总结

5 增材制造微热管的成型效果及应用

5.1 引言

5.2 增材制造微热管的成型效果

5.3 增材制造热管的应用

5.4 本章总结

6 结 论

6.1 研究总结

6.2 创新点

6.3 不足与展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文和科研成果