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一種基于3D打印的多孔內凹強化傳熱結構及其制備方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510961215.4

申請日:

2015.12.18

公開號:

CN105466268A

公開日:

2016.04.06

當前法律狀態:

撤回

有效性:

無權

法律詳情: 發明專利申請公布后的視為撤回IPC(主分類):F28F 3/02申請公布日:20160406|||實質審查的生效IPC(主分類):F28F 3/02申請日:20151218|||公開
IPC分類號: F28F3/02; B22F3/11; B33Y10/00(2015.01)I 主分類號: F28F3/02
申請人: 華南理工大學
發明人: 湯勇; 陳燦; 張仕偉; 孫亞隆; 林浪; 劉彬
地址: 510640廣東省廣州市天河區五山路381號
優先權:
專利代理機構: 廣州市華學知識產權代理有限公司44245 代理人: 付茵茵
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510961215.4

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.01.19|||2016.05.04|||2016.04.06

法律狀態類型:

發明專利申請公布后的視為撤回|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及一種基于3D打印的多孔內凹強化傳熱結構,包括金屬基體和多個多孔單元;多孔單元線性緊密排布在金屬基體上;多孔單元的側面為向多孔單元內凹陷的內凹結構,從而相鄰多孔單元之間對應內凹結構的部位形成外凸的傳熱間隙。本發明還涉及一種基于3D打印的多孔內凹強化傳熱結構的制備方法。本發明采用的3D打印技術幾乎可以制造出任何形狀的結構,包括制備出傳統制造方法加工不了的多孔內凹結構,而且具有制備過程簡單,精度高且可控等優點,屬于強化傳熱結構技術領域。

權利要求書

1.一種基于3D打印的多孔內凹強化傳熱結構,其特征在于:包括金屬基體和多
個多孔單元;多孔單元線性緊密排布在金屬基體上;多孔單元的側面為向多孔
單元內凹陷的內凹結構,從而相鄰多孔單元之間對應內凹結構的部位形成外凸
的傳熱間隙。
2.按照權利要求1所述的一種基于3D打印的多孔內凹強化傳熱結構,其特征在
于:所述多孔單元為固定在金屬基體上的倒置的類半球體、類椎體或類臺體結
構,多孔單元內均布多個孔。
3.按照權利要求1所述的一種基于3D打印的多孔內凹強化傳熱結構,其特征在
于:所述多孔單元為固定在金屬基體上的倒置的半球體、椎體或臺體結構,多
孔單元內均布多個孔。
4.按照權利要求1所述的一種基于3D打印的多孔內凹強化傳熱結構,其特征在
于:所述多孔單元由金屬粉體堆疊形成;金屬粉體為球狀或不規則的枝狀結構。
5.按照權利要求1所述的一種基于3D打印的多孔內凹強化傳熱結構,其特征在
于:所述金屬基體為板狀,厚度為1~3mm;多孔單元的高度為1~3mm。
6.按照權利要求1所述的一種基于3D打印的多孔內凹強化傳熱結構,其特征在
于:所述多孔單元的材質為金屬,與金屬基體的材質相同,為銅、銅合金、鎳、
鎳合金、鋁合金或不銹鋼。
7.按照權利要求1所述的一種基于3D打印的多孔內凹強化傳熱結構,其特征在
于:每個多孔單元的形狀和大小均相同。
8.按照權利要求1所述的一種基于3D打印的多孔內凹強化傳熱結構,其特征在
于:所述多孔單元的上端面為平面,所有多孔單元的上端面均位于同一平面上。
9.按照權利要求1至8中任一項所述的一種基于3D打印的多孔內凹強化傳熱結
構的制備方法,其特征在于:包括如下步驟:
(1)以金屬基體表面為基準面,根據精度要求和金屬粉體的大小,在基準面上
鋪上一層厚度為20~80μm的均勻的金屬粉體;
(2)3D打印機使用激光照射鋪展好的金屬粉體,在設計好的區域用激光熔融成
型,形成第一層按陣列線性分布的多孔結構;
(3)在步驟(2)形成第一層多孔結構的基礎上,再均勻地鋪上一層相同厚度
的金屬粉體,用激光照射熔融第二層的金屬粉體,該層熔融成型的金屬粉體面
積較第一層面積大一些;以后每一層熔融面積都較下一層面積大一些,且每一
層層厚相同;依此類推,層層堆疊成型,直至在金屬基體表面形成所有的多孔
單元。
10.按照權利要求9所述的一種基于3D打印的多孔內凹強化傳熱結構的制備方
法,其特征在于:所述金屬粉體在多孔單元中的排布方式以及熔融成型出的多
孔的孔徑、形狀和排布方式由軟件建模形成,再經過3D打印機可控地打印出需
要的多孔結構;多孔單元的內凹結構以及多孔單元之間的傳熱間隙的形狀和大
小由軟件建模控制,再經過3D打印機可控地打印出需要的內凹結構和傳熱間隙。

說明書

一種基于3D打印的多孔內凹強化傳熱結構及其制備方法

技術領域

本發明涉及強化傳熱結構,尤其涉及一種基于3D打印的多孔內凹強化傳熱
結構及其制備方法。

背景技術

隨著現代工業飛速的發展,能源消耗越來越大,如何節約和有效利用資源
逐漸地受到了人們越來越廣泛的關注。

在能源的傳遞過程中,強化傳熱過程對于提高整個傳熱系統的效率和降低
設備的投資與運行費用至關重要。目前,強化傳熱的主要方法在于改善傳熱表
面結構。

多孔內凹結構現今已成為工業應用前景廣泛地強化傳熱結構。多孔內凹結
構有大量的微細孔隙、大比表面積、有利于形成汽泡核心和提高汽泡脫離頻率,
具有很好的研究和應用價值。

粉末燒結法和機械加工作為常見的傳統多孔結構的制備方法,由于空間尺
度的限制,難以制備出多孔內凹的結構。因此,現有的多孔內凹結構受加工方
法的影響結構不夠優化,影響傳熱效果。而3D打印技術利用逐層堆疊原理構造
成型,不僅加工精度高,而且幾乎可以制造出任何形狀的結構,因此3D打印技
術為具有較好傳熱效果的多孔內凹結構提供了可能。

發明內容

針對現有技術中存在的技術問題,本發明的目的是:提供一種基于3D打印
的多孔內凹強化傳熱結構及其制備方法,基于3D打印技術,制備的多孔內凹強
化傳熱結構具有更好的傳熱效果。

為了達到上述目的,本發明采用如下技術方案:

一種基于3D打印的多孔內凹強化傳熱結構,包括金屬基體和多個多孔單元;
多孔單元線性緊密排布在金屬基體上;多孔單元的側面為向多孔單元內凹陷的
內凹結構,從而相鄰多孔單元之間對應內凹結構的部位形成外凸的傳熱間隙。

作為一種優選,多孔單元為固定在金屬基體上的倒置的類半球體、類椎體
或類臺體結構,多孔單元內均布多個孔。此處所說的類半球體、類椎體、類臺
體結構,指的是:由于多孔單元是逐層加工,當精度較小時,層間梯度大,因
此形成的形狀非規則的半球體、椎體、臺體。

作為一種優選,多孔單元為固定在金屬基體上的倒置的半球體、椎體或臺
體結構,多孔單元內均布多個孔。具體的說,椎體包括圓錐體、三棱錐、四棱
錐等,臺體包括圓臺、棱臺等。由于多孔單元是逐層加工,當精度較大時,層
間梯度小,因此形成的形狀肉眼看來是規則的半球體、椎體、臺體。

作為一種優選,多孔單元由金屬粉體堆疊形成;金屬粉體為球狀或不規則
的枝狀結構。優選的,粒徑為20~80μm。

作為一種優選,金屬基體為板狀,厚度為1~3mm;多孔單元的高度為1~
3mm。

作為一種優選,多孔單元的材質為金屬,與金屬基體的材質相同,為銅、
銅合金、鎳、鎳合金、鋁合金或不銹鋼。

作為一種優選,每個多孔單元的形狀和大小均相同。

作為一種優選,多孔單元的上端面為平面,所有多孔單元的上端面均位于
同一平面上。

一種基于3D打印的多孔內凹強化傳熱結構的制備方法,包括如下步驟:(1)
以金屬基體表面為基準面,根據精度要求和金屬粉體的大小,在基準面上鋪上
一層厚度為20~80μm的均勻的金屬粉體;(2)3D打印機使用激光照射鋪展好
的金屬粉體,在設計好的區域用激光熔融成型,形成第一層按陣列線性分布的
多孔結構;(3)在步驟(2)形成第一層多孔結構的基礎上,再均勻地鋪上一層
相同厚度的金屬粉體,用激光照射熔融第二層的金屬粉體,該層熔融成型的金
屬粉體面積較第一層面積大一些;以后每一層熔融面積都較下一層面積大一些,
且每一層層厚相同;依此類推,層層堆疊成型,直至在金屬基體表面形成所有
的多孔單元。

作為一種優選,金屬粉體在多孔單元中的排布方式以及熔融成型出的多孔
的孔徑、形狀和排布方式由軟件建模形成,再經過3D打印機可控地打印出需要
的多孔結構;多孔單元的內凹結構以及多孔單元之間的傳熱間隙的形狀和大小
由軟件建模控制,再經過3D打印機可控地打印出需要的內凹結構和傳熱間隙。

本發明的原理是:

該結構包括金屬基體,金屬基體上以類半球體或者類錐體等結構為多孔單
元的陣列線性緊密排布結構。陣列中的多孔單元結構為上大下小,多孔單元的
側面為內凹的結構,多孔單元之間則形成了一定的外凸的傳熱間隙。本發明采
用3D打印機,在金屬基體上逐層熔融一定厚度的金屬粉體,逐漸堆疊出類半球
體或者類錐體等的陣列分布結構,該結構是現有機械加工方法所不能加工出的
結構,為傳統散熱領域的多孔內凹結構所不曾考慮的具有很好散熱效果的結構。

總的說來,本發明具有如下優點:

1.3D打印技術幾乎可以制造出任何形狀的結構,包括制備出傳統制造方法
加工不了的多孔內凹結構,而且具有制備過程簡單,精度高且可控等優點。

2.多孔內凹強化傳熱結構增大了比表面積,有利于汽泡聚合生長形成汽泡
核心和提高汽泡脫離頻率,具有優良的強化傳熱性能。

附圖說明

圖1為一種基于3D打印的多孔內凹強化傳熱結構的立體圖。

圖2是顯示內凹結構和外凸的傳熱間隙的示意圖。

圖3是多孔單元的截面圖。

其中,1為金屬基體,2為多孔單元,3為傳熱間隙,4為孔,5為孔隙。

具體實施方式

下面來對本發明做進一步詳細的說明。

如圖1所示,一種基于3D打印的多孔內凹強化傳熱結構,包括:金屬基體
和多個多孔單元。多孔單元以陣列線性緊密排布的的方式設置在金屬基體上,
形成多孔內凹結構。

金屬基體為板狀,材料為銅。

多孔單元為倒置的半球體,從上往下寬度逐漸變窄,因此在變窄的部位形
成內凹結構。多孔單元內均布多個孔,孔之間有孔隙,孔的形狀可為規則的或
不規則的。每個多孔單元的形狀和大小均相同,上端為平面,材質為銅。

相鄰多孔單元之間對應內凹結構的部位圍成外凸形狀的傳熱間隙,從而所
有多孔單元和金屬基體之間組成多孔內凹的傳熱結構。

一種基于3D打印的多孔內凹強化傳熱結構的制備方法,包括如下步驟:

(1)金屬基體的尺寸為20×40mm,厚度為2mm。3D打印機噴嘴在金屬基體
上均勻噴灑鋪上一層厚度為50μm的球狀銅粉,銅粉粒徑在25~50μm。

(2)在設計好的區域用3D打印機激光熔融成型,形成第一層以50μm高,
直徑3mm的圓柱狀陣列線性排布的多孔結構。

(3)在第一層多孔結構的基礎上,再均勻地鋪上一層相同厚度的銅粉,重
復步驟(2),但是第二層組成多孔結構的圓柱狀面積大于第一層面積;依此類
推,層層堆疊成型,最后一層為50μm高,直徑5mm的圓柱狀陣列線性排布的
多孔結構。

如圖2所示,形成的多孔單元為半徑2.5mm球體的一部分,高度為2mm。

如圖2所示,相鄰多孔單元在頂面緊密接觸,多孔單元由其下端圓弧段構
成內凹結構。

如圖3所示,銅粉在多孔單元內以一定的排布方式構成特定的內部的多孔
結構。

多孔單元的形狀大小以及銅粉的排布方式均事先由軟件建模形成。

除了本實施例提及的方式外,多孔單元可為倒置的圓錐體、倒置的三棱錐
等橫截面從上往下依次減小的結構,也可為橫截面先減小后增大的結構,或為
若干個減小再增大結構疊加的復合結構,這些變化方式均在本發明的保護范圍
內。

上述實施例為本發明較佳的實施方式,但本發明的實施方式并不受上述實
施例的限制,其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、
替代、組合、簡化,均應為等效的置換方式,都包含在本發明的保護范圍之內。

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一種 基于 打印 多孔 強化 傳熱 結構 及其 制備 方法
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