一种环形歧管微通道散热器及制造方法与流程

本发明涉及歧管式微通道散热的，尤其涉及一种环形歧管微通道散热器及制造方法。

背景技术：

1、高功率密度电机在运行中产生大量热量，若不能高效散热，绕组温升将显著降低电机效率、缩短绝缘寿命，影响运行的稳定性与可靠性。在机器人关节、电主轴等高功率密度旋转电机中，电机的定子壳体多为圆柱形或环形结构，散热空间紧凑且受外形局限，对液冷系统的集成度与均温性提出了极高要求。

2、当前针对圆柱形热源的液冷方案，多采用传统环形水冷套，即在壳体上加工单个环形腔，冷却液从单侧进入后沿周向流动至出口。冷却液在沿水套周向流动过程中，因沿程分流和压力衰减易导致各处流量分配不均匀，产生局部热点，出现“半边冷、半边热”的周向温度梯度，严重制约了电机的散热效率与均温性能。

3、歧管式微通道散热器由于其短换热路径、高对流换热系数和低压降等优势，被认为是解决高热流密度散热的理想方案。但目前歧管微通道散热器因其三维构型复杂仅面向平面热源开发，难以直接应用在电机壳体的圆柱曲面。

4、因此，如何将歧管微通道高效换热和均流优势成功应用于圆柱曲面热源，并在电机有限的装配空间内，实现冷却液沿圆周方向的均匀分配，从根本上消除周向温度梯度，是当前亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的在于提供一种环形歧管微通道散热器及制造方法，解决了现有的散热器不能够将歧管微通道高效换热和均流优势成功应用于圆柱曲面热源，以及不能够在电机有限的装配空间内，实现冷却液沿圆周方向的均匀分配，从根本上消除周向温度梯度的技术问题。

2、技术方案：一种环形歧管微通道散热器，包括可与圆柱曲面热源贴合的散热基板，所述散热基板的外部套设有外部壳体，所述散热基板的外壁上设有供冷却工质通过的微通道，所述微通道沿散热基板的轴向延伸，若干所述微通道沿散热基板的周向阵列设置；所述外部壳体的内壁上设有环形流道，若干所述环形流道沿外部壳体的轴向阵列设置，所述外部壳体和散热基板通过法兰结构密封连接，所述法兰结构上设有进液盲孔和出液通孔，在奇数圈的所述环形流道上设有第一隔块，在偶数圈的所述环形流道上设有第二隔块，所述进液盲孔贯穿第一隔块以及与偶数圈的所述环形流道连通，所述出液通孔贯穿第二隔块以及与奇数圈的所述环形流道连通，在外部壳体上进液盲孔的轴向深度小于出液通孔的轴向深度，当外部壳体和散热基板通过法兰结构密封连接后、所述微通道的槽道与所述环形流道的槽道共同形成密闭的环状流体分配腔。本技术的环形歧管微通道散热器上设置沿散热基板的轴向延伸的微通道和沿外部壳体的轴向阵列的环形流道，其中散热基板可与圆柱曲面热源贴合，利用环形歧管微通道散热器上的微通道和环形流道实现能够将歧管微通道高效换热和均流优势成功应用于圆柱曲面热源的目的，另外本技术进液盲孔贯穿第一隔块以及与偶数圈的所述环形流道连通，出液通孔贯穿第二隔块以及与奇数圈的所述环形流道连通，所述微通道的槽道与所述环形流道的槽道共同形成密闭的环状流体分配腔，即进液盲孔在奇数圈被第一隔块包覆、出液通孔在偶数圈被第二隔块包覆，第一隔块和第二隔块分别将所在的环形流道阻断为两个半环流道，且进液盲孔的轴向深度小于出液通孔的轴向深度，冷却液无法从进液盲孔直接短路至出液通孔，必须沿半环流道及微通道完成全流程的流动，能够在电机有限的装配空间内实现冷却液沿圆周方向的均匀分配，从根本上消除周向温度梯度。解决了现有的散热器不能够将歧管微通道高效换热和均流优势成功应用于圆柱曲面热源，以及不能够在电机有限的装配空间内，实现冷却液沿圆周方向的均匀分配，从根本上消除周向温度梯度的技术问题。

3、其中，本技术采用同轴套装的散热基板，可直接贴合电机壳体的圆柱曲面，无需转接件，显著降低了接触热阻和安装空间需求。与传统环形水冷套的方案相比，所述散热基板与电机壳体配合面的圆柱度可控制在0.06mm以内，保证了紧密贴合，进一步减小接触热阻；整体液冷结构轴向仅占约3.5mm空间，尤其适合电机紧凑型壳体内部部署。

4、其中，本技术通过多层第一隔块和第二隔块在奇偶圈上的交错布置，与深浅孔配合，强制冷却液在进液侧和出液侧分别沿半环的环形流道流动，使各并联支路的流动路径长度基本相同、阻力特性相近，自发实现周向流量的均匀分配，有效消除传统水冷套的“半边冷、半边热”现象。以150w的电机功耗为例，在使用体积浓度20%的乙二醇-水混合冷却液、流量0.6l/min、在给定的入口温度条件下，电机壳体周向温差可控制在±3℃以内；冷却液出口温升约7℃，周向均温性好。

5、其中，由于进液盲孔在奇数圈被第一隔块包覆、出液通孔在偶数圈被第二隔块包覆，且进液盲孔和出液通孔的轴向深度不同，冷却液无法从进液盲孔直接短路至出液通孔，必须沿半环流道及微通道完成全流程。迫使冷却液完整流经半环流道和微通道后才能排出，从根本上避免了进出口直接串通，同时半环流道路径平滑、无突扩突缩结构，有效降低了流动压降。例如工况设定为：热源功率150w，冷却液为体积浓度20%的乙二醇-水混合液，入口流量0.6l/min，在给定的入口温度条件下，结果显示：电机壳体周向温差可控制在±3℃以内，冷却液出口温升约7℃；散热器总压降可控制在3kpa以内，显著低于传统节流均流方案的压降水平，低流阻且杜绝内部短路。

6、优选的，所述法兰结构包括第一法兰环和第二法兰环，所述第一法兰环一体连接在外部壳体的顶部，所述第二法兰环一体连接在散热基板的底部，当散热基板插入外部壳体后、散热基板的顶部与第一法兰环密封连接、外壳体的底部与第二法兰环密封连接，所述进液盲孔和出液通孔分别贯穿所述第一法兰环上。即散热基板为一薄壁圆环结构，散热基板的环壁内设有沿轴向延伸的微通道，该散热基板沿轴向的一端设有向外凸出的第二法兰环，位于第一轴向位置。外部壳体也为一薄壁圆环结构，同轴抵接于所述散热基板上；外部壳体内形成有多圈同心环形流道（例如轴向方向依次为第一环层、第二环层...第n环层）；外部壳体的内壁沿轴向的另一端设有向内凸出的第一法兰环，位于第二轴向位置，与所述第一轴向位置间隔预设距离；

7、优选的，所述第一隔块和第二隔块在外部壳体的圆周方向上交错设置；所述第一隔块和第二隔块的周向宽度或径向厚度均分别大于所述进液盲孔和出液通孔的孔径。每一圈的环形流道内均在特定周向位置设有第一隔块或者第二隔块，所述第一隔块和第二隔块将所在环形流道分隔为互不连通的两个半环流道。相邻圈环形流道上的第一隔块和第二隔块在圆周方位上彼此错开。例如，位于90度±10度范围内的第一隔块仅设置于第奇数圈环形流道中，位于270度±10度范围内的第二隔块仅设置于第偶数圈环形流道中。

8、其中第一隔块、第二隔块分别与外部壳体的连接根部加工有倒角或圆角，以便于机加工并减少应力集中。

9、优选的，所述微通道为矩形通道、圆柱形通道和肋片形通道当中的任一种。矩形通道、圆柱形通道和肋片形通道的设置增加了微通道的种类，提高了适用范围。

10、优选的，所述环形流道的槽深均小于所述进液盲孔和出液通孔的孔径。以设置七圈环形流道为例，于90°方位钻有一个进液盲孔，其孔径约为2.5mm，进液盲孔轴向深度设计为贯通至第六圈环形流道；所有环形流道的槽深约为2mm。由于进液盲孔的孔径大于环形流道的槽深，在偶数圈无隔块处，该进液盲孔贯穿整个环形流道的槽深，形成半圆形凹槽实现连通。同理，将环形流道的槽深设置小于出液通孔的孔径。

11、优选的，所述出液通孔贯穿沿外部壳体轴向上设置的全部所述环形流道，沿外部壳体轴向上设置的所述环形流道、进液盲孔贯穿三分之二以上。外部壳体的第一法兰环端面上，在对应第一隔块和第二隔块所在的周向方位上，分别开设所述进液盲孔和出液通孔。其中，所述进液盲孔位于奇数圈的环形流道的第一隔块所对应的第一周向方位（例如90°位置），并沿轴向延伸；在奇数圈，该进液盲孔贯穿所述第一隔块但不与该奇数圈的任一环形流道直接连通，在偶数圈则贯穿该偶数圈的环形流道的整个槽深并与该偶数圈的环形流道连通。出液通孔位于偶数圈环形流道的第二隔块所对应的第二周向方位（例如270°位置），并沿轴向延伸；在偶数圈，该出液通孔贯穿所述第二隔块但不与该偶数圈的任一环形流道直接连通，在奇数圈则贯穿该奇数圈的环形流道的整个槽深并与该奇数圈的环形流道连通。所述进液盲孔和出液通孔均沿轴向延伸，且进液盲孔的轴向深度小于出液通孔的轴向深度。通过所述进液盲孔和出液通孔的深度差异及第一隔块和第二隔块的周向交错布置，使得进液盲孔和出液通孔之间无法直接串通，强制冷却液必须沿所述环形流道的周向流动并经过所述微通道进行轴向换热后，方能排出。

12、而出液通孔贯穿沿外部壳体轴向上设置的全部所述环形流道，沿外部壳体轴向上设置的所述环形流道、进液盲孔贯穿三分之二以上，则是为了在进液盲孔和出液通孔之间无法直接串通的基础上，提高出液通孔出液的效率，有利于快速的进出冷却液，提高散热性能。当外部壳体内部加工有七圈同心环形流道时，优选的进液盲孔贯穿第一至第六圈环形流道，出液通孔贯穿全部七圈环形流道。

13、一种上述环形歧管微通道散热器的制造方法，所述外部壳体和散热基板分体成型后装配焊接。外部壳体和散热基板分体成型后装配焊接的制造方法是为了使得微通道和环形流道的截面保持开放或易于脱模的几何形态，可兼容cnc铣削、金属压铸、3d打印等主流工艺，配合法兰螺纹连接、激光焊接等手段保证密封性，有助于提升微结构的加工良率。

14、优选的，所述分体成型后装配焊接是指在外部壳体和散热基板均分别模块化独立成型，然后散热基板通过冷压过盈配合装入外部壳体内，使所述第二法兰环与外部壳体的第二环状台阶面密封连接、所述第一法兰环与散热基板的第一环状台阶面密封连接。

15、一种上述环形歧管微通道散热器的制造方法，所述外部壳体和散热基板由金属粉末通过增材制造工艺一体打印成型。外部壳体和散热基板由金属粉末通过增材制造工艺一体打印成型的设置，一方面减小机加工过程中对材料的损耗，另一方面有利于提高生产制造出环形歧管微通道散热器的强度。

16、优选的，所述增材制造工艺是指选区激光熔化成形工艺（slm工艺）。slm工艺是一种金属增材制造技术，可制造近全致密、力学性能优良的复杂金属零件，尤其适合小批量或具有复杂结构零件的直接成形，无需模具即可快速交付。与传统减材制造相比，slm工艺的材料利用率更高，有效减少了高价值金属粉末的浪费，且随着设计优化和生产经验的积累，零件成本可逐步降低。

17、有益效果：

18、1.本技术的环形歧管微通道散热器上设置沿散热基板的轴向延伸的微通道和沿外部壳体的轴向阵列的环形流道，其中散热基板可与圆柱曲面热源贴合，利用环形歧管微通道散热器上的微通道和环形流道实现能够将歧管微通道高效换热和均流优势成功应用于圆柱曲面热源，另外本技术进液盲孔贯穿第一隔块以及与偶数圈的所述环形流道连通，出液通孔贯穿第二隔块以及与奇数圈的所述环形流道连通，所述微通道的槽道与所述环形流道的槽道共同形成密闭的环状流体分配腔，即进液盲孔在奇数圈被第一隔块包覆、出液通孔在偶数圈被第二隔块包覆，第一隔块和第二隔块分别将所在的环形流道阻断为两个半环流道，且进液盲孔的轴向深度小于出液通孔的轴向深度，冷却液无法从进液盲孔直接短路至出液通孔，必须沿半环流道及微通道完成全流程的流动，能够在电机有限的装配空间内实现冷却液沿圆周方向的均匀分配，从根本上消除周向温度梯度。

19、2.本技术采用同轴套装的散热基板，可直接贴合电机壳体的圆柱曲面，无需转接件，显著降低了接触热阻和安装空间需求。与传统环形水冷套的方案相比，所述散热基板与电机壳体配合面的圆柱度可控制在0.06mm以内，保证了紧密贴合，进一步减小接触热阻；整体液冷结构轴向仅占约3.5mm空间，尤其适合电机紧凑型壳体内部部署。

20、3.本技术通过多层第一隔块和第二隔块在奇偶圈上的交错布置，与深浅孔配合，强制冷却液在进液侧和出液侧分别沿半环的环形流道流动，使各并联支路的流动路径长度基本相同、阻力特性相近，自发实现周向流量的均匀分配，有效消除传统水冷套的“半边冷、半边热”现象。以150w的电机功耗为例，在使用体积浓度20%的乙二醇水混合冷却液、流量0.6l/min、在给定的入口温度条件下，电机壳体周向温差可控制在±3℃以内；冷却液出口温升约7℃，周向均温性好。

21、4.由于进液盲孔在奇数圈被第一隔块包覆、出液通孔在偶数圈被第二隔块包覆，且进液盲孔和出液通孔的轴向深度不同，冷却液无法从进液盲孔直接短路至出液通孔，必须沿半环流道及微通道完成全流程。迫使冷却液完整流经半环流道和微通道后才能排出，从根本上避免了进出口直接串通，同时半环流道路径平滑、无突扩突缩结构，有效降低了流动压降。