【技术】爱美达热学事业部提出增材制造热管的概念，能够在抵抗重力的前提下实现低冰点条件工作

时间： 2021-01-30 来源：爱美达

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BOYD现有增材制造(AM)技术应用

随着3D打印机的升级进步，能够适应更广泛的材料和定义，增材制造（或3D打印）成为越来越受欢迎的制造方法。Boyd公司的爱美达热学事业部的增材制造团队由热学和增材设计方面经验丰富的工程师组成。我们的团队利用先进的工艺知识来设计和打印其他公司无法实现的功能部件。

图1 增材制造的爱美达LOGO样品

增材制造消除了对夹具的需求，并限制了传统金属制造工艺所需的安装时间，从而缩短了交付时间。3D打印部件将复杂产品的多个制造过程结合到一个单一的打印中，将交货期从几个月缩短到几天。由于我们对3D打印过程进行实时监控，我们可以更快地识别制造风险和潜在缺陷，让您更好地维护供应链计划。

技术评估

Boyd的增材制造团队为该项目评估并确定了候选热管技术的权衡。我们的工程师选择了一系列潜在的技术制造测试样品来进行评估。该团队分析了未来开发的有前景的技术，包括一种能够实现铜-甲醇热管高温操作的方法，以及一种可能实现非常高操作温度但仍然满足低冰点以及和氨等效的热性能的新型工作流体。研究小组还研究了各种包括铜、铝和不锈钢容器的筛网芯吸热管配置，与铝槽灯芯热管相比，这种配置增加了蒸发段的热流密度。

图2 微尺度AM热管内芯结构晶格单元的SEM图像

增材制造热管的开发

利物浦大学率先开发了激光粉末床熔化(LPBF)技术，在该技术中，二维固体图案通过激光熔化在有序的金属粉末层中，形成复杂的三维几何形状。该方法面临的主要挑战是产生足够小的内芯孔径，以使毛细管泵送能够不受重力影响。此开发集中在微型化的晶格单元结构和实验室表征毛细管结构。在项目开始时，增材制造公司生产的最小晶格单元尺寸太大，无法通过毛细管泵送克服重力。协同增材制造团队利用定制软件编程并完成多个构建试验，并为每个构建样本定义定制的激光参数，从而缩小了晶格尺寸。

图3 AM激光参数试验和优化参数构建板块的比较

这些优化的激光参数使这些工程师能够在一系列小型晶格尺寸上构建一系列的测试件。该团队使用了最新的可视化技术和测试方法来测量样品的孔隙尺寸、提升高度、孔隙率和渗透率。有了这些详细的信息，我们能够选择两个优先的备选内芯结构，随后用于建造和测试功能性钛-氨热管。

图4 不同晶格内心芯孔径的样品

筛网结构热管的开发

爱美达花了过去几十年的时间设计和制造铜热管与筛网结构。筛网结构提供了一个能够增加蒸发段表面热流的带槽内芯结构，使其能够直接接触微电子。通常情况下，筛孔内芯的孔径较大，凝析油的质量流量较大，从而产生较高的功率输送。由于大孔径限制了抵抗重力的功能，我们的增材制造团队选择了一种新的具有细孔径的不锈钢筛网材料进行研究。热管的外壳也由不锈钢制成，以防止电化学腐蚀。为了充分比较这种设计与添加剂制造的热管，该团队使用了氨作为工作流体。

热管测试件及质量检测

为了更直接的记性比较，筛网热管和AM热管测试组件都是由一个圆形管外壳的热管组成，并用空间合格的热环氧树脂与蒸发器和冷凝器连接。采用增材制造的热管并没有充分利用3D设计灵活性的优势，而是由集成的端盖、填充管和内芯结构组成。如图5所示，该团队已经制作了更复杂的蒸汽室。根据ESA SOW提出的测试计划，个体热管和热管组件都进行了验收和鉴定测试。在对40毫米x 40毫米微处理器进行直接热管理性能测试时，这两个组件在空间条件(零重力/反向倾斜)下都演示了所需的30W热量传输。尽管抵抗重力的功能有限，但筛网热管通过当前的轴向槽热管增加了蒸发器的表面热流，这将允许微部件直接冷却。AM热管组件可以与重力方向成20°的角度工作，而筛网热管的角度为-0.3°。除了标准的氨热管验收试验(如氦气泄漏试验、温度下的耐压试验、老化试验、NCG试验等)外，单个热管和热管组件还成功地完成了模拟发射条件的冻融试验和振动试验，结果表明热管的功能没有下降。

图5 不锈钢316L滤网，氨热管环氧粘结铝蒸发器、冷凝器法兰

增材制造热管的前景

Boyd团队现在已经为第一代AM钛氨热管技术申请了专利。对替代不锈钢筛网氨热管的基准测试表明，AM热管的性能得到了提高。这项技术达到了NASA的技术准备等级4 (TRL 4)，这意味着它已经在实验室环境中得到了验证。现在，AM钛氨热管已准备好过渡到TRL演示阶段，以获得太空飞行项目的完全资格。为了开始演示阶段，我们的团队制造了具有更复杂机械设计的AM钛气室测试件。这个初步的气室测试块利用了在这个项目中定义的AM内芯激光参数，并演示了对重力(100毫米升力高度)的完整功能。

Boyd公司还有兴趣讨论航天以外的潜在应用，以继续开发增材制造的两相冷却技术。

图6 未来集成AM热管蒸汽室的概念验证

图7 最先进的集成AM点阵内芯的钛热管测试件

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全部评论（1）

好运常伴吾 Lv8. 研究员 2021-01-30

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