金属-塑料复合式微结构散热器换热机理的研究

摘要

随着微型机电系统(MEMS)的不断地高速发展，以及生物医学、航空航天等领域的不断地技术进步，使得复杂的多功能系统中产生的热量越来越大，普通的散热器已经不能满足高效散热的需求。同时，由于热环境越来越苛刻，而系统体积却越来越小，为了解决散热的问题，对散热装置的微小化提出了越来越高的技术要求。
　　目前解决高效散热问题的方式主要有三个方向。一是增加散热的比表面积，二是改性材料提高材料的导热系数和辐射发射率，三是增加散热器表面的对流换热系数。
　　常见的散热器主要由金属铝、铜等导热系数高的材料构成。从材料特性和加工的角度考虑，金属材料具有加工成本高、加工效率低、加工周期长且密度相对较大的特点。因此一些研究者逐步考虑使用一些非金属材料作为散热器的加工材料。因为其具有易加工微细结构、成型容易以及成本低的特点。
　　本文提出了一种以高导热金属底座为导热单元，以带有微结构的高散热聚合物为散热单元的新型散热器。因为金属的导热系数比较大，但是散热能力有限，而塑料的散热较好，但是导热能力却很差。导热系数仅为金属的几十分之一。所以提出一种新型金属-塑料复合微结构散热器，将二者的优势进行结合，实现互补。另外利用塑料易成型微结构的特点在散热器表面添加微细结构，进一步增加了散热的比表面积，从而提高散热器的散热性能。
　　本文对金属-塑料复合散热器的散热机理进行了系统的理论和实验研究，分别对金属和塑料复合导热单元，以及塑料散热单元进行建模分析;提出了导热能力和散热能力的平衡准则及匹配方法;研究了塑料散热单元微尺度化的必要性和重要性:
　　1.对双层复合平板热传导过程进行了模拟分析，重点研究了塑料导热层厚度和塑料导热系数对导热单元导热能力的影响，研究表明，由于塑料的导热系数远小于金属的导热系数，所以，导热单元的导热能力主要由塑料的导热系数和塑料导热层的厚度决定。提出了金属导热能力与塑料层散热能力相匹配的设计准则，根据该准则，塑料导热层的厚度在200微米到300微米左右是比较适当的。
　　2.提出了一种具有半球形塑料散热单元的金属-塑料复合散热器。基于FloEFD软件对所该散热器进行了数值模拟分析，得到了影响散热器散热效能的影响因素。研究表明影响该类散热器散热效能的主要因素包括:散热器材料、翅片表面微结构、塑料的导热系数和辐射发射率、半球的大小、散热器的倾斜角度等。由模拟结果可知，半球形散热单元的比表面积只与半球的排列方式有关，而与半球直径基本无关，极限比表面积不大于2。由于塑料导热系数低的原因，不能取较大直径的半球设计，因为半球直径大了，热量就无法有效地传导到半球表面，散热性能会大幅度降低。球径小到一定程度，半球表面温度随球径降低变化明显趋缓，此时继续降低半球直径对提高散热效能作用不大，但却会给散热器制造带来极大的困难。综合考虑散热性能和制造成本，半球直径在2mm左右较为适宜。这也说明散热单元微结构化的必要性。
　　3.建立了V型槽金属-塑料复合微结构散热器的导热与传热的数学模型，得到了V型槽项角、热源功率、塑料的辐射发射率和导热系数、自然对流系数和环境温度等对散热器散热性能的影响规律。由模拟结果可知，V型槽散热单元的比表面积只与V型槽的项角角度有关，而与V型槽的高度无关，比表面积在数值上等于V型槽半项角正弦的倒数。所以，只要材料的刚度能够满足使用要求，可以取尽可能小的半顶角，理论上可以获得任意大的比表面积。同样由于塑料导热系数低的原因，不能取较大槽高的V型槽设计，因为槽高大了，热量就无法有效地传导到V型槽的表面，散热效能就会大幅度降低。槽高降到一定程度，V型槽表面温度随槽高的降低变化明显趋缓，此时继续降低槽高对提高散热效能作用不大，但却会给散热器制造带来极大的困难。
　　4.增大散热比表面积的同时，还要考虑创造有利的对流和辐射散热条件。散热单元的微结构化对强化对流和热辐射是十分有利的，这是因为微结构散热阵列有效避免了常规尺度散热阵列存在的高气流阻力，和需经多次折射才能辐射到空气中的问题，显著提高了对流和热辐射效能。综合考虑散热效能、加工难易、结构刚度等因素，微型V型槽散热单元是非常好的选择。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 课题研究背景与研究意义

1．1．1 课题研究背景

1．1．2 课题研究目的和意义

1．2 微型换热器的研究进展

1．2．1 国外微型散热器的研究现状

1．2．2 国内微型散热器的研究情况

1．2．3 强制对流工况下的微通道散热器

1．3 金属-塑料复合微结构散热器的提出

1．4 本文主要研究内容

第二章 金属-塑料复合式微结构散热器的结构及散热原理

2．1 金属-塑料复合微结构散热器的设计准则

2．2 金属-塑料双层复合体的导热分析

2．3 金属-塑料复合微结构散热器的传热模型

2．3．1 金属-塑料复合式微结构散热器的热传导问题

2．3．2 金属-塑料复合微结构散热器在微尺度下的对流换热

2．3．3 金属-塑料复合微结构散热器在微尺度下热辐射

2．4 本章小结

第三章 金属-塑料复合式散热器的散热影响因素研究

3．1 金属-塑料复合式散热器影响因素分析

3．1．1 数学模型的建立

3．1．2 控制方程

3．1．3 边界条件

3．1．4 金属-塑料复合微结构散热器的数值模拟

3．2 金属-塑料复合式散热器影响因素定量分析

3．2．1 数学模型

3．2．2 影响因素定量分析

3．3 LED灯具用金属-塑料复合式散热器的模拟

3．3．1 模拟对象

3．3．2 数值模拟和结果分析

3．4 本章小结

第四章 V型槽散热器的数值模拟和实验研究

4．1 前言

4．2 物理模型

4．3 基本假设

4．4 基本方程的建立

4．4．1 复合结构散热器的热传导

4．4．2 散热器对流换热与辐射换热量

4．4．3 自然对流表面换热系数

4．4．4 辐射换热系数

4．4．5 模型求解和结果讨论

4．5 V型槽金属-塑料复合微结构散热器的实验研究

4．5．1 散热器散热性能实验平台

4．5．2 实验结果和数值模拟结果对比

4．5．3 添加微结构与未添加微结构散热器结果对比

4．5．4 改变辐射发射率的结果比较

4．5．5 金属-塑料复合微结构散热器与纯铝散热器散热效果比较

4．6 本章小结

第五章 总结和展望

5．1 全文总结

5．2 工作展望

5．3 创新点

参考文献

附录

致谢

攻读博士学位期间发表学术论文及专利情况

作者和导师简介