金屬-塑料復(fù)合式微結(jié)構(gòu)散熱器換熱機(jī)理的研究.pdf

1、隨著微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的不斷地高速發(fā)展，以及生物醫(yī)學(xué)、航空航天等領(lǐng)域的不斷地技術(shù)進(jìn)步，使得復(fù)雜的多功能系統(tǒng)中產(chǎn)生的熱量越來(lái)越大，普通的散熱器已經(jīng)不能滿足高效散熱的需求。同時(shí)，由于熱環(huán)境越來(lái)越苛刻，而系統(tǒng)體積卻越來(lái)越小，為了解決散熱的問(wèn)題，對(duì)散熱裝置的微小化提出了越來(lái)越高的技術(shù)要求。
　　目前解決高效散熱問(wèn)題的方式主要有三個(gè)方向。一是增加散熱的比表面積，二是改性材料提高材料的導(dǎo)熱系數(shù)和輻射發(fā)射率，三是增加散熱器表面的對(duì)流換熱系

2、數(shù)。
　　常見的散熱器主要由金屬鋁、銅等導(dǎo)熱系數(shù)高的材料構(gòu)成。從材料特性和加工的角度考慮，金屬材料具有加工成本高、加工效率低、加工周期長(zhǎng)且密度相對(duì)較大的特點(diǎn)。因此一些研究者逐步考慮使用一些非金屬材料作為散熱器的加工材料。因?yàn)槠渚哂幸准庸の⒓?xì)結(jié)構(gòu)、成型容易以及成本低的特點(diǎn)。
　　本文提出了一種以高導(dǎo)熱金屬底座為導(dǎo)熱單元，以帶有微結(jié)構(gòu)的高散熱聚合物為散熱單元的新型散熱器。因?yàn)榻饘俚膶?dǎo)熱系數(shù)比較大，但是散熱能力有限，而塑料的散熱較

3、好，但是導(dǎo)熱能力卻很差。導(dǎo)熱系數(shù)僅為金屬的幾十分之一。所以提出一種新型金屬-塑料復(fù)合微結(jié)構(gòu)散熱器，將二者的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。另外利用塑料易成型微結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在散熱器表面添加微細(xì)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步增加了散熱的比表面積，從而提高散熱器的散熱性能。
　　本文對(duì)金屬-塑料復(fù)合散熱器的散熱機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究，分別對(duì)金屬和塑料復(fù)合導(dǎo)熱單元，以及塑料散熱單元進(jìn)行建模分析;提出了導(dǎo)熱能力和散熱能力的平衡準(zhǔn)則及匹配方法;研究了塑料散熱單元

4、微尺度化的必要性和重要性:
　　1.對(duì)雙層復(fù)合平板熱傳導(dǎo)過(guò)程進(jìn)行了模擬分析，重點(diǎn)研究了塑料導(dǎo)熱層厚度和塑料導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)導(dǎo)熱單元導(dǎo)熱能力的影響，研究表明，由于塑料的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于金屬的導(dǎo)熱系數(shù)，所以，導(dǎo)熱單元的導(dǎo)熱能力主要由塑料的導(dǎo)熱系數(shù)和塑料導(dǎo)熱層的厚度決定。提出了金屬導(dǎo)熱能力與塑料層散熱能力相匹配的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，根據(jù)該準(zhǔn)則，塑料導(dǎo)熱層的厚度在200微米到300微米左右是比較適當(dāng)?shù)摹?br>　　2.提出了一種具有半球形塑料散熱單元的金屬

5、-塑料復(fù)合散熱器。基于FloEFD軟件對(duì)所該散熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得到了影響散熱器散熱效能的影響因素。研究表明影響該類散熱器散熱效能的主要因素包括:散熱器材料、翅片表面微結(jié)構(gòu)、塑料的導(dǎo)熱系數(shù)和輻射發(fā)射率、半球的大小、散熱器的傾斜角度等。由模擬結(jié)果可知，半球形散熱單元的比表面積只與半球的排列方式有關(guān)，而與半球直徑基本無(wú)關(guān)，極限比表面積不大于2。由于塑料導(dǎo)熱系數(shù)低的原因，不能取較大直徑的半球設(shè)計(jì)，因?yàn)榘肭蛑睆酱罅耍瑹崃烤蜔o(wú)法有效地傳導(dǎo)到

6、半球表面，散熱性能會(huì)大幅度降低。球徑小到一定程度，半球表面溫度隨球徑降低變化明顯趨緩，此時(shí)繼續(xù)降低半球直徑對(duì)提高散熱效能作用不大，但卻會(huì)給散熱器制造帶來(lái)極大的困難。綜合考慮散熱性能和制造成本，半球直徑在2mm左右較為適宜。這也說(shuō)明散熱單元微結(jié)構(gòu)化的必要性。
　　3.建立了V型槽金屬-塑料復(fù)合微結(jié)構(gòu)散熱器的導(dǎo)熱與傳熱的數(shù)學(xué)模型，得到了V型槽項(xiàng)角、熱源功率、塑料的輻射發(fā)射率和導(dǎo)熱系數(shù)、自然對(duì)流系數(shù)和環(huán)境溫度等對(duì)散熱器散熱性能的影響規(guī)律

7、。由模擬結(jié)果可知，V型槽散熱單元的比表面積只與V型槽的項(xiàng)角角度有關(guān)，而與V型槽的高度無(wú)關(guān)，比表面積在數(shù)值上等于V型槽半項(xiàng)角正弦的倒數(shù)。所以，只要材料的剛度能夠滿足使用要求，可以取盡可能小的半頂角，理論上可以獲得任意大的比表面積。同樣由于塑料導(dǎo)熱系數(shù)低的原因，不能取較大槽高的V型槽設(shè)計(jì)，因?yàn)椴鄹叽罅耍瑹崃烤蜔o(wú)法有效地傳導(dǎo)到V型槽的表面，散熱效能就會(huì)大幅度降低。槽高降到一定程度，V型槽表面溫度隨槽高的降低變化明顯趨緩，此時(shí)繼續(xù)降低槽高對(duì)提高