一种圆锥形的金属塑料复合散热器的制作方法

[0001]
本发明涉及散热器技术领域，具体涉及一种圆锥形的金属塑料复合散热器。


背景技术：

[0002]
伴随着微机电系统和微化学机械系统的发展，电力驱动的一体化程度越来越高。耗电量和热量越来越高，然而尺寸变得越来越小并且电子设备的热流量在不断增加。为了满足包括led灯管和灯具的电子工业的发展需求，我们需要结构紧凑，轻量化而且高效的散热器。
[0003]
微结构散热器的冷却形式分为自然对流和强迫对流。许多科学家已经对不同结构的自然对流做了大量的研究。yu等人（2010，2011，2012）调查了径向散热器周围的自然对流换热用来适用于圆形led（发光二极管）灯并且优化了散热器。实验结果很好的验证了数据结果，并且表现出了较好的一致性。通过对翅片数量，长翅片的长度，中翅片的长度，热流热阻和平均传热系数的比较进行参数研究。另外，辐射对传热的影响通过改变发射率来实现，并发现最大辐射贡献为27%。xaman等人（2008）提出了一个关于玻璃墙的方形空腔中复合传热的二维数值研究（包括层流，湍流，自然对流，表面热辐射和热传导）。结果表明，由于非等温的玻璃墙和空腔内的辐射换热共同作用导致这个流型是非对称的。tari等人（2013）为了获得合理的模型来研究换热器的倾斜方向，研究了垂直数据基础上矩形截面垂直板翅的稳态平行排列散热器的自然对流。rao等人（2006）通过将相邻的内翅片看作两个翅片外壳解决了水平翅片阵列的自然对流换热问题。


技术实现要素：

[0004]
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了结构设计合理的一种圆锥形的金属塑料复合散热器。
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本发明的技术方案如下：一种圆锥形的金属塑料复合散热器，其特征在于，包括第一板式散热层、第二板式散热层及颗粒散热层，所述第二板式散热层贴合设置在第一板式散热层上，所述颗粒散热层设置在第二板式散热层上，所述第一板式散热层采用金属扩散板，所述第二板式散热层采用塑料散热板，所述颗粒散热层采用圆锥颗粒，并分布在塑料散热板上。
[0006]
所述一种圆锥形的金属塑料复合散热器，其特征在于，所述塑料散热板采用pps材料散热板。
[0007]
所述一种圆锥形的金属塑料复合散热器，其特征在于，所述圆锥颗粒采用al材料圆锥颗粒。
[0008]
所述一种圆锥形的金属塑料复合散热器，其特征在于，所述金属扩散板采用al材料扩散板。
[0009]
所述一种圆锥形的金属塑料复合散热器，其特征在于，所述圆锥颗粒采用正三角形排布、正方形稀疏排布、正方形紧密排布或正六边形排布。
[0010]
所述一种圆锥形的金属塑料复合散热器，其特征在于，所述圆锥颗粒采用0.5-2mm直径，优选2mm直径。
[0011]
所述一种圆锥形的金属塑料复合散热器，其特征在于，所述该散热器使用时倾斜40-50
°
设置，优选45
°
。
[0012]
本发明的有益效果是：采用三层结构，最上层为al材料圆锥颗粒，中间层为pps材料散热板，最下层为al材料扩散板，相比普通金属散热器的散热效果更强，抗腐蚀能力也更强，可以更好的在高湿度和高腐蚀性的环境中运行，并且由于塑料具有比表面积大、耐腐蚀、重量轻、制造成本低、易加工等优点，因此金属-塑料复合微结构散热器有着更广阔的应用空间。
附图说明
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图1为本申请整体结构示意图；图2为本申请俯视结构示意图；图3为本申请圆锥颗粒正六边形排布示意图；图4为本申请圆锥颗粒正方形稀疏排布示意图；图5为本申请圆锥颗粒正三角形排布示意图；图6为本申请圆锥颗粒正方形紧密排布示意图；图7为本申请两种散热器相同工况下的比较；图8为本申请四种排列方式对热流密度的影响；图 9为本申请圆锥尺寸变化时的热流密度；图 10为本申请热流密度随散热器倾斜角度的变化；图中：1-第一板式散热层，2-第二板式散热层，3-颗粒散热层。
具体实施方式
[0014]
以下结合说明书附图，对本发明作进一步描述。
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如图1-10所示，一种圆锥形的金属塑料复合散热器，包括第一板式散热层1、第二板式散热层2及颗粒散热层3。
[0016]
第二板式散热层2贴合设置在第一板式散热层1上，颗粒散热层3设置在第二板式散热层2上，第一板式散热层1采用金属扩散板，第二板式散热层2采用塑料散热板，颗粒散热层3采用圆锥颗粒，并分布在塑料散热板上。
[0017]
本实施例中塑料散热板采用pps材料散热板，圆锥颗粒采用al材料圆锥颗粒，金属扩散板采用al材料扩散板。
[0018]
本实施例中圆锥颗粒采用正三角形排布、正方形稀疏排布、正方形紧密排布或正六边形排布。
[0019]
本实施例中圆锥颗粒采用0.5-2mm直径，其中以2mm直径为最佳实施例。
[0020]
该散热器使用时倾斜40-50
°
设置，其中以倾斜45
°
设置为最佳实施例。
[0021]
工作原理：金属塑料复合散热器由金属扩散板和圆锥形微结构塑料散热板组成，如图1所示。考虑到第一类边界条件，热源产生的热量通过金属扩散板和塑料散热板，然后通过自然对流、强
迫对流和辐射扩散到周围环境，保持热源表面温度和环境温度恒定，当物体表面达到热平衡时，通过表面的热流越大，散热器的散热效果越好。
[0022]
从热源传来的热量，通过金属扩散层、塑料层，最后通过微观结构强化传热效果，扩散到空气中从热源传来的热量，通过金属扩散层、塑料层，最后通过微观结构强化传热效果，扩散到空气中。
[0023]
而且由于散热器经常工作于高湿度和强腐蚀性的环境中，如果材料为纯金属，那么及其容易产生腐蚀导致散热器的结构强度和散热量大大下降，甚至使得散热器的工作寿命缩短，但是金属塑料复合材料散热器则可以很好的减弱甚至避免这个情况的出现，而且金属塑料复合材料散热器在散热效果上也远远好于普通的单金属散热器，所以以后在工作环境恶劣并且对散热效果要求大的环境中纯金属散热器势必会被塑料金属复合材料散热器替换。
[0024]
在散热器的圆锥排列方面我们选择了有正六边形、正三角形、稀疏正方形、紧密排列正方形四种排列方式。
[0025]
在金属和塑料的材料选择方面，散热器材料分别为铝和pps（聚苯硫醚）；表1不同材料的物理参数。
[0026]
表1为了符合实际使用时候的情况，设计散热器总尺寸参数如表2所示。
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表2如果翅片为矩形，矩形翅片金属散热器的体积是圆锥形金属塑料复合散热器的5倍，由于体积的扩大，降低了材料和空间的利用率，并且通过floefd软件进行数值模拟矩形翅片金属散热器散热量上远远不及圆锥形散热器。
[0028]
在相同条件下（第一类边界条件），我们可以得到图7中的结果，其中x轴是热源表面的温度，y轴是整个表面热流密度，圆点曲线代表散热器al-al（散热器材质为al），方点曲线代表散热器为al-pps（散热器材质为pps）。随着表面温度的升高，热流也呈线性上升趋势，如图7所示；相比之下，al-pps材质的散热器的热流密度要高于al-al材质的散热器。其
原因是pps的辐射发射率（0.98）高于al（0.1）。前者的辐射散热量大于后者，因此热流密度大于后者。所以，你可以看到通常pps材质可以代替al材质作为散热器的材料。而且我们可以得出结论，在相同的体积下，圆锥形金属塑料复合散热器的散热能力是矩形翅片金属散热器的20倍左右。由于塑料具有比表面积大、耐腐蚀、重量轻、制造成本低、易加工等优点。因此金属-塑料复合微结构散热器有着更广阔的应用空间。
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同时可以从数值模拟中看出圆锥形排列对散热器的表面积和热性能有进一步的影响。圆锥形排列方式包括正三角形排列、正方形排列（正方形稀疏排列）、紧密正方形排列和正六边形排列。从图8可以看出，随着温度的升高，热流密度也在上升，温度越高，热流密度的变化越快。由于圆锥的排列比较紧凑，可以看出它们之间的热流密度变化很小。当温度为150℃时，热通量接近4000w/m
²
。而此时正方形密排列方式的热流密度最大。究其原因，是方形紧密排列方式最为紧凑。所以它有最高的表面热流密度。但是实际使用情况中的四种排列方式的散热情况基本相差不大，所以可以根据不同的工况和工作环境选择不同的排列方式。
[0030]
从图9中看出圆锥的颗粒大小对热流密度有一定的影响。当粒径为0.5mm～2mm时，热流密度变化不明显，即粒径对热流密度影响不明显。但从2mm到5mm，热流密度有明显的变化。而且随着温度的升高，这种变化越来越明显。其原因是颗粒尺寸减小，散热面积增大，进而影响热流密度。进一步减小颗粒尺寸可以使热流密度增大。
[0031]
但是考虑到制作工艺和制作成本的约束，不可能将圆锥颗粒尺寸无限缩小，又根据数据模拟结果当粒径为0.5mm～2mm时，热流密度变化不明显，我们选择将圆锥的半径设置为2mm，在获得较大散热效果的同时可以尽可能的压低制作成本。
[0032]
由于自然对流的自然现象，热空气总是上升的。因此，散热器的倾角对热流密度有某种程度上的影响；我们从0-180
°
得到5个点，即0
°
、45
°
、90
°
、135
°
、180
°
。从图10可以看出，从0
°
到45
°
的角度看，热流密度随角度变化的趋势是缓慢上升的。并且在45
°
左右有一个峰值，即2059w/m
²
。从45
°–
180
°
开始，热通量有急剧下降的趋势。从高到低，热流密度变化到约为其原始值的一半。因此在实际应用过程中，应注意倾斜角度。为了得到最好的冷却效果，散热器的角度应在45
°
左右。