發(fā)布時間：2017-08-11 06:17

  本文關(guān)鍵詞：金屬—塑料復(fù)合式微結(jié)構(gòu)散熱器換熱機理的研究

  更多相關(guān)文章： 金屬-塑料復(fù)合 微結(jié)構(gòu) 定量分析 數(shù)學(xué)模型 數(shù)值分析散熱器

【摘要】：隨著微型機電系統(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)進步,使得復(fù)雜的多功能系統(tǒng)中產(chǎn)生的熱量越來越大,普通的散熱器已經(jīng)不能滿足高效散熱的需求。同時,由于熱環(huán)境越來越苛刻,而系統(tǒng)體積卻越來越小,為了解決散熱的問題,對散熱裝置的微小化提出了越來越高的技術(shù)要求。目前解決高效散熱問題的方式主要有三個方向。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流換熱系數(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、加工周期長且密度相對較大的特點。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。因為其具有易加工微細(xì)結(jié)構(gòu)、成型容易以及成本低的特點。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。因為金屬的導(dǎo)熱系數(shù)比較大,但是散熱能力有限,而塑料的散熱較好,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)勢進行結(jié)合,實現(xiàn)互補。另外利用塑料易成型微結(jié)構(gòu)的特點在散熱器表面添加微細(xì)結(jié)構(gòu),進一步增加了散熱的比表面積,從而提高散熱器的散熱性能。本文對金屬-塑料復(fù)合散熱器的散熱機理進行了系統(tǒng)的理論和實驗研究,分別對金屬和塑料復(fù)合導(dǎo)熱單元,以及塑料散熱單元進行建模分析；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微尺度化的必要性和重要性：1.對雙層復(fù)合平板熱傳導(dǎo)過程進行了模擬分析,重點研究了塑料導(dǎo)熱層厚度和塑料導(dǎo)熱系數(shù)對導(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?.提出了一種具有半球形塑料散熱單元的金屬-塑料復(fù)合散熱器�；贔loEFD軟件對所該散熱器進行了數(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,因為半球直徑大了,熱量就無法有效地傳導(dǎo)到半球表面,散熱性能會大幅度降低。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,此時繼續(xù)降低半球直徑對提高散熱效能作用不大,但卻會給散熱器制造帶來極大的困難。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型槽頂角、熱源功率、塑料的輻射發(fā)射率和導(dǎo)熱系數(shù)、自然對流系數(shù)和環(huán)境溫度等對散熱器散熱性能的影響規(guī)律。由模擬結(jié)果可知,V型槽散熱單元的比表面積只與V型槽的頂角角度有關(guān),而與V型槽的高度無關(guān),比表面積在數(shù)值上等于V型槽半頂角正弦的倒數(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,因為槽高大了,熱量就無法有效地傳導(dǎo)到V型槽的表面,散熱效能就會大幅度降低。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,此時繼續(xù)降低槽高對提高散熱效能作用不大,但卻會給散熱器制造帶來極大的困難。4.增大散熱比表面積的同時,還要考慮創(chuàng)造有利的對流和輻射散熱條件。散熱單元的微結(jié)構(gòu)化對強化對流和熱輻射是十分有利的,這是因為微結(jié)構(gòu)散熱陣列有效避免了常規(guī)尺度散熱陣列存在的高氣流阻力,和需經(jīng)多次折射才能輻射到空氣中的問題,顯著提高了對流和熱輻射效能。綜合考慮散熱效能、加工難易、結(jié)構(gòu)剛度等因素,微型V型槽散熱單元是非常好的選擇。
【關(guān)鍵詞】：金屬-塑料復(fù)合 微結(jié)構(gòu) 定量分析 數(shù)學(xué)模型 數(shù)值分析散熱器
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TK172
【目錄】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-19
• 第一章 緒論19-33
• 1.1 課題研究背景與研究意義19-20
• 1.1.1 課題研究背景19
• 1.1.2 課題研究目的和意義19-20
• 1.2 微型換熱器的研究進展20-28
• 1.2.1 國外微型散熱器的研究現(xiàn)狀20-24
• 1.2.2 國內(nèi)微型散熱器的研究情況24-26
• 1.2.3 強制對流工況下的微通道散熱器26-28
• 1.3 金屬-塑料復(fù)合微結(jié)構(gòu)散熱器的提出28-31
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容31-33
• 第二章 金屬-塑料復(fù)合式微結(jié)構(gòu)散熱器的結(jié)構(gòu)及散熱原理33-45
• 2.1 金屬-塑料復(fù)合微結(jié)構(gòu)散熱器的設(shè)計準(zhǔn)則33
• 2.2 金屬-塑料雙層復(fù)合體的導(dǎo)熱分析33-35
• 2.3 金屬-塑料復(fù)合微結(jié)構(gòu)散熱器的傳熱模型35-43
• 2.3.1 金屬-塑料復(fù)合式微結(jié)構(gòu)散熱器的熱傳導(dǎo)問題36-39
• 2.3.2 金屬-塑料復(fù)合微結(jié)構(gòu)散熱器在微尺度下的對流換熱39-43
• 2.3.3 金屬-塑料復(fù)合微結(jié)構(gòu)散熱器在微尺度下熱輻射43
• 2.4 本章小結(jié)43-45
• 第三章 金屬-塑料復(fù)合式散熱器的散熱影響因素研究45-71
• 3.1 金屬-塑料復(fù)合式散熱器影響因素分析46-57
• 3.1.1 數(shù)學(xué)模型的建立46-47
• 3.1.2 控制方程47-48
• 3.1.3 邊界條件48-49
• 3.1.4 金屬-塑料復(fù)合微結(jié)構(gòu)散熱器的數(shù)值模擬49-57
• 3.1.4.1 散熱器材料對整體熱流密度的影響50-51
• 3.1.4.2 半球排列方式對熱流密度的影響51-52
• 3.1.4.3 微結(jié)構(gòu)形式對熱流密度的影響52-53
• 3.1.4.4 塑料導(dǎo)熱系數(shù)對熱流密度的影響53-54
• 3.1.4.5 導(dǎo)熱塑料輻射發(fā)射率對熱流密度的影響54-55
• 3.1.4.6 半球直徑對熱流密度的影響55-56
• 3.1.4.7 散熱器傾斜角度對于熱流密度的影響56-57
• 3.2 金屬-塑料復(fù)合式散熱器影響因素定量分析57-63
• 3.2.1 數(shù)學(xué)模型58-59
• 3.2.2 影響因素定量分析59-63
• 3.3 LED燈具用金屬-塑料復(fù)合式散熱器的模擬63-69
• 3.3.1 模擬對象63-64
• 3.3.2 數(shù)值模擬和結(jié)果分析64-69
• 3.4 本章小結(jié)69-71
• 第四章 V型槽散熱器的數(shù)值模擬和實驗研究71-89
• 4.1 前言71
• 4.2 物理模型71-72
• 4.3 基本假設(shè)72
• 4.4 基本方程的建立72-79
• 4.4.1 復(fù)合結(jié)構(gòu)散熱器的熱傳導(dǎo)72
• 4.4.2 散熱器對流換熱與輻射換熱量72-74
• 4.4.3 自然對流表面換熱系數(shù)74
• 4.4.4 輻射換熱系數(shù)74-75
• 4.4.5 模型求解和結(jié)果討論75-79
• 4.5 V型槽金屬-塑料復(fù)合微結(jié)構(gòu)散熱器的實驗研究79-88
• 4.5.1 散熱器散熱性能實驗平臺80-81
• 4.5.2 實驗結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果對比81-85
• 4.5.3 添加微結(jié)構(gòu)與未添加微結(jié)構(gòu)散熱器結(jié)果對比85-86
• 4.5.4 改變輻射發(fā)射率的結(jié)果比較86-87
• 4.5.5 金屬-塑料復(fù)合微結(jié)構(gòu)散熱器與純鋁散熱器散熱效果比較87-88
• 4.6 本章小結(jié)88-89
• 第五章 總結(jié)和展望89-91
• 5.1 全文總結(jié)89-90
• 5.2 工作展望90
• 5.3 創(chuàng)新點90-91
• 參考文獻(xiàn)91-95
• 附錄95-99
• 致謝99-101
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文及專利情況101-103
• 作者和導(dǎo)師簡介103-105
• 北京化工大學(xué)博士研究生學(xué)位論文答辯委員會決議書105-107

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1 肖從真;廉慧珍;劉西拉;;用有限元方法研究水泥石微結(jié)構(gòu)與力學(xué)行為關(guān)系的探討[J];混凝土;1993年01期

2 陳志斌;;犁削技術(shù)與微結(jié)構(gòu)加工[J];中國水運(學(xué)術(shù)版);2007年01期

3 王多書;羅崇泰;陳燾;劉宏開;馬勉軍;黃良甫;;極坐標(biāo)激光直寫技術(shù)制作微結(jié)構(gòu)[J];激光與紅外;2006年07期

4 ;輻照材料的微結(jié)構(gòu)處理[J];原子能科學(xué)技術(shù);2000年05期

5 馬文生;張俊烽;;化學(xué)成分和微結(jié)構(gòu)對凍融土力學(xué)性質(zhì)的影響[J];安徽地質(zhì);2007年01期

6 丁長陽;韓愛民;吳楠;喬春元;;南京下蜀土微結(jié)構(gòu)及其變形特征的研究[J];西部探礦工程;2009年06期

7 胡海豹;何強;鮑路瑤;周峰;;二級規(guī)則微結(jié)構(gòu)對低表面能納米通道內(nèi)微流動的影響[J];機械工程學(xué)報;2014年12期

8 李敏,劉秋云,劉曉宇,梁乃剛;晶須增強金屬基復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(英文)[J];Chinese Journal of Aeronautics;2001年03期

9 孫樹偉;鄭旭;孔高攀;李戰(zhàn)華;;壁面帶微結(jié)構(gòu)管道內(nèi)Cassie狀態(tài)穩(wěn)定性的實驗研究[J];實驗流體力學(xué);2013年03期

10 張能力,徐友仁;水平面上蒸發(fā)滴內(nèi)的流動微結(jié)構(gòu)及Bénard細(xì)胞流[J];工程熱物理學(xué)報;1985年04期

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1 黃銀;陳航;馮雪;;基于微結(jié)構(gòu)調(diào)控的可拉伸波狀硅[A];中國力學(xué)大會——2013論文摘要集[C];2013年

2 王廣軍;楊小鴻;韓筱玉;;進行性肌營養(yǎng)不良12例亞微結(jié)構(gòu)改變[A];第四次全國電子顯微學(xué)會議論文摘要集[C];1986年

3 包崇云;王買全;R. Trukenmuller;張強;歐國敏;宮蘋;C.A. van Blitterswijk;;微結(jié)構(gòu)芯片優(yōu)化牙種植體穿齦部位形貌特征[A];第六屆全國口腔種植學(xué)術(shù)會議論文匯編[C];2009年

4 胡瑞林;李向全;官國琳;葉浩;;粘性土微結(jié)構(gòu)的定量化研究進展[A];第五屆全國工程地質(zhì)大會文集[C];1996年

5 陳斌;尹大剛;袁權(quán);;脛骨螺旋繞孔微結(jié)構(gòu)[A];第十七屆全國高技術(shù)陶瓷學(xué)術(shù)年會摘要集[C];2012年

6 鄧星輝;趙佳彬;于洋;;具有大面積分?jǐn)?shù)的微結(jié)構(gòu)表面靜態(tài)潤濕性質(zhì)研究[A];中國力學(xué)大會——2013論文摘要集[C];2013年

7 劉輝;李平;魏雨;;Ferrihydrite的微結(jié)構(gòu)對其催化相轉(zhuǎn)化過程的影響[A];中國化學(xué)會第二十五屆學(xué)術(shù)年會論文摘要集（下冊）[C];2006年

8 李易;肖鵬;申峰;劉趙淼;;微結(jié)構(gòu)流動潤滑中對阻力影響因素的研究[A];北京力學(xué)會第20屆學(xué)術(shù)年會論文集[C];2014年

9 韓巧鳳;王美娟;汪信;;用單原料前驅(qū)體合成不同微結(jié)構(gòu)的硫化鉛納米晶[A];中國化學(xué)會第27屆學(xué)術(shù)年會第05分會場摘要集[C];2010年

10 陳嘉鷗;盧承祖;郭素杰;葉斌;;軟土微結(jié)構(gòu)SEM樣品的制備技術(shù)[A];新世紀(jì)巖石力學(xué)與工程的開拓和發(fā)展——中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會第六次學(xué)術(shù)大會論文集[C];2000年

中國重要報紙全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 宋瑩　姚大捚　陳曉春;南京微結(jié)構(gòu)國家實驗室建設(shè)正式啟動[N];新華日報;2005年

2 張曄;“微”結(jié)構(gòu)中的大文章[N];科技日報;2005年

3 內(nèi)蒙古金三角光纖科技有限公司 王學(xué)忠;微結(jié)構(gòu)布拉格光纖邁進產(chǎn)業(yè)化[N];通信產(chǎn)業(yè)報;2012年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 黃金國;微結(jié)構(gòu)表面紅外熱輻射特性調(diào)控方法研究[D];南京理工大學(xué);2015年

2 劉高陽;水電解電催化材料合成、微結(jié)構(gòu)調(diào)控及性能研究[D];北京科技大學(xué);2016年

3 楊煥;激光制作綠色能源電池微結(jié)構(gòu)部件技術(shù)的研究[D];華中科技大學(xué);2015年

4 畢宴鋼;有機電致發(fā)光器件的微結(jié)構(gòu)電極研究[D];吉林大學(xué);2016年

5 侯俊杰;大豆蛋白—甜菜果膠相互作用及其對食品微結(jié)構(gòu)及感官性質(zhì)影響的研究[D];華南理工大學(xué);2016年

6 董亭亭;仿生蛾眼抗反射微結(jié)構(gòu)光學(xué)機理研究[D];長春理工大學(xué);2016年

7 姜輝;金屬—塑料復(fù)合式微結(jié)構(gòu)散熱器換熱機理的研究[D];北京化工大學(xué);2016年

8 方俊飛;微結(jié)構(gòu)表面功能材料的制備及其熱輻射光譜特性研究[D];南京理工大學(xué);2014年

9 王濤;高g值環(huán)境典型微結(jié)構(gòu)動態(tài)特性及其測試技術(shù)研究[D];大連理工大學(xué);2008年

10 吳勃;金屬仿生功能微結(jié)構(gòu)的激光制備與研究[D];江蘇大學(xué);2011年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 胡嘉玲;微結(jié)構(gòu)對聲傳播特性的影響研究[D];蘇州大學(xué);2015年

2 王會茗;輥筒模具微結(jié)構(gòu)功能表面的加工實驗研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

3 梁紅培;電紡技術(shù)制備微結(jié)構(gòu)可控的明膠/殼聚糖/羥基磷灰石/氧化石墨烯復(fù)合纖維的研究[D];新疆師范大學(xué);2015年

4 劉曉博;基于微結(jié)構(gòu)配光材料的配光系統(tǒng)原理研究[D];北京化工大學(xué);2015年

5 王雯;微型車刀抗磨損表面仿生微結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化[D];長春理工大學(xué);2015年

6 呂平;高密度封裝基板濺射薄層微結(jié)構(gòu)研究[D];復(fù)旦大學(xué);2014年

7 徐曉穎;微結(jié)構(gòu)硅NH_3傳感器的制備及特性研究[D];電子科技大學(xué);2015年

8 李釗;仿生礦化合成碳酸鈣微結(jié)構(gòu)及其抑菌效應(yīng)的研究[D];華中農(nóng)業(yè)大學(xué);2013年

9 翟慶彬;基于微結(jié)構(gòu)的印刷柔性壓力傳感器研究[D];北京印刷學(xué)院;2015年

10 梁燕飛;Pd摻雜花狀I(lǐng)n_2O_3微結(jié)構(gòu)的制備及其氣敏特性研究[D];太原理工大學(xué);2016年

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本文編號：654600