CN102109291B - 一种金属与导热塑料复合微换热器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属与导热塑料复合微换热器，属于换热器技术领域。换热器外部套有保温作用的壳体，保护内部平板，分配或收集流体的封头焊接在壳体上，冷热流体进出管口焊接在封头上，具体结构可根据需要设置，其特征在于，内部平板包括金属基板和塑料微结构，金属作为导热基板，具有微结构的导热塑料复合在金属基板上。本发明加工成本大幅降低，相对金属材质，塑料形成的微通道不易结垢。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属与导热塑料复合型新型微换热器，属于换热器技术领域。
背景技术
随着科学技术的发展，人们研究的领域由宏观世界向微观世界拓展。在半导体工业和微电子机械系统产业的带动下，人们开发出大规模和超大规模集成电路满足技术要求。随着电子器件的集成度越来越高，功耗和发热量也不断提高而物理尺寸却越来越小，电子器件的热流密度大大增加。相关研究表明，高温环境会使电子元器件的可靠性及性能下降，需要更加高效的热控制。目前有的电子器件的热流密度可达到100W/cm2以上，传统的换热设备不仅在换热效果还是在换热空间上都不能满足其散热要求。平板式微通道换热器具有换热效率高、强度大、体积小、质量轻等特点，作为一种高效换热设备日益受到人们的重视。平板式微通道换热器应用前景良好，但由于其传统加工方法成本高，很难实现产业化大规模生产。除此之外，对于小功率的电子器件，换热器周围常常是传热系数小的介质如气体，换热表面热阻很大，人们通常在基板或基管气侧应用翅片作为扩展表面，以便大幅度增加传热面积来达到强化传热的目的。目前常用的翅片为钢带、不锈钢带、铜、铝等金属材料。在应用中这类换热器存在一些不足，如翅片金属材料消耗量大，且受材料加工工艺限制，翅片通常结构形式简单，紧凑性差，换热器整体体积较大。
发明内容
本发明目的是克服现有换热器技术问题，提供一种金属与导热塑料复合新型微换热器。
一种金属与导热塑料复合的微换热器，换热器外部套有保温作用的壳体，保护内部平板，分配或收集流体的封头焊接在壳体上，冷热流体进出管口焊接在封头上，具体结构可根据需要设置，其特征在于，内部平板包括金属基板和塑料微结构，金属作为导热基板，具有微结构的导热塑料复合在金属基板上形成具有大比表传热面积的微翅片或起分割流体作用的微通道或者颗粒凸起物。
塑料微结构为连续状或者离散状的，如：平直状、波状、针状等结构，尺寸为几百个微米的微细结构。
上述作为基板的金属优选镍、铜、不锈钢、合金和铝。
本发明专利作为翅片换热器，应用于周围流体介质为气体的情况，设计方法为通过微注射或纳米压印等加工方法将具有高比表面积的塑料微结构作为翅片加工在金属基板上，由于微结构散热单元的比表面积远大于常规结构的散热器，其散热能力一般都大于基板的导热能力，所以即使采用具有较低导热能力的塑料材料也仍然可具有足够的散热能力，利用塑料微结构作为翅片替代常规金属翅片，可节约大量金属材料。塑料可加工性远优于金属，塑料微结构可加工成如平直、波状、针状翅片等不同形式。本发明的优点是在满足同样换热要求下，可节约大量金属材料，加工性好，易于批量生产。由传热学相关理论，对于换热器周围介质为导热系数较低的介质如气体，最大热阻在气体这一侧。翅片换热器除了要能快速地把热量从热源传导出到外表面，还需要靠对流和辐射把热量散发到环境中。金属和塑料复合换热器充分利用金属导热系数高，传热快，可把热源热量快速导出至外表面，再利用塑料微结构形成的大传热面积通过对流和辐射散发出去。换热器的散热主要由散热面积、自然对流和辐射的能力决定，与材料的导热性无关。
本发明作为平板微换热器，应用于两种或多种冷热液体进行热量交换的情况，设计方法为将许多具有微通道的薄板堆叠在一起，形成一个多层流体系统，冷热两种流体交替流过这些薄板，实现高效换热。平板为复合式，金属作为换热基板，使冷热流体热量通过板面交换，复合在基板上的塑料微结构在板上形成微通道或者颗粒凸起物，把每层的主流体分割成更多空间尺寸的子流体，使流体均匀分布，加强混扰，使换热更加充分，强化传热。研究实验表明，当板面微通道形式大小一定时，换热器的换热效率取决于每层平板的厚度，微通道的材料对换热效率的影响不大。目前加工平板微通道换热器的材料主要为镍、铜、不锈钢、合金和铝等金属材料，微通道通常采用平板印刷术、化学刻蚀技术、光刻电镀技术(LIGA)、钻石切削技术、线切割及离子束加工技术等微加工技术，其加工成本昂贵。本发明专利可通过热压印或微注射等加工技术实现，加工成本大幅度降低，且相对金属材质，塑料形成的微通道不易结垢。
附图说明
图1为实施例1翅片换热器结构示意图；
图2为局部放大图
其中1金属基板，2导热塑料微结构；
图3为实施例2平板微通道换热器内部结构示意图
其中3为内部平板；
图4为带有平直微通道的平板结构图
其中3金属基板，4导热塑料微结构；
图5为带有离散颗粒凸起物的平板结构图
其中3金属基板，4导热塑料微结构；
图6为平板微换热器的外部结构
其中1低温流体入口，2壳体，3封头，4低温流体出口，5高温流体入口，6高温流体出口。
具体实施方式
本发明换热器外部套有保温作用的壳体，保护内部平板，分配或收集流体的封头焊接在壳体上，冷热流体进出管口焊接在封头上，具体结构可根据需要设置，在此不做详细分析介绍。整个换热器的外部简要结构参照图6。
实施例1
参照图1，一种带有塑料微结构的翅片散热器，可用作发热电子器件的热沉。本实施例采用金属基板1上及复合的高导热塑料微结构2组成，微结构2为其在金属表面复合的微型导热塑料翅片。图1中金属基板采用厚的1×60×60mm的铝片，翅片采用0.2×8×60mm的CoolPoly导热塑料制成的微型翅片，翅片间间距为0.4mm。图2为局部放大图。实验表明，在相同加热功率下，本发明与可达到常规铝翅片的换热效果接近。本实施例应用于换热翅片周围为气体的情况。
实施例2
参照图3，一种带有塑料微槽道的平板换热器。本实施例将具有宽而扁平微通道的复合薄板通过扩散黏结相互连接堆叠在一起，冷热流体交替流过这些薄板，通过薄板壁面两侧实现热量交换。参照换热器内部结构图3，平板为2×40×60mm复合板，包括铜基板4和复合在铜基板上的CoolPoly导热塑料矩形翅片5(平板具体结构图见图4)，翅片尺寸为0.2×1.2×60mm，依次排布在板面上，形成宽为0.5mm的流体微通道。翅片通过微注射加工在板面上，以形成分割主流体的流道空间，由多层复合板堆叠复合在一起，形成立方体多层流体通道系统，参照图3。微结构也可根据如换热量、介质纯净度等具体要求条件来设计加工，形式包括连续型或离散型。连续型微结构可加工成平直或波形微通道，可使流经该层的流体均匀地分布在板面上，易实现严格的错流或逆流，波形槽道相对平直槽道可使流体改变流向而发生二次流及边界层分离，其强化传热效果更优；也可以加工成离散型微结构，如简单的圆柱体，图5，当流体绕流障碍物时形成涡旋，破坏原有流动边界层，增加湍流程度，强化传热，且相对槽道结构不易结垢。
Claims (1)
1.一种金属与导热塑料复合的微换热器，换热器外部套有保温作用的壳体，保护内部平板，分配或收集流体的封头焊接在壳体上，冷热流体进出管口焊接在封头上，具体结构可根据需要设置，其特征在于，内部平板包括金属基板和塑料微结构，金属作为导热基板，具有微结构的导热塑料通过热压印或微注射复合在金属基板上，内部平板为多层的复合在一起，由多层复合板堆叠复合在一起，形成立方体多层流体通道系统；
所述塑料微结构为连续状或者离散状的，尺寸为几百个微米，形成微翅片或起分割流体作用的微通道或者颗粒凸起物；
作为基板的金属为铝或铜，导热塑料为CoolPoly导热塑料；
其中连续状微结构加工成平直或波形微通道，使流经该层的流体均匀地分布在板面上，实现严格的错流或逆流，波形槽道相对平直槽道使流体改变流向而发生二次流及边界层分离，其强化传热效果更优；加工成离散型微结构的圆柱体，当流体绕流障碍物时形成涡旋，破坏原有流动边界层，增加湍流程度，强化传热。
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