CN1130440A - 散热板以及用这种散热板散热的方法 - Google Patents

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Abstract

一种以新的热梯度理论为依据的散热板以及使用这种散热板散热的方法。并且，这种使用时被放置在高温区域和低温区域之间的散热板由一块金属板和一热梯度形成层组成，热梯度形成层被层压在金属板表面并面向低温区域放置，这种热梯度形成层由一种热容积和辐射吸收比金属板小的导热材料制成。

Description

散热板以及用这种散 热板散热的方法
本发明涉及一种以新的理论为依据的散热板以及使用这种散热板的散热的方法。在使用包括电气用具，如电视机、计算机和发动机，汽车的发动机和散热器，各种不同机械制造设备等期间产生的热量使某一区域的温度升高，而这种散热板能高效地使这一区域的热量扩散到低温区域。
已知的从高温区域向低温区域散热以降低高温区域温度的方法包括用空气或水通过具有好的导热率的金属板冷却低温区域侧的方法，或者，换句话说，是空气散热法和水散热法。
并且，为了提高金属板的散热效率，通常是把其面向低温区域的表面作成粗糙的形状，或者是在其表面安装许多散热片或散热辅助体来提高与冷却介质的接触面积(official publication of Ja-panese Utility Model Kokai No.62-52770)，或者是在其表面形成一层水膜，利用水膜的汽化热来加快散热(official publicati-on of Japanese Patent Publication No.6-3335)等等。
然而，粗糙的表面形状或是在表面安装散热片或散热辅助件都存在着缺陷，即需要一道特殊的加工过程，此外，还有弄脏时麻烦的清洁工作，并且，对于这种表面需要光洁的部分是不适用的，因为利用汽化热的方法需要特殊的设备在金属表面形成水膜，所以在适用的范围内它不能免于受限制。
已完成的本发明的目的在于提供一种建立在全新的理论基础上的散热板，其结构简单，并且由于克服了目前使用的以空气或水散热的散热板所存在的缺陷而具有高的散热效率。
本发明人已经通过放置在高温区域和低温区域之间的散热板对高温区域散热的机理进行研究，所得到的结果如下。
结果是，当热量通过辐射或对流传到散热板面向高温区域的表面时，面向高温区域的表面的热量以传导的方式传给面向低温区域的表面。并且，在面向低温区域的表面通过与冷流体接触把热量传到冷流体上。当组成散热板的材料的总热容积被降低到越来越小时，与冷流体接触的散热板的温度更快降低。
当在散热体面向低温区域的表面上加上一层总热容积小的散热层时，于是，在该散热层中，从散热体传来的热和被冷流体带走的热之间保持一种平衡态，这样，假设通过对流带走的热是相同的，那么与只有散热板的情况相比，面向低温区域表面的温度降低更多，于是使热从面向高温区域的表面加快传导过散热板。
下面的数字公式表明了这种热流动的状态。
q＝α1(TI-T1)
 ＝λ/L(T1-T2)
 ＝α0(T2-T0)
其中，q表示热流量，α1是高温区域中流体的导热系数，α0是低温区域中流体的导热系数，Tr是高温区域流体的温度，T1是散热板面向高温区域的表面的温度，T2是散热板面向低温区域的表面的温度，T0是面向低温区域的流体的温度，λ是散热板的导热率，L是散热板的厚度。
这个公式表明，热从高温区域的流体传到散热板面向高温这边的表面，然后以传导的方式通过散热板的内部，并且从散热板面向低温区域的表面传给低温区域的流体。
另一方面，物体还要经受由于太阳光入射，二次产生的远红外线等所传导的热，因此也有必要研究这些辐射热的影响。顺便说说，当放置在高温区域和低温区域之间的隔墙接收到辐射热时，隔墙吸收辐射热。因此，整个物体的温度提高。并且，当面向低温区域的表面由于与低温区域的流体持续接触而保持低温时，其内部的温度，例如在厚度方向接近中间的这部分，将保持有点上升的状态，因此，随着辐射热的吸收，温度持续升高，直到最后达到与高温区域侧温度相同或更高的温度，从而阻止热从面向高温度区域的表面流向面向低温区域的表面。并且，这种趋势在对辐射热吸收大的物体中比在对辐射热吸收小的物体中更显著。
因此，甚至当在散热板的低温区域这边提供一层比散热板的总热容积小的散热层，如果该层所吸收的辐射热比散热板大时，因为从整体上讲，辐射热的吸收被相应提得很高，那么将更进一步地阻止热从面向高温带的表面流向面向低温带的表面。
基于上述发现，本发明人进行了更深入的研究，结果发现，当在一块金属板的一表面上层压一层与金属板相比热容积和辐射热吸收小的薄层而制成一种散热板，并使薄层面向低温区域放置这块散热板时，散热效果与只有金属板组成的散热板相比大大提高，这样也就完成了本发明。
也就是说，本发明提供一种散热板，其特征在于主要由金属板构成的散热板被放置在高温区域和低温区域之间用于从高温区域向低温区域扩散热，并且在所说的金属板面向低温区域的表面上还有一层与所说的金属板相比热容积和辐射热吸收小的导热材料所组成的热梯度形成层，同时本发明还提供一种散热方法，其特征在于将散热板放置在高温区域和低温区域之间，并使金属表面面向高温区域，同时使散热板表面面向低温区域并与冷流体接触。
这里提到的热容积，用Q表示，是用下列公式定义的参数。
Q＝V·d·C
 ＝W·C
其中，C是比热，或者，也就是说每单位重量(g)的物质提高1℃所需的热量(cal/g/℃)，d表示密度，或者，也就是说是物质单位体积(cm3)的重量(g)，V表示物质的总体积(cm3)，W是物质的总重量。上面提到的比热C是每一种材料的属性，尽管它随温度而不同，但在本发明中它的数值是在外面大气温度下用常规的测比热的仪器测量得到的。
并且，这里提到的，辐射热的吸收率是从热源辐射的辐射温度与辐射经过一种特定材料后辐射温度降低的比值，用百分数表示，特定材料中辐射热吸收率X可以根据下列公式得到。
X＝(T-T′)/T×100
其中，T是从热源辐射的辐射温度(℃)，T′是经过该特定材料后从热源辐射的辐射温度(℃)。
图1是本发明的散热板结构的一例的横截面放大示图。
图2是表示本发明的参考例中热梯度形成层的功能的曲线图。
图3是表明本发明实施例1中散热效果的曲线图。
下面，参照附图详细描述本发明的具体实施方案。图1是一例本发明的散热板结构的横截面的放大示图，其中热梯度形成层2层压在金属板1的一个表面上。并且，金属板1面向温度为TH的高温区域放置，热梯度形成层2面向温度为TH的低温区域放置。金属板的材料可以在目前已知用作散热板的材料的金属和合金中任意选择。
例如，纯金属可以是如铁、铝、铜、镍、铂、银、金、钨、锌等，合金可以是如不锈钢、黄铜、青铜、铬-镍合金、铝-硅合金、铝-锰合金、镍-铜合金、钛-铁合金、钛-铝合金，等等。本发明的金属板还可选择性地用电镀或气相沉积等等提供一保护膜，或者，只要主要成份是这些金属和合金之一，它还可经受例如氧化处理等的表面处理。
通常，金属板的厚度范围是0.5～10mm，但是，当在某一大尺寸，例如大型锅炉中使用时，其厚度可以增大，同样在小型结构中使用时可以使厚度更小。
对金属板的形状没有特别的限制，它可以被做成任何希望的形状，例如方形、圆形、管状、半球形、球形等，其表面也可加工成带波纹的、粗糙的、有突起的等。
其次，用于层压在这些金属板的表面上、形成热梯度的散热层的材料包括不同于基板材料的金属和合金，金属化合物，例如金属氧化物、金属碳化物、金属硼化物、金属氮化物等，陶瓷，例如玻璃、各种不同的陶器材料等，以及如石墨等的无机材料，但是，塑料在利于调节热容积和辐射热吸收以及易于层压在金属板方面是特别令人满意的。这样的塑料可包括，例如高压聚乙烯、低压聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、乙烯-丙烯酸或-丙烯酸酯共聚物、含金属的乙烯-丙烯酸共聚物，乙烯-丙烯共聚物，乙烯-氯乙烯-醋酸乙烯共聚物，聚丙烯，丙烯-氯乙烯共聚物，聚氯乙烯，聚偏二氯乙烯，聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇、ABS树脂、聚酰胺、聚缩醛、碳氟树脂、丙烯酸树脂、甲基丙烯酸树脂、聚碳酸酯、尿素树脂、三聚氰胺树脂、不饱和聚酯、硅氧烷树脂、环氧树脂等。这些塑料可选择地与各种不同的常规使用的添加剂混合使用并且可以通过改变这些添加剂的种类、组合及添加量来调整热容积和辐射热吸收。它们可以单独使用或者两种或两种以上混合使用。
本发明中金属板和热梯度形成层的层压方法可以在以前用于把一种不同材料层压在金属板上的常规方法之中根据需要任意选择，这些方法包括通过热焊连接或粘接使预先加工成膜状或片状的散热层贴在金属板的表面并使之结合的方法；使塑料溶解在适当溶剂中，并涂或喷在金属板上然后干燥、固化的方法等。
这样，透明的热梯度形成层被层压在金属板上，其厚度为1～1000μm，或者优选地是10～500μm。
为了不破坏热从散热板面向高温区域的表面向面向低温区域的表面的流动，这些热梯度形成层必须能导热。因此，使用具有绝热效果的材料或者如泡沫苯乙烯和泡沫氨基甲酸乙酯这类材料不是优选的。
其次，在本发明中，热梯度形成层的热容积和辐射热吸收必须比金属板的小，特别有利地是热容积不超过金属板的10％，或者优选地不超过5％，辐射热吸收不超过金属板的60％，或者，优选地不超过50％。
在图1的示例中，热梯度形成层是单一层，但是，在本发明中，这种热梯度形成层还可选择为多层的。在这种情况下，除要满足直接层压在金属板上面的热梯度形成层的热容积和辐射热吸收要比金属板的小之外，还要满足面向金属板的热梯度形成层的热容积和辐射热吸收要比相反方向一侧的热梯度形成层的大。并且，最好是具有这样的结构，即最外面热梯度形成层，或者，也就是说，构成面向低温区域表面的热梯度形成层的热容积不超过金属板的10％，或优选地不超过5％，辐射热吸收不超过金属板的60％，或优选地不超过50％。
在本发明中，对热梯度形成层热容积的低限没有特别限制，甚至当比例小到0.01％时，也能具有足够效果。至于辐射热吸收，当它降低至越来越小而热流变得流畅，自然而然就得到好的结果。
当高温区域通过使用这种散热板进行散热时，带有面向里的金属板的这种散热板就形成高温区域的全部或部分隔墙，并且通过在面向低温区域表面上通冷流体如空气或水来带走表面上的热量，从而完成散热。在这种情况下，为了促进散热，同时可选择采用常规使用的手段，通过形成粗糙表面或在表面装上散热片来扩大与冷流体接触面积的方法，在表面上吹空气为加快热排出的方法以及在表面形成一层水膜而通过它的汽化热来加快散热的方法。
由此可见，它可以满意地用于防止原子反应堆和发电机过热，防止汽车散热器过热，提高冰箱的效率，提高热交换器的热交换效率，扩散电视机内部产生的热等。
下面，用实施例进一步详细描述本发明。
参考例
准备三块各为50cm长50cm宽1mm厚的方形铁板，(热容积216.4cal/℃，辐射热吸收率98％)，然后在它们一面的横向的一半面积上分别层压厚度为113μm，68μm和18μm的聚氯乙烯作为热梯度形成层，它们的热容积分别是铁板热容积的5.0％、3.0％和0.8％。
接着，在与装有热梯度形成层表面相反的表面上，用红外线灯产生均匀辐射加热，当温度上升到60℃时，停止这种辐射，并记录降温时间间隔内每个表面的温度变化。结果见图2。在图2中，A代表只有铁板的温度变化，B代表层压厚度为113μm聚氯乙烯的，C代表厚度为68μm的，D代表厚度为18μm的。
从图2中可以看出，通过提供热梯度形成层可以促进散热。
实施例1
准备两个由5mm厚的泡沫苯乙烯板制成的只有一敞开侧表面的立方体盒子(50×50×50cm)，其中，在一只盒子敞开侧固定由1mm厚铁板单独组成的散热板(A)(热容积216.4cal/℃，辐射热吸收度98％)，另一只盒子敞开侧固定散热板(B)，散热板(B)是在铁板朝外的表面上再形成一层5μm厚的甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸乙酯-苯乙烯共聚物(热容积0.5cal/℃，辐射热吸收1.9％)的涂膜层。
接着，从外部持续加热这些盒子使内部温度升到63℃，然后用放置在距散热板1.2m远的空调向散热板吹16℃的冷空气进行散热。在时间间隔内测量盒子内部温度，结果见图3，虚线是(A)的曲线图，实线是(B)的曲线图。
从图3可以看出，在铁板上提供热梯度形成层可以促进散热。
实施例2
准备两个同实施例1的由泡沫苯乙烯制成的盒子，其中，在一只盒子的敞开侧固定一块仅由镀锌的可买到的1mm厚铁板(热容积216.4cal/℃，辐射热吸收率95％)制成的散热板，在另一只盒子的敞开侧也固定一块散热板，该散热板是在这样的铁板朝外的表面上提供一层具有不同厚度的甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸乙酯-苯乙烯共聚物的涂膜层。
接着，把这些盒子放在温度20℃的房间内，每只盒子都用覆盖黑布的125瓦红外灯从内部同时加热，并记录一段时间间隔内内部温度的变化。结果见表1。
表1
Figure A9419324800121
注意)表中，X1是铁板的热容积
       X2是涂膜层的热容积
从表1中可以看出，使用具有热梯度形成层的散热板可以提高散热效果，并且，当热梯度形成层的热容积不超过金属板的10％时，散热板具有特别好的散热效果。
实施例3
准备一块散热板，该散热板是在可买到的1mm厚铁板(热容积126.4cal/℃，辐射热吸收率98％)上层压0.5mm厚的甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸乙酯-苯乙烯共聚物和硅油混合物(热容积0.5cal/℃，辐射热吸收率1.9％)的涂层，使这块散热板覆盖并固定在泡沫苯乙烯制成的盒子(50×50×50cm)的整个敞开侧，同时使金属板面向里，然后放置在室外，暴露在阳光下，测量内部温度变化。
同时，为了比较，还并排放置一只在整个敞开侧只覆盖并固定铁板的相同盒子，并且，测量内部温度变化。结果见表2。
                    表2试样  散热板                          内部温度(℃)编号  种  类   初始  2分钟  4分钟  6分钟  8分钟  10分钟  12分钟
                 以 后  以 后  以 后  以 后  以  后  以  后1    层  压    36   41.7   42.5   43.5   43.0   43.6    43.5
  结  构2    非层压    36   42.6   45.0   45.5   45.0   45.5    45.6
  结  构
从表2可以看出，甚至在从外加热的情况下，使用带有热梯度形成层的散热板也能提高散热效果。
实施例4
使用一幢十一层钢筋混凝土建筑物第8层的体积相同且开口(窗户)尺寸相同的房间，在一间房子的开口上安装一块铁板，这块铁板是在可买到的1mm厚镀锌铁板(热容积216.4cal/℃，辐射热吸收率95％)上涂上丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸甲酯和苯乙烯共聚物并使之形成5μm厚涂层而构成的，并且安装时使涂层表面面向外面大气。在另一房间的开口上安装另一块没有涂层的铁板。
晚上，在没有阳光入射期间，在房间内用功率为2300cal/h的热空气室内加热器加热时，记录时间间隔内的室内温度变化。
这里，每个房间的体积是17.25m3，开口面积是1.40m2。
涂层膜的热容积与铁板热容积的比例大约是0.23％。结果见表3。
                                                     表3
    时间 18：00 19：00 20：00 21：00 22：00 23：00 24：00
    温度(℃) 室外     10.2     10.1     9.9     9.8     8.6     8.3     8.1
无涂膜层     17.6     19.6     20.4     20.8     21.2     21.5     21.5
有涂膜层     17.3     18.9     19.3     19.7     19.9     19.9     20.1
从表3中可以看出，具有热梯度形成层铁板的散热效果较好。
本发明涉及一种利用新的散热理论的散热板，并且仅仅采用一种非常简单的加工通过层压成型形成热梯度就可以提高散热板的效率，因此，它可以被广泛使用，例如，用于提高冷却机、热交换器等的功率，防止能产生内热的仪器过热等。

Claims (5)

1、一种散热板，其特征在于，主要由一块金属板构成的散热板放置在高温区域和低温区域之间，用于从高温区域向低温区域散热，在所述金属板面向低温区域表面上层压一热梯度形成层，组成热梯度形成层的导热材料的热容积和辐射热吸收比所述金属板的小。
2、根据权利要求1所述的散热板，其中该热梯度形成层的热容积不超过该金属板的10％，辐射热吸收不超过该金属板的60％。
3、一种散热方法，其特征在于在高温区域和低温区域之间放置一块主要由其一表面上层压热梯度形成层的金属板构成的散热板，并使金属表面面向高温区域，使所述散热板面向低温区域的表面与冷流体接触从而实现散热，该热梯度形成层由一种导热材料组成并且其热容积和辐射热吸收比该金属板小。
4、根据权利要求3所述的散热方法，其中该热梯度形成层的热容积不超过相应金属板的10％，辐射热吸收不超过相应金属板的60％。
5、根据权利要求3或4所述的散热方法，其中该冷流体是冷空气或冷水。
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