專利名稱：散熱板以及用這種散熱板散熱的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種以新的理論為依據(jù)的散熱板以及使用這種散熱板的散熱的方法。在使用包括電氣用具，如電視機、計算機和發(fā)動機，汽車的發(fā)動機和散熱器，各種不同機械制造設備等期間產(chǎn)生的熱量使某一區(qū)域的溫度升高，而這種散熱板能高效地使這一區(qū)域的熱量擴散到低溫區(qū)域。
已知的從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域散熱以降低高溫區(qū)域溫度的方法包括用空氣或水通過具有好的導熱率的金屬板冷卻低溫區(qū)域側的方法，或者，換句話說，是空氣散熱法和水散熱法。
并且，為了提高金屬板的散熱效率，通常是把其面向低溫區(qū)域的表面作成粗糙的形狀，或者是在其表面安裝許多散熱片或散熱輔助體來提高與冷卻介質的接觸面積(official publication of Ja-panese Utility Model Kokai No.62-52770)，或者是在其表面形成一層水膜，利用水膜的汽化熱來加快散熱(official publicati-on of Japanese Patent Publication No.6-3335)等等。
然而，粗糙的表面形狀或是在表面安裝散熱片或散熱輔助件都存在著缺陷，即需要一道特殊的加工過程，此外，還有弄臟時麻煩的清潔工作，并且，對于這種表面需要光潔的部分是不適用的，因為利用汽化熱的方法需要特殊的設備在金屬表面形成水膜，所以在適用的范圍內它不能免于受限制。
已完成的本發(fā)明的目的在于提供一種建立在全新的理論基礎上的散熱板，其結構簡單，并且由于克服了目前使用的以空氣或水散熱的散熱板所存在的缺陷而具有高的散熱效率。
本發(fā)明人已經(jīng)通過放置在高溫區(qū)域和低溫區(qū)域之間的散熱板對高溫區(qū)域散熱的機理進行研究，所得到的結果如下。
結果是，當熱量通過輻射或對流傳到散熱板面向高溫區(qū)域的表面時，面向高溫區(qū)域的表面的熱量以傳導的方式傳給面向低溫區(qū)域的表面。并且，在面向低溫區(qū)域的表面通過與冷流體接觸把熱量傳到冷流體上。當組成散熱板的材料的總熱容積被降低到越來越小時，與冷流體接觸的散熱板的溫度更快降低。
當在散熱體面向低溫區(qū)域的表面上加上一層總熱容積小的散熱層時，于是，在該散熱層中，從散熱體傳來的熱和被冷流體帶走的熱之間保持一種平衡態(tài)，這樣，假設通過對流帶走的熱是相同的，那么與只有散熱板的情況相比，面向低溫區(qū)域表面的溫度降低更多，于是使熱從面向高溫區(qū)域的表面加快傳導過散熱板。
下面的數(shù)字公式表明了這種熱流動的狀態(tài)。
q＝α1(TI-T1)＝λ/L(T1-T2)＝α0(T2-T0)其中，q表示熱流量，α1是高溫區(qū)域中流體的導熱系數(shù)，α0是低溫區(qū)域中流體的導熱系數(shù)，Tr是高溫區(qū)域流體的溫度，T1是散熱板面向高溫區(qū)域的表面的溫度，T2是散熱板面向低溫區(qū)域的表面的溫度，T0是面向低溫區(qū)域的流體的溫度，λ是散熱板的導熱率，L是散熱板的厚度。
這個公式表明，熱從高溫區(qū)域的流體傳到散熱板面向高溫這邊的表面，然后以傳導的方式通過散熱板的內部，并且從散熱板面向低溫區(qū)域的表面?zhèn)鹘o低溫區(qū)域的流體。
另一方面，物體還要經(jīng)受由于太陽光入射，二次產(chǎn)生的遠紅外線等所傳導的熱，因此也有必要研究這些輻射熱的影響。順便說說，當放置在高溫區(qū)域和低溫區(qū)域之間的隔墻接收到輻射熱時，隔墻吸收輻射熱。因此，整個物體的溫度提高。并且，當面向低溫區(qū)域的表面由于與低溫區(qū)域的流體持續(xù)接觸而保持低溫時，其內部的溫度，例如在厚度方向接近中間的這部分，將保持有點上升的狀態(tài)，因此，隨著輻射熱的吸收，溫度持續(xù)升高，直到最后達到與高溫區(qū)域側溫度相同或更高的溫度，從而阻止熱從面向高溫度區(qū)域的表面流向面向低溫區(qū)域的表面。并且，這種趨勢在對輻射熱吸收大的物體中比在對輻射熱吸收小的物體中更顯著。
因此，甚至當在散熱板的低溫區(qū)域這邊提供一層比散熱板的總熱容積小的散熱層，如果該層所吸收的輻射熱比散熱板大時，因為從整體上講，輻射熱的吸收被相應提得很高，那么將更進一步地阻止熱從面向高溫帶的表面流向面向低溫帶的表面。
基于上述發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明人進行了更深入的研究，結果發(fā)現(xiàn)，當在一塊金屬板的一表面上層壓一層與金屬板相比熱容積和輻射熱吸收小的薄層而制成一種散熱板，并使薄層面向低溫區(qū)域放置這塊散熱板時，散熱效果與只有金屬板組成的散熱板相比大大提高，這樣也就完成了本發(fā)明。
也就是說，本發(fā)明提供一種散熱板，其特征在于主要由金屬板構成的散熱板被放置在高溫區(qū)域和低溫區(qū)域之間用于從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域擴散熱，并且在所說的金屬板面向低溫區(qū)域的表面上還有一層與所說的金屬板相比熱容積和輻射熱吸收小的導熱材料所組成的熱梯度形成層，同時本發(fā)明還提供一種散熱方法，其特征在于將散熱板放置在高溫區(qū)域和低溫區(qū)域之間，并使金屬表面面向高溫區(qū)域，同時使散熱板表面面向低溫區(qū)域并與冷流體接觸。
這里提到的熱容積，用Q表示，是用下列公式定義的參數(shù)。
Q＝V·d·C＝W·C其中，C是比熱，或者，也就是說每單位重量(g)的物質提高1℃所需的熱量(cal/g/℃)，d表示密度，或者，也就是說是物質單位體積(cm3)的重量(g)，V表示物質的總體積(cm3)，W是物質的總重量。上面提到的比熱C是每一種材料的屬性，盡管它隨溫度而不同，但在本發(fā)明中它的數(shù)值是在外面大氣溫度下用常規(guī)的測比熱的儀器測量得到的。
并且，這里提到的，輻射熱的吸收率是從熱源輻射的輻射溫度與輻射經(jīng)過一種特定材料后輻射溫度降低的比值，用百分數(shù)表示，特定材料中輻射熱吸收率X可以根據(jù)下列公式得到。
X＝(T-T′)/T×100其中，T是從熱源輻射的輻射溫度(℃)，T′是經(jīng)過該特定材料后從熱源輻射的輻射溫度(℃)。


圖1是本發(fā)明的散熱板結構的一例的橫截面放大示圖。
圖2是表示本發(fā)明的參考例中熱梯度形成層的功能的曲線圖。
圖3是表明本發(fā)明實施例1中散熱效果的曲線圖。
下面，參照附圖詳細描述本發(fā)明的具體實施方案。圖1是一例本發(fā)明的散熱板結構的橫截面的放大示圖，其中熱梯度形成層2層壓在金屬板1的一個表面上。并且，金屬板1面向溫度為TH的高溫區(qū)域放置，熱梯度形成層2面向溫度為TH的低溫區(qū)域放置。金屬板的材料可以在目前已知用作散熱板的材料的金屬和合金中任意選擇。
例如，純金屬可以是如鐵、鋁、銅、鎳、鉑、銀、金、鎢、鋅等，合金可以是如不銹鋼、黃銅、青銅、鉻-鎳合金、鋁-硅合金、鋁-錳合金、鎳-銅合金、鈦-鐵合金、鈦-鋁合金，等等。本發(fā)明的金屬板還可選擇性地用電鍍或氣相沉積等等提供一保護膜，或者，只要主要成份是這些金屬和合金之一，它還可經(jīng)受例如氧化處理等的表面處理。
通常，金屬板的厚度范圍是0.5～10mm，但是，當在某一大尺寸，例如大型鍋爐中使用時，其厚度可以增大，同樣在小型結構中使用時可以使厚度更小。
對金屬板的形狀沒有特別的限制，它可以被做成任何希望的形狀，例如方形、圓形、管狀、半球形、球形等，其表面也可加工成帶波紋的、粗糙的、有突起的等。
其次，用于層壓在這些金屬板的表面上、形成熱梯度的散熱層的材料包括不同于基板材料的金屬和合金，金屬化合物，例如金屬氧化物、金屬碳化物、金屬硼化物、金屬氮化物等，陶瓷，例如玻璃、各種不同的陶器材料等，以及如石墨等的無機材料，但是，塑料在利于調節(jié)熱容積和輻射熱吸收以及易于層壓在金屬板方面是特別令人滿意的。這樣的塑料可包括，例如高壓聚乙烯、低壓聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、乙烯-丙烯酸或-丙烯酸酯共聚物、含金屬的乙烯-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、聚對苯二甲酸乙二醇、ABS樹脂、聚酰胺、聚縮醛、碳氟樹脂、丙烯酸樹脂、甲基丙烯酸樹脂、聚碳酸酯、尿素樹脂、三聚氰胺樹脂、不飽和聚酯、硅氧烷樹脂、環(huán)氧樹脂等。這些塑料可選擇地與各種不同的常規(guī)使用的添加劑混合使用并且可以通過改變這些添加劑的種類、組合及添加量來調整熱容積和輻射熱吸收。它們可以單獨使用或者兩種或兩種以上混合使用。
本發(fā)明中金屬板和熱梯度形成層的層壓方法可以在以前用于把一種不同材料層壓在金屬板上的常規(guī)方法之中根據(jù)需要任意選擇，這些方法包括通過熱焊連接或粘接使預先加工成膜狀或片狀的散熱層貼在金屬板的表面并使之結合的方法；使塑料溶解在適當溶劑中，并涂或噴在金屬板上然后干燥、固化的方法等。
這樣，透明的熱梯度形成層被層壓在金屬板上，其厚度為1～1000μm，或者優(yōu)選地是10～500μm。
為了不破壞熱從散熱板面向高溫區(qū)域的表面向面向低溫區(qū)域的表面的流動，這些熱梯度形成層必須能導熱。因此，使用具有絕熱效果的材料或者如泡沫苯乙烯和泡沫氨基甲酸乙酯這類材料不是優(yōu)選的。
其次，在本發(fā)明中，熱梯度形成層的熱容積和輻射熱吸收必須比金屬板的小，特別有利地是熱容積不超過金屬板的10％，或者優(yōu)選地不超過5％，輻射熱吸收不超過金屬板的60％，或者，優(yōu)選地不超過50％。
在圖1的示例中，熱梯度形成層是單一層，但是，在本發(fā)明中，這種熱梯度形成層還可選擇為多層的。在這種情況下，除要滿足直接層壓在金屬板上面的熱梯度形成層的熱容積和輻射熱吸收要比金屬板的小之外，還要滿足面向金屬板的熱梯度形成層的熱容積和輻射熱吸收要比相反方向一側的熱梯度形成層的大。并且，最好是具有這樣的結構，即最外面熱梯度形成層，或者，也就是說，構成面向低溫區(qū)域表面的熱梯度形成層的熱容積不超過金屬板的10％，或優(yōu)選地不超過5％，輻射熱吸收不超過金屬板的60％，或優(yōu)選地不超過50％。
在本發(fā)明中，對熱梯度形成層熱容積的低限沒有特別限制，甚至當比例小到0.01％時，也能具有足夠效果。至于輻射熱吸收，當它降低至越來越小而熱流變得流暢，自然而然就得到好的結果。
當高溫區(qū)域通過使用這種散熱板進行散熱時，帶有面向里的金屬板的這種散熱板就形成高溫區(qū)域的全部或部分隔墻，并且通過在面向低溫區(qū)域表面上通冷流體如空氣或水來帶走表面上的熱量，從而完成散熱。在這種情況下，為了促進散熱，同時可選擇采用常規(guī)使用的手段，通過形成粗糙表面或在表面裝上散熱片來擴大與冷流體接觸面積的方法，在表面上吹空氣為加快熱排出的方法以及在表面形成一層水膜而通過它的汽化熱來加快散熱的方法。
由此可見，它可以滿意地用于防止原子反應堆和發(fā)電機過熱，防止汽車散熱器過熱，提高冰箱的效率，提高熱交換器的熱交換效率，擴散電視機內部產(chǎn)生的熱等。
下面，用實施例進一步詳細描述本發(fā)明。
參考例準備三塊各為50cm長50cm寬1mm厚的方形鐵板，(熱容積216.4cal/℃，輻射熱吸收率98％)，然后在它們一面的橫向的一半面積上分別層壓厚度為113μm，68μm和18μm的聚氯乙烯作為熱梯度形成層，它們的熱容積分別是鐵板熱容積的5.0％、3.0％和0.8％。
接著，在與裝有熱梯度形成層表面相反的表面上，用紅外線燈產(chǎn)生均勻輻射加熱，當溫度上升到60℃時，停止這種輻射，并記錄降溫時間間隔內每個表面的溫度變化。結果見圖2。在圖2中，A代表只有鐵板的溫度變化，B代表層壓厚度為113μm聚氯乙烯的，C代表厚度為68μm的，D代表厚度為18μm的。
從圖2中可以看出，通過提供熱梯度形成層可以促進散熱。
實施例1準備兩個由5mm厚的泡沫苯乙烯板制成的只有一敞開側表面的立方體盒子(50×50×50cm)，其中，在一只盒子敞開側固定由1mm厚鐵板單獨組成的散熱板(A)(熱容積216.4cal/℃，輻射熱吸收度98％)，另一只盒子敞開側固定散熱板(B)，散熱板(B)是在鐵板朝外的表面上再形成一層5μm厚的甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸乙酯-苯乙烯共聚物(熱容積0.5cal/℃，輻射熱吸收1.9％)的涂膜層。
接著，從外部持續(xù)加熱這些盒子使內部溫度升到63℃，然后用放置在距散熱板1.2m遠的空調向散熱板吹16℃的冷空氣進行散熱。在時間間隔內測量盒子內部溫度，結果見圖3，虛線是(A)的曲線圖，實線是(B)的曲線圖。
從圖3可以看出，在鐵板上提供熱梯度形成層可以促進散熱。
實施例2準備兩個同實施例1的由泡沫苯乙烯制成的盒子，其中，在一只盒子的敞開側固定一塊僅由鍍鋅的可買到的1mm厚鐵板(熱容積216.4cal/℃，輻射熱吸收率95％)制成的散熱板，在另一只盒子的敞開側也固定一塊散熱板，該散熱板是在這樣的鐵板朝外的表面上提供一層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層。
接著，把這些盒子放在溫度20℃的房間內，每只盒子都用覆蓋黑布的125瓦紅外燈從內部同時加熱，并記錄一段時間間隔內內部溫度的變化。結果見表1。
表1 注意)表中，X1是鐵板的熱容積X2是涂膜層的熱容積從表1中可以看出，使用具有熱梯度形成層的散熱板可以提高散熱效果，并且，當熱梯度形成層的熱容積不超過金屬板的10％時，散熱板具有特別好的散熱效果。
實施例3準備一塊散熱板，該散熱板是在可買到的1mm厚鐵板(熱容積126.4cal/℃，輻射熱吸收率98％)上層壓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(熱容積0.5cal/℃，輻射熱吸收率1.9％)的涂層，使這塊散熱板覆蓋并固定在泡沫苯乙烯制成的盒子(50×50×50cm)的整個敞開側，同時使金屬板面向里，然后放置在室外，暴露在陽光下，測量內部溫度變化。
同時，為了比較，還并排放置一只在整個敞開側只覆蓋并固定鐵板的相同盒子，并且，測量內部溫度變化。結果見表2。
表2試樣 散熱板 內部溫度(℃)編號 種 類 初始 2分鐘 4分鐘 6分鐘 8分鐘 10分鐘 12分鐘以 后 以 后 以 后 以 后 以 后 以 后1層 壓36 41.7 42.5 43.5 43.0 43.643.5結 構2非層壓36 42.6 45.0 45.5 45.0 45.545.6結 構從表2可以看出，甚至在從外加熱的情況下，使用帶有熱梯度形成層的散熱板也能提高散熱效果。
實施例4使用一幢十一層鋼筋混凝土建筑物第8層的體積相同且開口(窗戶)尺寸相同的房間，在一間房子的開口上安裝一塊鐵板，這塊鐵板是在可買到的1mm厚鍍鋅鐵板(熱容積216.4cal/℃，輻射熱吸收率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厚涂層而構成的，并且安裝時使涂層表面面向外面大氣。在另一房間的開口上安裝另一塊沒有涂層的鐵板。
晚上，在沒有陽光入射期間，在房間內用功率為2300cal/h的熱空氣室內加熱器加熱時，記錄時間間隔內的室內溫度變化。
這里，每個房間的體積是17.25m3，開口面積是1.40m2。
涂層膜的熱容積與鐵板熱容積的比例大約是0.23％。結果見表3。
表3
從表3中可以看出，具有熱梯度形成層鐵板的散熱效果較好。
本發(fā)明涉及一種利用新的散熱理論的散熱板，并且僅僅采用一種非常簡單的加工通過層壓成型形成熱梯度就可以提高散熱板的效率，因此，它可以被廣泛使用，例如，用于提高冷卻機、熱交換器等的功率，防止能產(chǎn)生內熱的儀器過熱等。
權利要求
1.一種散熱板，其特征在于，主要由一塊金屬板構成的散熱板放置在高溫區(qū)域和低溫區(qū)域之間，用于從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域散熱，在所述金屬板面向低溫區(qū)域表面上層壓一熱梯度形成層，組成熱梯度形成層的導熱材料的熱容積和輻射熱吸收比所述金屬板的小。
2.根據(jù)權利要求1所述的散熱板，其中該熱梯度形成層的熱容積不超過該金屬板的10％，輻射熱吸收不超過該金屬板的60％。
3.一種散熱方法，其特征在于在高溫區(qū)域和低溫區(qū)域之間放置一塊主要由其一表面上層壓熱梯度形成層的金屬板構成的散熱板，并使金屬表面面向高溫區(qū)域，使所述散熱板面向低溫區(qū)域的表面與冷流體接觸從而實現(xiàn)散熱，該熱梯度形成層由一種導熱材料組成并且其熱容積和輻射熱吸收比該金屬板小。
4.根據(jù)權利要求3所述的散熱方法，其中該熱梯度形成層的熱容積不超過相應金屬板的10％，輻射熱吸收不超過相應金屬板的60％。
5.根據(jù)權利要求3或4所述的散熱方法，其中該冷流體是冷空氣或冷水。
全文摘要
一種以新的熱梯度理論為依據(jù)的散熱板以及使用這種散熱板散熱的方法。并且，這種使用時被放置在高溫區(qū)域和低溫區(qū)域之間的散熱板由一塊金屬板和一熱梯度形成層組成，熱梯度形成層被層壓在金屬板表面并面向低溫區(qū)域放置，這種熱梯度形成層由一種熱容積和輻射吸收比金屬板小的導熱材料制成。
文檔編號F28F13/18GK1130440SQ94193248
公開日1996年9月4日 申請日期1994年9月2日 優(yōu)先權日1993年9月3日
發(fā)明者鯨井由美子, 鯨井正見, 鯨井幸夫 申請人:株式會社世久途化學