[發明專利]仿生熱流通道設計方法

有效

• 申請號: 201710373075.8
• 申請日: 2017-05-24
• 公開（公告）號: CN107066765B
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 丁曉紅;季懿棟;李昊
• 申請（專利權）人: 上海理工大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 吳寶根

本發明涉及一種仿生熱流通道設計方法，根據設計對象的外形尺寸，建立設計用的體?點分析模型，包括根據實際工況，為設計域施加熱源及熱邊界條件，為熱沉點施加溫度條件，為設計域賦予低導熱材料；再根據自然界中分支系統形態的成長機理，如植物根系，使敷設熱流通道的設計過程模擬植物根系的生長過程，從而設計出最優的熱流通道布局。本發明直接模擬自然界分支系統的生長原理，設計出具有最小熱阻的熱流通道分布，從而達到提升傳熱性能的效果。本發明與常見的熱流通道布局設計方法相比，算法簡單，方便制造，可適用于復雜熱條件問題。

技術領域

本發明涉及一種電子器件散熱技術，特別涉及一種在電子器件中的仿生熱流通道設計方法。

背景技術

隨著技術發展，電子產品體積減小，內部元件數量增加，電子器件工作時產生的熱量急劇增大。能否將工作時產生的熱量及時散去，決定了該類產品的可靠性和工作壽命，因而高效散熱是該類產品進一步發展的核心關鍵。由于生熱量大同時散熱空間有限，對電子產品進行強制對流散熱的傳統方式已無法滿足實際散熱的要求，解決該問題的有效途徑是將用高導熱材料形成的熱流通道敷設于電子元器件表面或直接嵌入元器件內部，將熱量快速傳導至外界環境，從而有效解決空間限制和散熱效率的問題。熱流通道布局的合理設計是提高導熱效率的關鍵。因此研究熱流通道的合理布局，從而提升導熱性能是很有必要的。

目前，傳統熱流通道布局基本是采用經驗設計和類比設計，難以實現復雜熱邊界條件下的最優布局。而使用各類拓撲優化方法得到的布局太過復雜，在實際應用與加工中十分困難。

發明內容

本發明是針對復雜熱條件下電子器件中熱流通道布局設計存在的問題，提出了一種仿生熱流通道設計方法，根據自然界分支系統的形態成長機理，如植物根系，使敷設熱流通道的設計過程模擬植物根系的生長過程，從而設計出最優的熱流通道布局。

本發明的技術方案為：一種仿生熱流通道設計方法，具體包括如下步驟：

1)、根據設計對象的外形尺寸，建立設計用的體-點分析模型，包括根據實際工況，為設計域施加熱源及熱邊界條件，為熱沉點施加溫度條件，為設計域賦予低導熱材料；

2)、生長主熱流通道：以熱沉點為起點，沿溫度梯度最大方向形成主熱流通道，并用導熱系數高的材料填充主熱流通道；

3)、逐次生長次熱流通道：對已生長熱流通道的設計對象進行有限元熱分析，找到設計域內溫度最高的點，以該點為圓心，以一定值為半徑作球面，選擇該球面內的某一通道為候選母枝，該母枝需保證其上的點和溫度最高點相連的候選子枝不與已有的通道交叉，以候選母枝上的兩個黃金分割點為次熱流通道候選的起點，兩個黃金分割點分別為0.618l和0.382l，l為候選母枝的長度，以設計域溫度最高點為次熱流通道的終點，按照下式分別計算各個候選通道下的結構總熱阻，選擇結構總熱阻最小的黃金分割點為實際起點，

式中，n表示熱流通道的個數；D_i和L_i分別是第i個熱流通道的寬度與長度；

4)、按照下式，從末枝開始，更新上一級寬度，一級級更新，直到更新所有已經生成的熱流通道的寬度，

式中，D_1j、D_2j表示第j級分支的兩個子枝的寬度，D_3j表示兩個子枝對應的母枝的寬度；λ為寬度系數；v為當前結構的總體積；α為體積給定值，用高導熱材料填充更新后的次熱流通道；

5)、當生成的所有熱流通道的體積達到上限值φ或者生成分枝前后兩步最高溫度之差與當前步最高溫度之比小于給定值，則停止次枝生長，否則重復步驟3)-4)。

所述步驟4)中體積給定值α比φ小5％；φ為預先設定的結構總熱流通道體積上限。