[發明專利]一種高熱流短時工作平臺相變溫控組件翅片結構設計方法

有效

• 申請號: 202110135016.3
• 申請日: 2021-02-01
• 公開（公告）號: CN112800558B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發明（設計）人: 李寶童;劉宏磊;張路寬;劉策;洪軍
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/23;G06F30/27;G06F111/10;G06F119/08
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賀建斌

一種高熱流短時工作平臺相變溫控組件翅片結構設計方法，先定義設計工況，設計導熱通道，通過模擬植物葉片葉脈的生長來設計導熱通道的結構布局，導熱通道由點熱源向相變材料內部延伸，形成導熱增強網絡；然后進行材料重構，采用競爭機制對導熱通道單元進行篩選；再進行導熱通道數學優化模型，以導熱分歧網格結構總火積耗散最低為優化目標函數，以高導熱材料的體積耗散為約束條件，迭代優化獲得滿足材料用量最優導熱結構；最后進行適應性處理，按照生產工藝要求圓整導熱率提升結構分叉布局，從而獲得導熱結構最終布局；本發明在保證相變材料儲能能力的同時提升其導熱率，增強熱量在材料中的傳遞，使相變材料得以更好的發揮儲能作用。

技術領域

本發明涉及相變材料導熱率提升設計技術領域，特別涉及一種高熱流短時工作平臺相變溫控組件翅片結構設計方法。

技術背景

散熱問題是制約高熱流短時工作設備性能提升的重要因素之一，使用相變材料進行熱量耗散是一種成本低廉且應用廣泛的方法。相變材料在相變過程中可以吸收大量潛熱，而不會引起溫度升高，然而普通相變材料(如石蠟)的導熱率較低，在實際應用中吸熱效率并不理想，限制了高性能電子設備進一步提升工作效能的潛力，甚至造成因熱量積聚導致設備過熱而失效的問題；宏觀尺度下，在相變材料中插入高效導熱分歧網格是一種行之有效的方法，可大幅提高相變材料的熱響應效率。

現今常用的高效導熱分歧網格包括泡沫金屬和金屬翅片兩種；泡沫金屬的制備過程復雜且制備效率較低，并且無法對泡沫金屬的結構參數進行有效控制和調整，加之孔隙率的不同對其導熱率有極大影響，泡沫金屬難以有效提升相變材料的導熱率；金屬翅片的制備過程則相對簡單，但目前對于導熱金屬翅片形狀和拓撲結構的設計大多是未加設計甚至是主觀確定的；因此，當前的高效導熱分歧網格設計方法難以滿足當前增強相變材料導熱率的要求。

發明內容

為了克服上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種高熱流短時工作平臺相變溫控組件翅片結構設計方法，在保證相變材料儲能能力的同時提升其導熱率，增強熱量在材料中的傳遞，使相變材料得以更好的發揮儲能作用。

為了達到上述目標，本發明采取的技術方案是：

一種高熱流短時工作平臺相變溫控組件翅片結構設計方法，包括以下步驟：

1)定義設計工況：

以熱控裝置內充斥相變材料的區域為設計域，其周邊為絕熱邊界，固定點熱源于設計域的邊界，設計域的總面積為V_D，整體的高導熱材料體積分數的限制為β₀；

2)設計導熱通道：

通過模擬植物葉片葉脈的生長來設計導熱通道的結構布局，導熱通道由點熱源向相變材料內部延伸，形成導熱增強網絡：

2.1)優化模型：

單個生長單元分別使用角度θ，長度L和寬度w來描述其方向和形狀，以增加設計域散熱效果為優化目標，等效的數學模型為：

上式中，θ_i^(k),L_i^(k)及w_i^(k)分別為第k次優化迭代新生長單元i的生長方向、長度及寬度；n^(k)為第k次優化迭代中新生長單元總數；L_low及L_upp為單個生長單元的長度上、下限；w_low及w_upp為單個生長單元的寬度上、下限；V(θ,L,w)為高導熱材料使用體積，V_upp^(k)為第k次迭代中高導熱材料用量上限；J為目標函數；

以熱源位置為初始生長點并萌發主脈單元，進而生成次脈與三級脈單元，單元首尾相接生成導熱通道；

2.2)生成分支：