[发明专利]仿生热流通道设计方法

说明书

本发明涉及一种仿生热流通道设计方法，根据设计对象的外形尺寸，建立设计用的体‑点分析模型，包括根据实际工况，为设计域施加热源及热边界条件，为热沉点施加温度条件，为设计域赋予低导热材料；再根据自然界中分支系统形态的成长机理，如植物根系，使敷设热流通道的设计过程模拟植物根系的生长过程，从而设计出最优的热流通道布局。本发明直接模拟自然界分支系统的生长原理，设计出具有最小热阻的热流通道分布，从而达到提升传热性能的效果。本发明与常见的热流通道布局设计方法相比，算法简单，方便制造，可适用于复杂热条件问题。

技术领域

本发明涉及一种电子器件散热技术，特别涉及一种在电子器件中的仿生热流通道设计方法。

背景技术

随着技术发展，电子产品体积减小，内部元件数量增加，电子器件工作时产生的热量急剧增大。能否将工作时产生的热量及时散去，决定了该类产品的可靠性和工作寿命，因而高效散热是该类产品进一步发展的核心关键。由于生热量大同时散热空间有限，对电子产品进行强制对流散热的传统方式已无法满足实际散热的要求，解决该问题的有效途径是将用高导热材料形成的热流通道敷设于电子元器件表面或直接嵌入元器件内部，将热量快速传导至外界环境，从而有效解决空间限制和散热效率的问题。热流通道布局的合理设计是提高导热效率的关键。因此研究热流通道的合理布局，从而提升导热性能是很有必要的。

目前，传统热流通道布局基本是采用经验设计和类比设计，难以实现复杂热边界条件下的最优布局。而使用各类拓扑优化方法得到的布局太过复杂，在实际应用与加工中十分困难。

发明内容

本发明是针对复杂热条件下电子器件中热流通道布局设计存在的问题，提出了一种仿生热流通道设计方法，根据自然界分支系统的形态成长机理，如植物根系，使敷设热流通道的设计过程模拟植物根系的生长过程，从而设计出最优的热流通道布局。

本发明的技术方案为：一种仿生热流通道设计方法，具体包括如下步骤：

1)、根据设计对象的外形尺寸，建立设计用的体-点分析模型，包括根据实际工况，为设计域施加热源及热边界条件，为热沉点施加温度条件，为设计域赋予低导热材料；

2)、生长主热流通道：以热沉点为起点，沿温度梯度最大方向形成主热流通道，并用导热系数高的材料填充主热流通道；

3)、逐次生长次热流通道：对已生长热流通道的设计对象进行有限元热分析，找到设计域内温度最高的点，以该点为圆心，以一定值为半径作球面，选择该球面内的某一通道为候选母枝，该母枝需保证其上的点和温度最高点相连的候选子枝不与已有的通道交叉，以候选母枝上的两个黄金分割点为次热流通道候选的起点，两个黄金分割点分别为0.618l和0.382l，l为候选母枝的长度，以设计域温度最高点为次热流通道的终点，按照下式分别计算各个候选通道下的结构总热阻，选择结构总热阻最小的黄金分割点为实际起点，

式中，n表示热流通道的个数；D_i和L_i分别是第i个热流通道的宽度与长度；

4)、按照下式，从末枝开始，更新上一级宽度，一级级更新，直到更新所有已经生成的热流通道的宽度，

式中，D_1j、D_2j表示第j级分支的两个子枝的宽度，D_3j表示两个子枝对应的母枝的宽度；λ为宽度系数；v为当前结构的总体积；α为体积给定值，用高导热材料填充更新后的次热流通道；

5)、当生成的所有热流通道的体积达到上限值φ或者生成分枝前后两步最高温度之差与当前步最高温度之比小于给定值，则停止次枝生长，否则重复步骤3)-4)。

所述步骤4)中体积给定值α比φ小5％；φ为预先设定的结构总热流通道体积上限。