[发明专利]一种基于三维拓扑优化的散热器冷却通道设计方法

说明书

本发明公开了一种基于三维拓扑优化的散热器冷却通道设计方法，根据功率器件的散热特性及要求，构建设计域的几何模型，确定通道入口独立变量与边界条件；以共轭传热分析为基础，以热目标最优化和流体功率耗散最小化为加权目标，以冷却液体积分数为约束，同时考虑通道最小尺寸约束，建立三维热流系统拓扑优化模型；对三维拓扑优化结果进行光滑化处理，提取模型进行分析验证。本发明采用三维拓扑优化方法，充分考虑功率器件的散热特性，提高了散热器冷却通道设计的准确性和效率。

技术领域

本发明属于电子设备热设计领域，具体涉及基于三维拓扑优化的散热器冷却通道设计方法。

背景技术

随着高性能电子设备技术的不断发展及其组件集成度的不断提高，高热流密度和狭小散热空间导致的散热问题也日益凸显。据统计，电子设备失效率有55％是由于温度超过电子设备规定壳体温值而引起的。因此，为了保证电子设备工作的可靠性和稳定性，高效可靠的散热系统设计必不可少。气/液冷通道散热器作为一种十分重要的散热工具，在电子设备热控制中有着广泛应用。

在传统散热器设计中，一般是依靠经验设计而存在随机性、设计周期不确定、设计结果不一定为最佳等缺点。冷却通道的拓扑结构往往决定了散热器换热性能的好坏，因此新型高效的通道分布形式成为当前的研究重点。将拓扑优化方法应用于共轭传热系统中解决散热器冷却通道设计问题，能够准确地找到最佳散热路径，从而最大程度地提高散热效率。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于三维拓扑优化的散热器冷却通道设计方法，将三维拓扑优化方法直接应用于散热器冷却通道结构的拓扑优化设计中，能够合理、准确、快速获得冷却通道的拓扑结构形式，简化散热器设计流程并实现高效散热。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种基于三维拓扑优化的散热器冷却通道设计方法，包括如下步骤：

(1)根据电子器件的工作状态，确定生热源Q的分布情况和散热器的边界条件和模型尺寸参数；

(2)根据冷却泵的输出特性，确定散热器通道入口的独立参数和选用的冷却液热属性参数；

(3)根据电子器件的热控目标以及功率密度、模型尺寸参数以及散热器的入口独立参数，建立三维拓扑优化的几何模型和数学模型；

(4)根据三维拓扑优化数学模型，选择优化求解器进行分析求解，获得最优化的散热器冷却通道的直接三维拓扑结构；

(5)根据优化所得的通道直接三维拓扑结构，对其进行光滑化处理，提取拓扑边界，建立优化的散热器三维几何模型；

(6)根据散热器的三维几何模型，设置入口边界条件和热边界条件，进行网格划分，建立散热器的有限元模型；

(7)基于共轭传热分析方法，采用商业CFD软件分析求解功率器件温度场、冷却通道速度场和压力场分布；

(8)根据功率器件的温度场分布，计算器件平均温度值、最高温度值，判断是否满足散热要求，若满足，采用此散热器设计方案；否则修改冷却通道几何参数和拓扑优化相关控制因子，重复步骤(4)～(8)，直至满足要求。

对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：

进一步，所述步骤(1)中，所确定的生热源Q的分布情况包括生热源的位置、形式和数值大小信息；其中，热源形式为温度或热流密度；

所确定的散热器的边界条件为已知散热器边界处的温度或热流密度信息；

所确定的模型尺寸参数包括长L、宽W和高H。