一种传热结构仿生分层生长方法技术

本发明专利技术公开了一种传热结构仿生分层生长方法，按照以下步骤生成传热结构：1)选定具有初始宽度的矩形结构为初始导热通道；2)在设计区域的热沉区域布置主导热通道的起点，并按照考虑温度信息的空间殖民算法确定主导热通道的终点，按照初始宽度生成所述主导热通道；3)布置至少一条所述主导热通道，并使所有主导热通道的体积分数上限符合叶脉层序体积规律；4)按照热阻最小原理生成连接于已有导热通道上的具有初始宽度的次导热通道；5)按照改进的Murray法则更新所有通道的宽度；6)计算所有导热通道的体积，当体积达到设定的总体积上限时，停止导热通道的生长，完成设计；否则返回步骤4)继续生长次导热通道，方案简单易实现。

【技术实现步骤摘要】
一种传热结构仿生分层生长方法
本专利技术涉及一种电子器件传热结构的生成方案，尤其涉及一种传热结构仿生分层生长方法。
技术介绍
随着技术发展，电子产品体积减小，内部元件数量和功耗增加，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，因此高效散热是电子产品进一步发展的核心关键。由于生热量大，而散热空间有限，直接对电子产品进行强制对流散热的传统方式难以实现。满足小空间、高散热效率以及低成本三者之间平衡的一个有效途径是将由高导热材料形成的传热结构敷设于电子元器件的基板表面或直接插入基板内部，通过传热结构将工作时产生的热量快速传导至外部环境，再进一步散热，从而有效解决电子产品的散热问题。传热结构中传热通道布局的合理与否直接决定其导热效率，进一步决定了产品的可靠性与工作寿命，因此研究传热结构的通道合理布局提升其传热性能，是很有必要的。目前，针对传热结构的通道布局主要是采用经验设计和类比设计，难以应对复杂热边界条件；而使用拓扑优化方法设计得到传热结构通道形态太过复杂，设计结果中不含几何信息，在实际应用中十分困难；此外现有仿生设计方法对仿照对象的特征与规律研究不足，得到的传热结构存在形态过于简单或传热能力不佳的问题。通过对自然分支结构深入研究，充分应用其特征与规律，可以在给定高导热材料体积分数上限的情况下，得到与自然分支结构形态相似且传热性能更优的传热结构，这在电子器件散热中具有重要的应用价值。为了解决对于小体积条件下可以快速将产生的热量最快速度导出的要求，优化得到一种简单又有效的低成本传热结构及其生成方案是非常必要的，也是本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是提供一种高效导热的传热结构生成方案与传热结构，与如何通过仿生型设计实现成本和加工难度最小的技术难题。为实现上述目的，本专利技术提供了传热结构仿生分层生长方法，按照以下步骤生成传热结构：1)选定具有初始宽度的矩形结构为初始导热通道；2)在设计区域的热沉区域布置主导热通道的起点，并按照考虑温度信息的空间殖民算法确定主导热通道的终点，按照初始宽度生成所述主导热通道；3)布置至少一条所述主导热通道，并使所有主导热通道的体积分数上限符合叶脉层序体积规律；4)按照热阻最小原理生成连接于已有导热通道上的具有初始宽度的次导热通道；5)按照改进的Murray法则更新所有通道的宽度；6)计算所有导热通道的体积，当体积达到设定的总体积上限时，停止导热通道的生长，完成设计；否则返回步骤4)继续生长次导热通道。进一步地，所述考虑温度信息的空间殖民算法为，离散设计区域，获得设计区域的温度峰值点，给定预设距离d，将以温度峰值点为中心的预设距离d内所有点与热沉区域的起点相连接，构成多组向量，得到满足式(1)的主导热通道终点p’：式中，p为起点；S(s)为设计域内温度峰值点及距离该点预设距离d范围内的所有点的集合；Ts为集合S(s)中s点的温度信息，为S(s)中所有点的平均温度信息。进一步地，如权利要求1所述的传热结构仿生分层生长方法，其特征在于，主导热通道的体积分数上限按照叶脉层序体积规律布置为：γ＝a1-a2+log(A)(b1-b2)(3)式中，A表示设计域面积；φ为所有导热通道的体积分数上限值；表示主导热通道体积分数的上限值；a1、b1与a2、b2分别为相关参数值，分别取-2.64,0.279与-2.09,0.16。进一步地，以任意已有导热通道作为当前母通道并建立局部坐标，当前母通道的起点为原点，起点指向终点方向为x正方向，按式(4)获得多组当前子通道的起点式中，n表示当前子通道的序号；n-1表示当前母通道的序号；wn与wn-1分别表示子通道与母导热通道的宽度；xe与ye表示子通道终点，即温度峰值点在局部坐标系下的横坐标与纵坐标值；xs为当前子导热通道起点的横坐标。进一步地，多组子通道对应传热结构的热阻按照式(5)进行计算，并选择使热阻最小的一组子通道布置为次导热通道：式中，ri，Li，ki，hi，wi分别表示第i根通道的热阻、长度、导热系数、高度以及宽度。进一步地，每次完成所述次导热通道布置后，所述导热通道宽度满足改进的Murray法则，按照式(6)更新传热结构内所有通道的宽度：w12＝w22+w32(6)式中w1为传热结构中二叉结构的母通道宽度，w2和w3分别为两个子通道宽度。在本专利技术的较佳实施方式中，本方案将所述的电子器件传热结构构成的基本单元选择为矩形结构，保证了成型基本单元的简便性，并将主导热通道和次导热通道分别依次布置，主导热通道先于次导热通道布置，保证了所有主导热通道能够占据更多的比例，从而保证了散热的高效性，而后在已有导热通道上布置不同数量的次导热通道，并将次导热通道的终点设置在温度峰值点，保证了设计区域的热量能够最快速被传递入主导热通道内，实现了整个结构的高效散热效果和低成本优势。在本专利技术的另一较佳实施方式中，所述的主导热通道按照考虑温度信息的空间殖民算法确定主通道的终点，其起始点为热沉点(热沉点为温度最低的散热边界点，例如利用水冷或者空气冷却时接触冷源能将热量持续带走的点或者区域)，在完成所有的主导热通道布置之后再进行次导热通道的布置，次导热通道按照热阻最小的方案布置，保证了次导热通道不会产生严重的热量累积效应，并且按照叶脉的层序体积规律确定主导热通道和次导热通道的比重，在完成次通道生长后，按照适合于矩形传热通道的改进Murray法则更新通道宽度，保证了热量可以最小能量损失的方式传导至热沉处。设计中既考虑了简单原则也借鉴了生物特性，使得整个传热结构布置更合理。本专利技术在布局时采用不同的比例范围实现对于主导热通道进行优先化布局类似于树干的生长，实现了整个传热结构的基层最优化布局，在次导热通道上同样利用热阻最小原理生成下一级次导热通道，甚至更下一级的次导热通道，实现对于整个设计区域热量的最快速度导出效果。以下将结合附图对本专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本专利技术的目的、特征和效果。附图说明图1是依照本专利技术传热结构问题基本单元简化过程图；图2是本专利技术应用的一个具体实施例的示意图；图3是本专利技术应用的具体实施例中一个主导热通道生成示意图；图4是本专利技术应用的具体实施例中优先生成的多个主导热通道的示意图；图5是本专利技术应用的具体实施例中次导热通道生成的示意图；图6是本专利技术应用的具体实施例中次导热通道宽度更新后的结构图；图7是本专利技术应用的具体实施例中所有导热通道顺次生成后的结构图；图8是利用现有的SIMP法所构造的复杂的传热结构。具体实施方式以下参考说明书附图介绍本专利技术的多个优选实施例，使其
技术实现思路
更加清楚和便于理解。本专利技术可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本专利技术的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本专利技术并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。如图1所示的通道几何形状形成过程，将传热结构的形成过程看成为一定数量的传热通道的装配过程，该装配过程如图1所示。传热结构装配中的每本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种传热结构仿生分层生长方法，其特征在于，按照以下步骤生成传热结构：1)选定具有初始宽度的矩形结构为初始导热通道；2)在设计区域的热沉区域布置主导热通道的起点，并按照考虑温度信息的空间殖民算法确定主导热通道的终点，按照初始宽度生成所述主导热通道；3)布置至少一条所述主导热通道，并使所有主导热通道的体积分数上限符合叶脉层序体积规律；4)按照热阻最小原理生成连接于已有导热通道上的具有初始宽度的次导热通道；5)按照改进的Murray法则更新所有通道的宽度；6)计算所有导热通道的体积，当体积达到设定的总体积上限时，停止导热通道的生长，完成设计；否则返回步骤4)继续生长次导热通道。

【技术特征摘要】
1.一种传热结构仿生分层生长方法，其特征在于，按照以下步骤生成传热结构：1)选定具有初始宽度的矩形结构为初始导热通道；2)在设计区域的热沉区域布置主导热通道的起点，并按照考虑温度信息的空间殖民算法确定主导热通道的终点，按照初始宽度生成所述主导热通道；3)布置至少一条所述主导热通道，并使所有主导热通道的体积分数上限符合叶脉层序体积规律；4)按照热阻最小原理生成连接于已有导热通道上的具有初始宽度的次导热通道；5)按照改进的Murray法则更新所有通道的宽度；6)计算所有导热通道的体积，当体积达到设定的总体积上限时，停止导热通道的生长，完成设计；否则返回步骤4)继续生长次导热通道。2.如权利要求1所述的传热结构仿生分层生长方法，其特征在于，所述考虑温度信息的空间殖民算法为，离散设计区域，获得设计区域的温度峰值点，给定预设距离d，将以温度峰值点为中心的预设距离d内所有点与热沉区域的起点相连接，构成多组向量，得到满足式(1)的主导热通道终点p’：式中，p为起点；S(s)为设计域内温度峰值点及距离该点预设距离d范围内的所有点的集合；Ts为集合S(s)中s点的温度信息，为S(s)中所有点的平均温度信息。3.如权利要求1所述的传热结构仿生分层生长方法，其特征在于，主导热通道的体积分数上限按照叶脉层序体积规律布置为：γ＝a1-a2+log...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁晓红，季懿栋，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31