一种多热源的相变冷板及其设计工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种多热源的相变冷板及其设计工艺，涉及电子元器件散热技术领域，包括如下步骤：

【技术实现步骤摘要】
一种多热源的相变冷板及其设计工艺


[0001]本专利技术涉及电子元器件散热
，更具体的是涉及多热源的相变冷板及其设计工艺

。

技术介绍

[0002]随着弹载平台电子设备向着小型化
、
轻量化发展，电子设备的集成度更高，空间更加紧凑，加上智能化及高速图像处理等需求的提升，需要采用高性能多核处理芯片，电子设备功耗增大，面临着更加严酷的散热需求，尤其在弹载平台无法使用风冷
、
液冷等强迫冷却手段进行散热，设备本身只能依靠自身结构件热沉进行热疏导
。
结构件常用的金属材料具有较强的导热能力，但在尺寸与重量的约束下，其热沉容量往往不够
。
[0003]弹载电子设备通常具备短时高功耗的特点，全功耗时间短
。
目前对于短时工作的弹载电子设备越来越多地使用相变材料作为热沉材料进行储热散热
。
相变材料一般采用石蜡
、
脂肪酸作为主要成分，具有价格低廉
、
容易获得
、
储热密度大
、
稳定性好等特点
。
然而相变材料通常导热系数低，换热效率差，通常需要利用高导热材料，设计有效的导热路径，使之能够迅速地收集产生的热量，并最大程度的被相变材料吸收
。
[0004]目前研究中热疏导结构的主要形式为导热肋片，肋片具有形式简单易于加工等特点，但其与多热源分布的匹配程度不够，未充分利用相变冷板的潜力
。
随着
3D
打印技术的出现与成熟，越来越多的具有针对性的定制化设计得以实现，但目前针对多热源相变冷板的设计缺乏行之有效的方案
。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于：为了解决现有多热源相变冷板的设计缺乏行之有效的方案技术问题，本专利技术提供一种多热源的相变冷板及其设计工艺
。
结合拓扑优化算法与增材制造技术特点，使得相变冷板在满足热设计要求的情况下，尽可能的降低冷板重量与体积，充分适配热源分布，并挖掘相变冷板的潜力
。
[0006]本专利技术为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
[0007]本专利技术提供一种多热源的相变冷板的设计工艺，包括如下步骤：
[0008]S1、
明确弹载电子设备的多芯片热源的相变冷板的约束条件和输入信息；
[0009]S2、
根据步骤
S1
中的约束条件和输入信息，假定弹载电子设备热耗由相变材料全部吸收，计算设备总共所需的焓值，并结合芯片的使用环境以及许用温度选择合适的相变点，初步选定相变材料，并核算所需相变材料的体积及重量；
[0010]S3、
建立多热源相变冷板有限元计算模型，并根据芯片热耗
、
结壳热阻
、
许用结温以及环境温度将瞬态问题简化为经典的稳态体面问题，并以此设置边界条件；
[0011]S4、
以最小化散热弱度作为目标函数，计算材料性质，由相变材料与疏导结构材料通过
SIMP
插值模型得到，采用全局移动渐近线算法迭代，得到优化后的相变冷板热疏导结构的构型；
[0012]S5、
根据优化后的相变冷板热疏导结构的构型，结合增材制造与相变材料灌封的特点进行工艺性修改，并对相变冷板热疏导结构的强度与传热特性进行校验，完成最终相变冷板热疏导结构的重构
。
[0013]在一个实施方式中，步骤
S1
中，约束条件和输入信息包括待优化的相变冷板上热源分布位置
、
芯片热耗
、
结壳热阻
、
许用结温
、
相变冷板尺寸约束
、
重量约束以及环境温度
。
[0014]在一个实施方式中，步骤
S4
中，材料性质包括导热系数
、
密度以及比热容
。
[0015]在一个实施方式中，步骤
S4
中，利用
Helmholtz
方程对控制变量进行过滤并采用双曲正切投影的方式提高结果的分辨率
。
[0016]在一个实施方式中，步骤
S4
中，最小化散热弱度作为目标函数：
[0017]Min:∫∫∫E dV/∫∫∫dV
[0018]式中，
E
为散热弱度函数，
V
为设计域体积
。
[0019]本专利技术的另一个方面提供一种多热源的相变冷板
,
包括相变冷板壳体
、
设置在所述相变冷板壳体上的相变冷板端盖
、
设置在所述相变冷板壳体底部的多个芯片以及相变冷板热疏导结构，所述相变冷板热疏导结构设置在所述相变冷板壳体与所述相变冷板端盖围成的密闭空间内，所述相变冷板热疏导结构采用上述一种多热源的相变冷板的设计工艺，制备得到
。
[0020]在一个实施方式中，多个所述芯片均通过导热衬垫粘贴在所述相变冷板壳体底部
。
[0021]在一个实施方式中，所述相变冷板壳体与所述相变冷板端盖的厚度均为
2mm
，，所述相变冷板热疏导结构通过
3D
打印得到
。
[0022]在一个实施方式中，所述相变冷板端盖内嵌在壳体中，所述相变冷板端盖的盖面平齐壳体上缘面，所述相变冷板壳体与所述相变冷板端盖形成的封闭空间
。
[0023]在一个实施方式中，所述芯片包括三个，分别为第一芯片
、
第二芯片和第三芯片
。
[0024]本专利技术的有益效果如下：
[0025]1、
本专利技术将第二类边界条件简化为第一类边界条件，节省了计算时间，并提高了优化过程的收敛性；
[0026]2、
本专利技术充分挖掘了相变冷板的潜力，以最小化散热弱度为全局优化目标使得热源与热沉之间传热最大化，避免局部相变热沉过热或者过冷，充分利用了相变热沉；
[0027]3、
本专利技术可根据实际热源分布以及边界条件得到热疏导结构最优化的布置结果，这使得在保证散热性能的同时，减小热疏导结构的体积与重量，提高相变材料的填充率，提升了整个设备的可靠性
。
[0028]4、
本专利技术结合了增材制造的特点，增加了设计的自由度，使得优化出来的最优构型能得以最大程度的实现，并提高了材料的利用率，降低了加工成本
。
附图说明
[0029]图1是本专利技术多热源的相变冷板的设计工艺的流程图；
[0030]图2是现有弹载电子设备的相变冷板的一般结构形式爆炸图；
[0031]图3是本专利技术弹载电子设备的相变冷板的结构形式爆炸图；
[0032]图4是本专利技术优化后得到的相变冷板热疏导结构的结构示意图；
[0033]图5是本专利技术与现有技术的相变材料平均温度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种多热源的相变冷板的设计工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S1、
明确弹载电子设备的多芯片
(3)
热源的相变冷板的约束条件和输入信息；
S2、
根据步骤
S1
中的约束条件和输入信息，假定弹载电子设备热耗由相变材料全部吸收，计算设备总共所需的焓值，并结合芯片
(3)
的使用环境以及许用温度选择合适的相变点，初步选定相变材料，并核算所需相变材料的体积及重量；
S3、
建立多热源相变冷板有限元计算模型，并根据芯片
(3)
热耗
、
结壳热阻
、
许用结温以及环境温度将瞬态问题简化为经典的稳态体面问题，并以此设置边界条件；
S4、
以最小化散热弱度作为目标函数，计算材料性质，由相变材料与疏导结构材料通过
SIMP
插值模型得到，采用全局移动渐近线算法迭代，得到优化后的相变冷板热疏导结构
(6)
的构型；
S5、
根据优化后的相变冷板热疏导结构
(6)
的构型，结合增材制造与相变材料灌封的特点进行工艺性修改，并对相变冷板热疏导结构
(6)
的强度与传热特性进行校验，完成最终相变冷板热疏导结构
(6)
的重构
。2.
根据权利要求1所述的一种多热源的相变冷板的设计工艺，其特征在于，步骤
S1
中，约束条件和输入信息包括待优化的相变冷板上热源分布位置
、
芯片
(3)
热耗
、
结壳热阻
、
许用结温
、
相变冷板尺寸约束
、
重量约束以及环境温度
。3.
根据权利要求1所述的一种多热源的相变冷板的设计工艺，其特征在于，步骤
S4
中，材料性质包括导热系数
、
密度以及比热容
。4.
根据权利要求1所述的一种多热源的相变冷板的设计工艺，其特征在于，步骤
S4
中，利用
Helmholtz
...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈明明，赵亮，胡家渝，李俞先，翁夏，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第十研究所，
类型：发明
国别省市：