CN109344460A - 一种传热结构仿生分层生长方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种传热结构仿生分层生长方法

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明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，本发明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；T_s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；w_n与w_n-1分别表示子通道与母导热通道的宽度；x_e与y_e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；x_s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，r_i，L_i，k_i，h_i，w_i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：

w₁ ²＝w₂ ²+w₃ ² (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。

在本发明的较佳实施方式中，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。

在本发明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。

本发明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发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是依照本发明传热结构问题基本单元简化过程图；

图2是本发明应用的一个具体实施例的示意图；

图3是本发明应用的具体实施例中一个主导热通道生成示意图；

图4是本发明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是本发明应用的具体实施例中次导热通道生成的示意图；

图6是本发明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是本发明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发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明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，本发明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一根传热通道的几何形状简化为规则矩形，该矩形由起点、终点以及宽度来定义。在有限元网格中，选择中心点与起点终点的连线距离小于一半初始宽度的单元，并将这些单元的导热系数由低导热系数改为高导热系数，从而生长得到一根导热通道，如图1 所示中的网格区域中虚线构成的矩形单元所示，在整个传热结构的生成过程中，所有的构成单元均被简化为矩形的结构保证了整个传热结构加工简便的效果。

该电子器件传热结构生成方式，在设计区域的热沉区域布置主导热通道1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1的终点，按照初始宽度生成所述主导热通道1；布置至少一条所述主导热通道1，并使所有主导热通道 1的体积分数上限符合叶脉层序体积规律；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2，按照改进的Murray法则更新所有通道的宽度，并使所有导热通道的体积分数上限不超过给定总体积上限；并且生成的传热结构包括有主导热通道1和与其连接布置的次导热通道2，在设计之初就考虑到设计加工生产过程中的便捷性，因此将所有的组成单元均设计为矩形结构，图1仅仅是对于一个主导热通道1的示意结构，在一个主导热通道1的前提下示意出两个次导热通道2的配置，对于具有多个主导热通道1的结构，本发明提出了一种导热结构的仿生分层布置方法，根据自然分支结构的特征与规律，布置与自然分支结构形态相似且传热性能更优的导热结构通道，在设计过程中首先布置主导热通道1，当其布置满足了叶脉层序体积规律所计算的上限值时，再布置次导热通道2，随后按照改进的Murray法则更新传热通道的宽度，所有的导热通道体积分数不大于给定总体积上限，这样保证了生成的传热结构能最快地将各处的热量快速传递至主导热通道1，由于主导热通道1采用的最优化算法保证了每个通道上的热量负荷不至于过多，也保证了主导热通道1能够具有较短路径，使得各处热量能最快地导入热沉区，次导热通道2宽度小于主导热通道宽度不会造成导热材料浪费，且布置的整个传热结构不会存在导热通道的交叉，也不至于引起次导热通道2的热阻过大的效应，实现散热系统的高效化，所有通道的宽度更新基于改进的Murray法则，不会造成热量传导损失过大，实现了导热系统的低能量损失；改进的Murray法则是在原有针对圆形截面通道的半径关系修改为现在针对矩形截面宽度的关系。

主导热通道1的功能是将热量尽快传递至热沉处，因此选择热沉点作为主导热通道1的起点，而在选择终点时则需要考虑设计域内的温度分布对主导热通道1 分布的影响，所以采用考虑温度信息的空间殖民算法确定主导热通道1的终点。在该算法中，通过有限元分析，得到设计域内温度峰值点，将温度峰值点及距离该点给定预设距离d范围内的所有点记为一个集合。将该集合内的所有点分别与起点构建得到多个向量，并按式(1)计算确定主通道终点p’。在确定终点p’后，以高导热材料按初始宽度，布置一根主导热通道1。

式中，p为起点，即热沉点；S(s)为设计域内温度峰值点及距离该点一定范围内的所有点的集合；T_s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。

依据相同的方法再次进行有限元分析找到设计区域内的温度峰值点，重复上述步骤，依次得到多条主导热通道1，当然主导热通道1的数量也不可能是无限多的，本发明将叶脉的层序体积规律应用于主通道的体积分数上限计算中，引入了仿生学的概念按式(2)计算得到主通道的体积分数上限。

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1体积分数上限；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。由于传热结构生长过程中，主导热通道1的体积分数是始终变化的，因此将主导热通道1的根数作为主通道生长结束的判据，同时要求最终得到的传热结构中主导热通道1的体积分数应与式(2)的计算结果相接近。φ所有导热通道的体积分数上限值，将该值设置为总面积的0.2。为主导热通道的体积分数上限值，优化地将设置为总面积的0.1687，可以保证主导热通道1为主要的散热通道，实现热量快速传递至热沉区域的效果。

次导热通道2的功能是吸收尽可能多的热量，选择设计域内温度峰值点作为次导热通道2的终点，起点的选择则需要尽可能减小热阻，因此采用热阻最小原理计算得到次导热通道2的起点。在采用该原理计算起点时，选择任意已有导热通道1作为当前母通道，以该母通道的起点为原点，起点指向终点方向为x正方向，构建局部坐标系，按式(4)计算得到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；w_n与w_n-1分别表示子通道与母通道的宽度；x_e与y_e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；x_s为当前子通道起点的横坐标。计算得到多组子通道后，按式(5)计算多组子通道对应传热结构的热阻，选择使热阻最小的一组子通道布置为次导热通道2。

式中，r_i，L_i，k_i，h_i，w_i分别表示第i根通道的热阻、长度、导热系数、高度以及宽度。重复上述步骤布置次导热通道，布置完使得所有导热通道的比面积不超过给定总体积上限，在布置次导热通道2时考虑了所有主导热通道中连接的最小热阻，进而保证了热量传递过程中的高效性。

为确保传热结构热量传导损失最小，完成一根次导热通道布置后，按照式(6)所示的改进的Murray法则，更新传热结构内所有通道的宽度：

w₁ ²＝w₂ ²+w₃ ² (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。

最后以一正方形区域内底边单点散热问题为例，说明本发明的适用性，和效果。

正方形区域内底边单点散热问题。该设计域为边长0.1m的正方形，在设计域的底边中央处设置有散热边界，即热沉。热沉的长度为10mm，热沉的温度为0℃。设计域内部有均匀分布的内热源，热源的生热率为Q＝3×10³W/m³。给定传热结构的比面积上限φ＝0.2。由于设计域与边界条件均对称，设计过程中仅采用一半设计域，如图2所示的计算区域和深色的热沉点。

对设计域进行有限元分析，得到设计域内的温度分布，找到温度峰值点，其位置如图3中圆盘所示。将该点与距离该点小于或等于d的点集合记为S(s)，如图3 中圆盘与空心圆所示。按照式(1)计算得到主导热通道的终点位置，如图3中黑色圆所示。连接起点与终点并用导热系数高的材料填充形成具有初始宽度的主导热通道1，如图3中所示。

根据设计域面积，按照式(2)以及式(3)计算得到最终主导热通道1的体积上限，并推导得出主导热通道的根数。计算得到主导热通道1的体积分数上限为 16.87％，由此推导认为主导热通道1的数量应为9根，在对称边界条件下主导热通道1生长根数为5根。当主导热通道1的根数达到给定数量限制后，结束主导热通道1生长，否则重复上一步骤按照式(1)布置新的主导热通道1。主导热通道1生长完成后，得到如图4所示传热结构的主导热通道1分布。

对已生长导热通道的设计对象进行有限元热分析，找到设计域内温度峰值点，如图5中圆盘所示。选择设计域内的任意导热通道为当前母通道，以该母通道起点为坐标原点，该母通道的起点指向终点方向为x轴正方向，建立局部坐标系x- y，如图5所示。按照式(4)计算多组当前子通道起点。计算得到多组当前子通道起点后，按式(5)计算多组子通道对应传热结构的热阻。选择选择使热阻最小的一组子通道布置为次导热通道2，如图5所示。

完成次导热通道2生长后，所述导热通道宽度满足改进的Murray法则，按照下式，从最高一级分支通道开始，更新下一级导热通道的宽度，一级级更新，直到所有已有导热通道的宽度更新完毕，如图6所示。

式中，w_2j、w_3j表示第j级分支的两个子通道的宽度，w_1j表示两个子枝对应的母枝的宽度；λ为宽度系数，取为2。

重复上述次导热通道2的生成方式，直到传热结构的体积分数达到给定上限φ，得到传热结构分布，当然可以重复上述方案以所述次导热通道2为母通道，可以生成下一级次导热通道3，如图7所示。

用与应用实例相同的边界条件，使用SIMP法求解传热结构拓扑形态，经过多次迭代后，体积达到相同上限。最终得到传热结构拓扑形态如图8所示，获得的拓扑形态与图7较为相似，部分长度长且较粗通道从热沉点出发向设计域的角点与边界处生长，其余短细通道则较为均匀地分布在设计域内。但是可以发现图8结果中存在细小分支与灰度单元，且设计结果不含有几何信息，此外图8中传热通道没有充满整个设计域。

从温度性能比较本方法与SIMP法所得结果的差异，对比如表1所示。可以看出，最高温度、平均温度以及温度方差分别比SIMP法得到的结果降低了26.9％、 3.42％及50.9％，取得了更低的最高温度以及更加均匀的温度分布。

表1温度性能对比

综上所述，采用传热结构仿生分层生长法后，传热结构拓扑形态清晰，含有几何信息，易于制造与应用，设计域内最高温度、平均温度以及温度方差均有一定程度下降，实现了传热性能进一步提升。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

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；T_s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(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。

4.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，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；w_n与w_n-1分别表示子通道与母导热通道的宽度；x_e与y_e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；x_s为当前子导热通道起点的横坐标。

5.如权利要求4所述的传热结构仿生分层生长方法，其特征在于，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，r_i，L_i，k_i，h_i，w_i分别表示第i根通道的热阻、长度、导热系数、高度以及宽度。

6.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，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：

w₁ ²＝w₂ ²+w₃ ² (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。