[发明专利]一种高热流短时工作平台相变温控组件翅片结构设计方法

说明书

一种高热流短时工作平台相变温控组件翅片结构设计方法，先定义设计工况，设计导热通道，通过模拟植物叶片叶脉的生长来设计导热通道的结构布局，导热通道由点热源向相变材料内部延伸，形成导热增强网络；然后进行材料重构，采用竞争机制对导热通道单元进行筛选；再进行导热通道数学优化模型，以导热分歧网格结构总火积耗散最低为优化目标函数，以高导热材料的体积耗散为约束条件，迭代优化获得满足材料用量最优导热结构；最后进行适应性处理，按照生产工艺要求圆整导热率提升结构分叉布局，从而获得导热结构最终布局；本发明在保证相变材料储能能力的同时提升其导热率，增强热量在材料中的传递，使相变材料得以更好的发挥储能作用。

技术领域

本发明涉及相变材料导热率提升设计技术领域，特别涉及一种高热流短时工作平台相变温控组件翅片结构设计方法。

技术背景

散热问题是制约高热流短时工作设备性能提升的重要因素之一，使用相变材料进行热量耗散是一种成本低廉且应用广泛的方法。相变材料在相变过程中可以吸收大量潜热，而不会引起温度升高，然而普通相变材料(如石蜡)的导热率较低，在实际应用中吸热效率并不理想，限制了高性能电子设备进一步提升工作效能的潜力，甚至造成因热量积聚导致设备过热而失效的问题；宏观尺度下，在相变材料中插入高效导热分歧网格是一种行之有效的方法，可大幅提高相变材料的热响应效率。

现今常用的高效导热分歧网格包括泡沫金属和金属翅片两种；泡沫金属的制备过程复杂且制备效率较低，并且无法对泡沫金属的结构参数进行有效控制和调整，加之孔隙率的不同对其导热率有极大影响，泡沫金属难以有效提升相变材料的导热率；金属翅片的制备过程则相对简单，但目前对于导热金属翅片形状和拓扑结构的设计大多是未加设计甚至是主观确定的；因此，当前的高效导热分歧网格设计方法难以满足当前增强相变材料导热率的要求。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高热流短时工作平台相变温控组件翅片结构设计方法，在保证相变材料储能能力的同时提升其导热率，增强热量在材料中的传递，使相变材料得以更好的发挥储能作用。

为了达到上述目标，本发明采取的技术方案是：

一种高热流短时工作平台相变温控组件翅片结构设计方法，包括以下步骤：

1)定义设计工况：

以热控装置内充斥相变材料的区域为设计域，其周边为绝热边界，固定点热源于设计域的边界，设计域的总面积为V_D，整体的高导热材料体积分数的限制为β₀；

2)设计导热通道：

通过模拟植物叶片叶脉的生长来设计导热通道的结构布局，导热通道由点热源向相变材料内部延伸，形成导热增强网络：

2.1)优化模型：

单个生长单元分别使用角度θ，长度L和宽度w来描述其方向和形状，以增加设计域散热效果为优化目标，等效的数学模型为：

上式中，θ_i^(k),L_i^(k)及w_i^(k)分别为第k次优化迭代新生长单元i的生长方向、长度及宽度；n^(k)为第k次优化迭代中新生长单元总数；L_low及L_upp为单个生长单元的长度上、下限；w_low及w_upp为单个生长单元的宽度上、下限；V(θ,L,w)为高导热材料使用体积，V_upp^(k)为第k次迭代中高导热材料用量上限；J为目标函数；

以热源位置为初始生长点并萌发主脉单元，进而生成次脉与三级脉单元，单元首尾相接生成导热通道；

2.2)生成分支：