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CN105161472B - 一种端面叶序排布结构的针柱式微型散热器 - Google Patents

一种端面叶序排布结构的针柱式微型散热器 Download PDF

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舒启林
胡玉珩
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Shenyang Ligong University
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Abstract

一种端面叶序排布结构的针柱式微型散热器。本发明属于用于电子元器件散热的一种微型散热器技术领域，涉及叶序排布微型散热器的散热柱排布结构设计问题。包括散热底板和多个散热柱，多个散热柱设置在散热底板的工作端面上。此微型散热器的散热柱的排布满足生物科学中的叶序理论的H.Vogel模型。由于散热柱在散热器底板表面呈H.Vogel模型规律的叶序排布，使得该微型散热器工作表面的散热柱实现了几何位置的互补和最大填充效应，并形成合理的空间空气流动通道，从而提高了微散热器的散热效率。

Description

一种端面叶序排布结构的针柱式微型散热器
技术领域
本发明属于微型散热器技术领域，具体是一种端面叶序排布结构的针柱式微型散热器，是一种新型的仿生结构微型散热器。该微型散热器与其他微型散热器最大的区别是，散热柱(或称为针柱)排布结构在散热器基体端面呈现叶序排布。该微型散热器主要应用于微型电子元器件、半导体元器件和其他微型零部件等的散热过程中，能够有效降低元器件表面温度，提高元器件的使用寿命和工作效率，对电子元器件的发展有着重要的意义。
背景技术
随着电子元器件的集成度和性能的不断提高和它的物理尺寸的不断减少，电子元器件热流密度急剧增加，其表面热流密度高达104～105W/m2量级，并有继续增加的趋势，散热问题已成为制约微电子元器件和装备性能提高的主要因素之一，目前已经成为流体力学和传热学领域的重要研究方向之一。常规的散热器的散热方式都是采用铝制或铜制的板翅式散热器和针柱式散热器，并且外加风扇的方式，依靠的是单相流体的强迫对流换热方法。这些目前已经不能够满足电子元器件稳定工作的需要，特别是随着元器件或电子装备内部散热空间的减小，已无法采用常规尺寸的散热方式，必须改变散热器结构来提高电子元器件的散热能力。
因此，本发明是基于生物科学中的叶序排布理论进行的。生物学的叶序理论表明，植物的叶子、花瓣和果实的籽粒的几何排布满足黄金分割律，在几何空间上实现区域的最大填充和互补。其中一些生物的籽粒的排布能形成顺时针和逆时针叶列线螺旋，在籽粒间也创成了相应的螺旋沟槽。这种排布运用到为散热器上，能够增加散热器的散热面积，散热柱间形成叶列线螺旋沟利于风扇的作用下空气的流动，提高散热效率。因此，依据该理论设计出端面微型散热器的散热柱排布结构能够提高微散热器的散热效率。
发明内容
本发明是基于生物学的叶序理论的H.Vogel模型设计出一种端面叶序排布结构的针柱式微型散热器。
一种端面叶序排布结构的针柱式微型散热器，包括散热底板和多个散热柱。
多个散热柱设置在散热底板的工作端面上，并且多个散热柱均与散热底板的工作端面相垂直。
H.Vogel模型是描述葵花种子籽粒排布的一个数学模型，即φ＝n*θ，n＝0,1,2，...nmax。其中，ρ为第n个籽粒的极坐标半径，φ为第n个籽粒的极坐标系中的极坐标角度。n为籽粒的排布序数。θ为第n个籽粒与第n+1个籽粒之间的极坐标夹角，且θ＝137.508°，即为满足黄金分割角。c为籽粒在极坐标系中的极坐标半径方向上的以长度为单位的分布常数,c通常以mm为单位。这种排布结构是自然界生物为适应环境进化选择的结果，它使籽粒在几何空间上实现了最大填充和位置的互补，并且籽粒排布形成了一族顺时针的籽粒叶列线螺旋和一族逆时针的籽粒叶列线螺旋。
在设计端面针柱式微型散热器时，如果把每个散热柱(或称针柱)看成一个籽粒，那么散热柱在散热器底板的工作端面的排布就可以按照H.Vogel模型的描述进行排布，即φ＝n*θ，n＝0,1,2，...nmax。其中，ρ为第n个散热柱排布位置的极坐标半径，φ为第n个散热柱的极坐标系中排布位置的极坐标角度。n为散热柱的排布序数。θ为第n个散热柱与第n+1个散热柱之间的极坐标夹角，且θ＝137.508°，即为满足黄金分割角。c为散热柱在极坐标系中的极坐标半径方向上的分布常数,c可以毫米(mm)为单位选取。
其优点在于：
这样端面针柱式微型散热器的散热柱在几何位置上实现了黄金分割律排布，达到最大填充和位置互补，并形成了散热柱间的顺时针和逆时针散热柱叶列线螺旋沟空气通道，在风扇的作用下，提高了散热效率。
附图说明
图1是葵花籽粒叶序结构排布图。
图1中的1是籽粒，2是顺时针籽粒叶列线螺旋，3是逆时针籽粒叶列线螺旋。
图2是葵花种子籽粒的叶序结构排布的H.Vogel模型图。
图2中的4是种子籽粒点，5是顺时针籽粒点叶列线螺旋，6是逆时针籽粒点叶列线螺旋，7是第n个籽粒点，8是第n+1个籽粒点，9是第n+2个籽粒点，10是顺时针籽粒点间的叶列线螺旋沟，11是逆时针籽粒点间的叶列线螺旋沟。
图3是端面叶序排布结构的针柱式微型散热器。
图3中的12是微型散热器的散热底板，13是散热柱(或称针柱)。
图4是第一种分布常数c对散热柱排布状态的影响图。
图5是第二种分布常数c对散热柱排布状态的影响图。
图6是第三种分布常数c对散热柱排布状态的影响图。
图7是第四种分布常数c对散热柱排布状态的影响图。
图8是第五种分布常数c对散热柱排布状态的影响图。
具体实施方式：
一种端面叶序排布结构的针柱式微型散热器，包括散热底板12和多个散热柱13。
多个散热柱13一体设置在散热底板12的工作端面上，并且多个散热柱13均与散热底板12的工作端面相垂直。
1)根据被散热对象要求利用CAD软件设计出图3中的散热底板12，散热底板12的厚度选取在1mm～3mm，并确定其中心位置。散热底板12的长宽尺寸由被散热对象尺寸决定。
2)根据图1和图2中的葵花籽粒的叶序结构排布规律和H.Vogel模型，以图3中的散热底板12的中心为散热柱排布的中心，利用CAD软件设计散热柱13在图3中的叶序排布图案。
3)设计叶序排布的散热柱13基体结构与尺寸。如图3所示散热柱13(或称针柱)为圆柱形，圆柱的直径d控制Ф1mm～Ф3mm范围内，散热柱13的高度h在3d～6d范围内选取。
4)通过改变H.Vogel模型中的分布常数c，得到不用分布常数下的散热柱13排布形式。通过控制c值的大小从而将散热柱13总的截面面积相对散热底板12的工作端面面积的比率控制在35％～65％范围内。通过图4(a)、5(b)、6(c)、7(d)、8(e)中不同分布常数c下散热柱13的分布情况可知，分布常数c影响散热柱13排布的疏密程度,c值越大散热柱13排布越稀疏。c的取值范围为1.5～3mm。
如上述实施过程中，根据散热对象选取散热底板12为正方形，散热底板12的边长为30mm，厚度H为3mm，散热柱13(或称针柱)的直径d选为Ф3mm，散热柱13的高度h可为18mm，选分布常数c为2.1mm，则散热柱13总的截面面积相对散热底板12的工作端面面积的比率控制在51％。

Claims (1)

1.一种端面叶序排布结构的针柱式微型散热器，包括散热底板(12)和多个散热柱(13)；其特征在于：多个散热柱(13)设置在散热底板(12)的工作端面上；所述的散热柱(13)排布符合生物学的叶序排布理论的H.Vogel模型，即φ＝n*θ，n＝0,1,2，...nmax；其中，ρ为第n个散热柱(13)排布位置的极坐标半径，φ为第n个散热柱(13)的极坐标系中排布位置的极坐标角度；n为散热柱(13)的排布序数；θ为第n个散热柱(13)与第n+1个散热柱(13)之间的极坐标夹角，且θ＝137.508°，即为满足黄金分割角；c为散热柱(13)在极坐标系中的极坐标半径方向上的分布常数,c单位为mm；所述的散热柱(13)为圆柱形，圆柱的直径d控制在Ф0.5mm～Ф3mm范围内，散热柱(13)的高度h在3d～6d范围内；所述的分布常数c在1.5～3mm范围内选取，保证所有散热柱(13)的横截面面积之和与散热底板(12)的工作端面的面积比率控制在35％～65％范围内；所述的多个散热柱(13)均是垂直排布在散热底板(12)的工作端面，散热底板(12)的中心是散热柱(13)排布的中心；所述的散热底板(12)的厚度H为1mm～3mm，且呈矩形。
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