CN105070696A - 一种柱状叶序排布展开结构的微型散热器 - Google Patents

Abstract

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（或称为针柱）结构设计问题。该微型散热器由散热底板和散热柱所组成，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Van？Iterson模型的平面展开形式，这使得该微型散热器工作表面的散热柱实现了几何位置的最大填充和互补，并形成合理的空间空气流动通道，从而提高微散热器的散热效率。

Description

一种柱状叶序排布展开结构的微型散热器

技术领域

本发明属于微型散热器技术领域，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圆柱叶序排布的圆周展开形式。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～ 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（或称针柱）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柱状叶序排布展开结构的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

本发明的目的，是提供一种柱状叶序排布展开结构的微型散热器，本发明是基于生物学的叶序理论的VanIterson模型的平面展开形式设计出端面柱状叶序排布展开结构的微型散热器。

采用的技术方案是：

一种柱状叶序排布展开结构的微型散热器，包括散热底板和多个散热柱，其特征在于：

多个散热柱垂直固定在散热底板的上端面上，多个散热柱在散热底板上的排列符合生物学的叶序排布理论的VanIterson模型的平面展开形式，其在XOZ坐标系下的展开形式为： ，；即在XOZ坐标系下，n是散热柱的排布序数，为VanIterson模型中母体圆柱的半径，且是一个常数值；c是在XOZ坐标系下散热柱z轴方向上的分布常数，单位为mm；x和z分别为第n个散热柱在XOZ坐标系上的位置坐标；为被展开母体圆柱上第n个散热柱与第n+1个散热柱之间在极坐标面上的极坐标夹角，且为满足黄金分割角；m为控制第n个散热柱在XOZ坐标系下x轴方向上位置的序数。

设计构思：

圆柱状叶序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。当圆柱状叶序排布展开到平面结构以后，柱状叶序排布的特征仍然被保留下来。

在设计端面柱状叶序排布展开结构的微型散热器时，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端面的排布就可以按序排布理论的VanIterson模型的平面展开形式进行。在XOZ坐标系下的展开形式为： ，；即在XOZ坐标系下，n是散热柱的排布序数，为VanIterson模型中母体圆柱的半径，且是一个常数值；c是在XOZ坐标系下散热柱z轴方向上的分布常数，单位为mm；x和z分别为第n个散热柱在XOZ坐标系上的位置坐标；为被展开母体圆柱上第n个散热柱与第n+1个散热柱之间在极坐标面上的极坐标夹角，且为满足黄金分割角；m为控制第n个散热柱在XOZ坐标系下x轴方向上位置的序数。这样端面柱状叶序排布展开结构的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是菠萝和松果叶序结构排布图。

图1中的1是籽粒，2是逆时针籽粒线叶列线螺旋，3是顺时针籽粒叶列线螺旋。

图2是菠萝和松果籽粒的叶序结构排布VanIterson模型在XOZ坐标系下的展开形式图。

图2中的4是籽粒点，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是本发明的柱状叶序排布展开结构的微型散热器的一种实施例结构示意图。

图3中的12是微型散热器的散热底板，13是散热柱。

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

一种柱状叶序排布展开结构的微型散热器，包括散热底板12和多个散热柱13，其特征在于：

散热底板12厚度H为1～3mm，散热底板12为矩形或正方形；散热柱13直径d为1～3mm，散热柱的高度h为3～18mm，多个散热柱横截面的面积之和与散热底板端面的面积比为35～60%；多个散热柱13分别垂直固定在散热底板12的上端面上，多个散热柱13在散热底板12上端面的排列符合叶序排布理论的VanIterson模型的平面展开形式；

其在XOZ坐标系下的展开形式为： ，；即在XOZ坐标系下，n是籽粒的排布序数，为VanIterson模型中母体圆柱的半径，且是一个常数值；c是在XOZ坐标系下籽粒z轴方向上的分布常数，为0.3～0.9mm；x和z分别为第n个籽粒在XOZ坐标系上的位置坐标；为被展开母体圆柱上第n个籽粒与第n+1个籽粒之间在极坐标面上的极坐标夹角，且为满足黄金分割角；m为控制第n个籽粒在XOZ坐标系下x轴方向上位置的序数。

本发明的一种柱状叶序排布展开结构的微型散热器的制备方法是：

1）根据被散热对象要求利用CAD软件设计出图3中的底板12，12的厚度选取在1～3mm，并确定其为矩形或正方形。12的长宽尺寸由被散热对象尺寸决定，同时确定出展开母体圆柱半径R。

2）根据图1和图2中的VanIterson模型在XOZ坐标系下的展开形式图，以图3中的底板12的一个角为散热柱排布在XOZ坐标系下排布坐标原点，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（或称针柱）为圆柱形，圆柱的直径d控制Ф1mm～Ф3mm范围内，散热柱的高度h在3d～6d范围内选取。

4）通过改变VanIterson模型展开形式中的分布常数c，得到不用分布常数下的散热柱排布形式。通过控制c值的大小从而将散热柱13总的截面面积相对底板12端面面积的比率控制在35%～65%范围内。通过图4、图5、图6、图7、图8中不同分布常数c下散热柱的分布情况可知，分布常数c影响散热柱排布的疏密程度,c值越大散热柱排布越稀疏。c的取值范围为0.3～0.9mm。

如上述底板12的厚度H为3mm，确定底板12为正方形，长和宽均为30mm，则展开母体半径为4.78mm，散热柱13的直径取Ф3mm，散热柱13的高度h为15mm，选c在Z方向分布常数为0.45mm，且多个散热柱13总的截面面积相对底板12端面面积的比率52.3%。

Claims (4)

1.一种柱状叶序排布展开结构的微型散热器，包括散热底板和多个散热柱，其特征在于：

多个散热柱垂直固定在散热底板的上端面上，多个散热柱在散热底板上的排列符合生物学的叶序排布理论的VanIterson模型的平面展开形式，其在XOZ坐标系下的展开形式为： ，；即在XOZ坐标系下，n是散热柱的排布序数，为VanIterson模型中母体圆柱的半径，且是一个常数值；c是在XOZ坐标系下散热柱z轴方向上的分布常数，单位为mm；x和z分别为第n个散热柱在XOZ坐标系上的位置坐标；为被展开母体圆柱上第n个散热柱与第n+1个散热柱之间在极坐标面上的极坐标夹角，且为满足黄金分割角；m为控制第n个散热柱在XOZ坐标系下x轴方向上位置的序数。

2.根据权利要求1所述的一种柱状叶序排布展开结构的微型散热器，其特征在于：散热柱直径d为0.5～3mm，散热柱高h为3～18mm。

3.根据权利要求1或2所述的一种柱状叶序排布展开结构的微型散热器，其特征在于：所述的分布常数c为0.3～0.9mm，散热柱的横截面面积之和与微型散热器工作端面的面积比率为35～65%。

4.根据权利要求1或2所述的一种柱状叶序排布展开结构的微型散热器，其特征在于：底板呈矩形或正方形，底板的厚度H为1～3mm。