一种用于生物冻存的传热模块及其设计、制造方法与流程

1.本发明涉及传热结构设计优化技术领域，具体涉及一种用于生物冻存的传热模块及其设计、制造方法。


背景技术：

2.近年来，生物银行行业(bio-banking)发展迅猛，其是一个收集、处理、存储和分发不同尺度的生物材料(如血液、dna、细胞、组织等)的机构，以便在未来将存储物用于科学研究、诊断或治疗；生物冻存(cryopreservation)技术，是生物银行中最常用的一种样品保存处理技术。根据1889年提出的阿伦尼乌斯方程(arrhenius equation)，化学反应速率与温度成正比；即当温度降低时，分子间的碰撞能量减小、碰撞频率降低，从而降低了化学反应速率。在生物材料中，许多不利的化学反应，如脂质氧化、蛋白质变性等，都会在高温下加速进行反应；降低温度，则可以有效减缓这些化学反应的速率，从而降低生物样品的损坏变质风险。可见，为了保障生物材料长期储存后的完整性，对生物材料进行降温冷冻处理是非常有必要的。
3.目前，主流的生物冻存方式包括：缓速冻存和极速冻存；其中，缓速冻存是一种通过控制降温速率在某一最佳的恒定值，以实现减少冰核形成的生物冻存技术；缓速冻存的温度下降速率根据生物材料的类型、尺度等不同具有差异，通常在-0.5～-10k/min之间。在液固相变过程中，细胞内液逐渐成冰核，细胞外的缓冲液逐渐成核结晶；在缓速冻存中，不恰当的降温速率会影响冰成核(ice nucleation)与冰结晶(ice crystallization)的过程，进而对组织、细胞和蛋白质产生危害。冰成核，即冰结晶的初始阶段，涉及水分子的结构重排以形成稳定的冰核；若降温速率过快，会导致过多的冰晶、冰核在细胞外形成；若降温速率过慢，会导致过多的冰核在细胞内形成。上述两种情况下，冰核的不均匀分布都可能对细胞结构产生不可逆的损害。因此，降温速率，是一个必须被精确控制的物理量。
4.家用冰箱，或实验室、医疗机构使用的超低温冰箱(-80℃)和低温冰箱(-20℃)并不适用于生物材料的缓速冻存，因为它们冰箱内的空气温度，在热容不被过度消耗的情况下是趋近于恒定的；而环境温度恒定条件下，以热对流模式进行传热的冰箱，其内部的生物材料的温度变化一定是非线性的，即其降温率一直在变化、而非某一个最合适该生物材料的定值。目前，现有技术缺少一种能够针对于不同种类、不同尺度的生物材料进行降温速率快速调节/补偿的传热模块，从而有效减弱冰成核对组织、细胞、蛋白的结构，造成不可逆损害的问题。


技术实现要素：

5.针对以上现有技术存在的问题，本技术的目的在于提供一种用于生物冻存的传热模块，该模块通过调节半导体制冷系统(thermoelectric cooler，tec)的输出功率的方式，能够精准控制自定义的降温速度，进而大大减少冻存的生物材料在液固相变期间的冰成核、冰结晶带来的不可逆损害，避免组织的热阻产生会影响结晶匀质性的降温温度梯度，同
时避免不规则的冰晶对细胞膜造成非弹性形变、以及由于局部结冰导致的局部离子浓度过高从而造成细胞脱水，还避免蛋白质的冷失活(具体为蛋白质第三层结构展开)。
6.本技术的另一个目的在于提供一种上述传热模块的设计方法，结合传热学simp法(solid isotropic material with penalization)拓扑优化、匀质性传热学优化、以及simp法适配的微加工，从而获得传热模块。
7.本技术的第三个目的在于提供一种上述传热模块的制造方法。
8.本发明的目的通过以下技术方案实现：
9.一种用于生物冻存的传热模块，其特征在于：包括半导体制冷片、紫铜传热端与冷冻管，其中，半导体制冷片为两块对称设置的方形薄板，紫铜传热端设置在两块方形薄板之间且半导体制冷片的冷面贴向紫铜传热端；冷冻管为内圆底空心圆柱体(即其纵向截面为空心圆盘)，紫铜传热端对应冷冻管的结构均匀开设插槽、用于安装冷冻管，插槽的数量为偶数且关于两块半导体制冷片的中线对称设置。
10.作为本技术的一种优选方案，所述半导体制冷片的尺寸为s
×s×
d，其材料为n与p型的碲化铋(bi2te3)；冷冻管采用聚丙烯，其内径为r1、外径为r2(r1＜r2)、高度为h。
11.作为本技术的一种优选方案，所述冷冻管还可采用氧化锆陶瓷、钛合金等材料，其满足生物相容、生物惰性、可消毒的材料即可；同时，为了满足传热模块轻质化的要求，冷冻管的圆柱壁厚度(即)尽可能的小。
12.一种用于生物冻存的传热模块的设计方法，其特征在于：包括：
13.步骤s1：结合紫铜传热端的基础、固定的特征，在进行拓扑优化之前，假设紫铜传热端为长方体，其长宽尺寸受到半导体制冷片尺寸的限制，其中，紫铜传热端的长为：
[0014][0015]
式中：lj表示假设的紫铜传热端的长度；表示冷冻管的外径；
[0016]
初始长度l0为：
[0017]
式中：表示插槽的直径；表示横向传热长度，横向传热长度会跟随下述步骤，以迭代循环的方式减小至合理值；
[0018]
步骤s2：在一个传热模块内，插槽数量nc与圆柱插槽的圆心的坐标(xc,yc)取决于半导体制冷片的尺寸以及冷冻管外径具体为：
[0019][0020]
式中，l
tec
表示半导体制冷片冷面长边的长(若半导体制冷片为正方形，即为边
长)；yc表示插槽在传热模块结构对称轴轴向上的各个圆心坐标y
c,i
的点集；x
c-l
、x
c-r
分别表示插槽在横向传热方向上的左、右圆心坐标；l表示紫铜传热端的长度(现阶段，l＝lj，之后，随着l减小，x
c-r
的值会跟随变化)；
[0021]
步骤s3：将包括拓扑优化与后续的瞬态匀质性传热学仿真这两个有限元分析问题的维度从三维降低至二维，在传热端的长-宽平面上进行二维传热学研究；
[0022]
对于拓扑优化的边界条件设定，基于连续介质力学的基本假设，传热端与半导体制冷片的冷面紧密贴合的两个宽，可视作狄利克雷边界条件(dirichlet boundary condition)；其与冷冻管紧贴的插槽的圆型边界，则设定为诺伊曼边界条件(neumann boundary condition)，又称第二类边界条件；
[0023]
传热学拓扑优化的边界条件设定假设，与模拟生物材料溶液降温过程的瞬态匀质性传热学仿真的边界条件有所不同：拓扑优化的边界条件设置中，假设半导体制冷片的温度为某一有别于环境温度的定值(狄利克雷边界条件)，作为温度稳定的热源存在，因为拓扑优化的目的是使传热端各处的热通量尽可能均匀的前提下，减少传热端整体的质量，从而提高传热端服从半导体制冷片功率输出变化的响应能力；即：拓扑优化进行的是空间的优化，因此不需要考虑瞬态传热问题中时间的增量，故可以将与两个半导体制冷片冷面接触的两个宽设定为狄利克雷边界条件，进行只考虑初态-平衡态的简单传热模拟，进一步将求解过程稳定化，以确保问题的可解性和唯一性；
[0024]
步骤s4：基于传热学仿真软件，构建二维传热面的有限元网络；
[0025]
步骤s5：将二维传热面的形状用ω表示，其边界由三个不相交的部分组成，具体为：
[0026][0027]
由上式可知，二维传热面的形状ω的变化，可视为两个与半导体制冷片(热源)接触的宽γd、与冷冻管紧贴的插槽的圆形边界γn、以及剩余的自由优化部分γ的并集；
[0028]
连续体的热传导研究中温度场t(x)：ω
→rn
通过以下方式获得：
[0029][0030]
其表示在整个二维传热面ω上，拓扑优化的热传导方程式成立；
[0031][0032]
其表示在狄利克雷边界γd上，半导体制冷片热源的温度固定；
[0033][0034]
其表示在诺依曼边界γn上，热流量qn通向插槽的圆型边界的法向量
[0035][0036]
其表示通过调整二维传热面中自由优化部位γ的材料密度ρ(x)，获得合理的材料分布，从而最终均匀化、最小化传热端的热通量；
[0037]
其中，是nabla算子、又称向量微分算子，此处表示进行二维空间的两个空间向量的偏导数运算；是数学意义上空间坐标的全称量词，在此二维空间背景下，即满足后续定义条件的所有二维空间坐标的选取；
[0038]
拓扑优化过程中，将传热端的材料视为紫铜与空气的混合；基于紫铜的导热系数远高于空气的导热系数的前提，自由优化部分的材料有效导热系数为：
[0039]
κ
γ
(x)＝κ
air
·
(1-ρ(x)
p
)+κ
cu
·
ρ(x)
p
；
[0040]
式中：p表示惩罚因子，用于控制材料密度对热导率的影响；κ
cu
为390w/(m.k)，κ
air
为0.025w/(m.k)；
[0041]
由于本技术方案是在边界γn上最小化t(x)2，也就是最小化热量的传递，因此，拓扑优化的目标函数具体为：
[0042]
obj(t,qn)＝∫t(x)2dγn+λn∫(qn(x)-q
avg
)2dγn；
[0043]
式中：λn表示一个用于均匀化的拉格朗日乘子，为经验常数；q
avg
表示边界γn上的平均热通量；
[0044][0045]
式中：ds表示微小的边界长度元素；
[0046]
热传导问题的弱形式具体为：
[0047][0048]
式中：v(x)表示用于求解偏微分方程(pde)的弱形式的辅助函数；在有限元方法中，弱形式是一种将pde问题转化为线性代数问题的方法，以便进行数值求解；
[0049]
与热传导问题配合的伴随问题，在拓扑优化过程中有助于计算目标函数的敏感度，其弱形式具体为：
[0050][0051]
其中，伴随函数pp(x)的解与原始热传导问题的解，共同作用于拓扑优化过程，从而获得目标函数obj(x)的敏感度；
[0052]
能量密度的梯度为：
[0053][0054]
迭代方程为：
[0055][0056]
式中：τ表示步长，用于控制优化算法每次迭代时参数更新的幅度；j表示迭代次数；
[0057]
步骤s6：对拓扑优化结果进行判断，若对称轴两侧的插槽周围的紫铜材料相交，则进行下述步骤s7；若对称轴两侧的插槽周围的紫铜材料不相交，则将紫铜传热端的长度l减
短0.2mm，并返回步骤s2，进行循环迭代；
[0058]
步骤s7：保存优化结果，将最终拓扑优化的结合以图片形式保存。
[0059]
作为本技术的一种优选方案，所述拉格朗日乘子λn为0.3。
[0060]
作为本技术的一种优选方案，所述步长τ为0.1；迭代次数j为1～200。
[0061]
作为本技术的一种优选方案，所述惩罚因子p具体为：
[0062][0063]
一种用于生物冻存的传热模块的制造方法，其特征在于：首先，将最终的二维拓扑优化结果在cad软件中进行等比例绘制、拉伸为三维结构、并对三维结构进行调整；然后，采用三轴数控铣床对紫铜方块进行减材加工，加工刀具采用直径≤1mm的深沟铣刀，加工刀具的有效长度(即刀刃长度+避空长度)大于传热端高度的1/2；加工过程中，插槽的圆柱度为
±
0.01mm，插槽实际加工直径比冷冻管直径大0.03mm且确保
±
0.01mm的公差；与半导体制冷片冷面接触的两个传热面，确保
±
0.02mm的平面度；加工完成后，获得传热模块。
[0064]
本发明具有如下技术效果：
[0065]
本技术提供一种用于生物冻存的传热模块、及其设计与制造方法，以适配将来极有应用场景的半导体生物冻存制冷系统，从而通过调节半导体制冷片输出功率的方式，精准控制自定义的降温速度，最终大大减少冻存的生物材料在固液相变期间的冰成核、冰成晶带来的不可逆的损害；通过本技术设计、制造所获得的传热模块，同时具备较高的导热能力、较为均匀的温度分布、高响应能力、加工便捷性、经济性等优点，从而实现基于半导体制冷系统(tec)的生物缓速冻存。本技术结合simp法拓扑优化、匀质性传热优化方法以及数控机床微加工，三位一体，从而获得配于半导体制冷系统(tec)的生物材料缓速冻存的传热模块，该传热模块具有可靠、高鲁棒性、高适应性等优势。
附图说明
[0066]
图1为本技术实施例中传热模块的整体三维结构示意图。
[0067]
图2为本技术实施例中传热模块的二维结构示意图。
[0068]
图3为本技术实施例中传热学拓扑优化的边界条件设定以及二维有限元网络示意图。
[0069]
图4为本技术实施例中拓扑优化200次迭代过程的部分示意图。
[0070]
图5为本技术实施例中拓扑优化迭代的目标函数随迭代次数增加收敛的示意图。
[0071]
图6为本技术实施例中设计、制造的流程图。
[0072]
其中，10、半导体制冷片；20、紫铜传热端；30、冷冻管；100第一类狄利克雷边界条件；200、第二类诺依曼边界条件。
具体实施方式
[0073]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0074]
实施例1：
[0075]
如图1～2所示，一种用于生物冻存的传热模块，其特征在于：包括半导体制冷片10、紫铜传热端20与冷冻管30，其中，半导体制冷片10为两块对称设置的方形薄板，其尺寸为s
×s×
d(例如：40
×
40
×
1.9mm、型号为：tecu1-12708，也可以为面积更大的62
×
62
×
3.2mm)，其材料为n与p型的碲化铋(bi2te3)，紫铜传热端20设置在两块方形薄板之间且半导体制冷片10的冷面贴向紫铜传热端20；冷冻管30为内圆底空心圆柱体(即其纵向截面为空心圆盘)，冷冻管30采用聚丙烯(pp,polypropylene)，其内径为r1、外径为r2(r1＜r2)、高度为h(例如，采用厂家为赛默飞thermo fisher；型号：1.8ml内旋纹的冷冻管30，其横截面的内径为10.4mm、外径为12.4mm，高度为49mm、与半导体制冷片10的尺寸相匹配)；冷冻管30还可采用氧化锆陶瓷、钛合金等材料，其满足生物相容、生物惰性、可消毒的材料即可；同时，为了满足传热模块轻质化的要求，冷冻管30的圆柱壁厚度(即)尽可能的小。紫铜传热端20对应冷冻管30的结构均匀开设插槽、用于安装冷冻管30，插槽的数量为偶数且关于两块半导体制冷片10的中线对称设置，插槽的结构为圆柱体形，其直径与冷冻管30外径一致、即为12.4mm，使其紧密贴合，其高也就是传热端的高、为半导体制冷片10的边长，即为40mm。
[0076]
实施例2：
[0077]
如图3～6所示，一种如实施例1所示的用于生物冻存的传热模块的设计方法，其特征在于：包括：
[0078]
步骤s1：结合紫铜传热端的基础、固定的特征，在进行拓扑优化之前，假设紫铜传热端为长方体，其长宽尺寸受到半导体制冷片尺寸的限制，其中，紫铜传热端的长为：
[0079][0080]
式中：lj表示假设的紫铜传热端的长度；表示冷冻管的外径；
[0081]
初始长度l0为：
[0082]
式中：表示插槽的直径；表示横向传热长度，横向传热长度会跟随下述步骤，以迭代循环的方式减小至合理值；
[0083]
步骤s2：在一个传热模块内，插槽数量nc与圆柱插槽的圆心的坐标(xc,yc)取决于半导体制冷片的尺寸以及冷冻管外径具体为：
[0084][0085]
式中，l
tec
表示半导体制冷片冷面长边的长(若半导体制冷片为正方形，即为边
长)；yc表示插槽在传热模块结构对称轴轴向上的各个圆心坐标y
c,i
的点集；x
c-l
、x
c-r
分别表示插槽在横向传热方向上的左、右圆心坐标；l表示紫铜传热端的长度(现阶段，l＝lj，之后，随着l减小，x
c-r
的值会跟随变化)；
[0086]
例如，如实施例1所述：半导体制冷片的尺寸为40
×
40
×
1.9mm，冷冻管内径为10.4mm、外径为12.4mm，则：
[0087][0088][0089][0090][0091]
由此可得，四个插槽的坐标分别为：(9,10)、(9,30)、(36.8,10)、(36.8,30)；
[0092]
步骤s3：由于传热模块整体为类似于三明治的对称结构(如图1、图2所示)，将包括拓扑优化与后续的瞬态匀质性传热学仿真这两个有限元分析问题的维度从三维降低至二维，在传热端的长-宽平面上进行二维传热学研究；
[0093]
如图3所示：对于拓扑优化的边界条件设定，基于连续介质力学的基本假设，传热端与半导体制冷片的冷面紧密贴合的两个宽，可视作狄利克雷边界条件(dirichlet boundary condition)；其与冷冻管紧贴的插槽的圆型边界，则设定为诺伊曼边界条件(neumann boundary condition)，又称第二类边界条件；
[0094]
传热学拓扑优化的边界条件设定假设，与模拟生物材料溶液降温过程的瞬态匀质性传热学仿真的边界条件有所不同：拓扑优化的边界条件设置中，假设半导体制冷片的温度为某一有别于环境温度的定值(狄利克雷边界条件)，作为温度稳定的热源存在，因为拓扑优化的目的是使传热端各处的热通量尽可能均匀的前提下，减少传热端整体的质量，从而提高传热端服从半导体制冷片功率输出变化的响应能力；即：拓扑优化进行的是空间的优化，因此不需要考虑瞬态传热问题中时间的增量，故可以将与两个半导体制冷片冷面接触的两个宽设定为狄利克雷边界条件，进行只考虑初态-平衡态的简单传热模拟，进一步将求解过程稳定化，以确保问题的可解性和唯一性；
[0095]
步骤s4：基于传热学仿真软件，构建二维传热面的有限元网络；例如：采用基于c++环境的名为freefem4.61的软件，该软件的优点是可以自定义网格大小分布、自定义传热方程等；
[0096]
步骤s5：将二维传热面的形状用ω表示，其边界由三个不相交的部分组成，具体为：
[0097][0098]
由上式可知，二维传热面的形状ω的变化，可视为两个与半导体制冷片(热源)接触的宽γd、与冷冻管紧贴的插槽的圆形边界γn、以及剩余的自由优化部分γ的并集；
[0099]
连续体的热传导研究中温度场t(x)：ω
→rn
通过以下方式获得：
[0100][0101]
其表示在整个二维传热面ω上，拓扑优化的热传导方程式成立；
[0102][0103]
其表示在狄利克雷边界γd上，半导体制冷片热源的温度固定；
[0104][0105]
其表示在诺依曼边界γn上，热流量qn通向插槽的圆型边界的法向量
[0106][0107]
其表示通过调整二维传热面中自由优化部位γ的材料密度ρ(x)，获得合理的材料分布，从而最终均匀化、最小化传热端的热通量；
[0108]
其中，是nabla算子、又称向量微分算子，此处表示进行二维空间的两个空间向量的偏导数运算；是数学意义上空间坐标的全称量词，在此二维空间背景下，即满足后续定义条件的所有二维空间坐标的选取；
[0109]
拓扑优化过程中，将传热端的材料视为紫铜与空气的混合；基于紫铜的导热系数远高于空气的导热系数的前提，自由优化部分的材料有效导热系数为：
[0110]
κ
γ
(x)＝κ
air
·
(1-ρ(x)
p
)+κ
cu
·
ρ(x)
p
；
[0111]
式中：p表示惩罚因子，用于控制材料密度对热导率的影响；κ
cu
为390w/(m.k)，κ
air
为0.025w/(m.k)；
[0112]
由于本技术方案是在边界γn上最小化t(x)2，也就是最小化热量的传递，因此，为了同时达成：由γd到γn的路径上最小化能量损失，同时，紫铜传热端的插槽所环绕的γn的热通量趋于均匀的目标；拓扑优化的目标函数具体为：
[0113]
obj(t,qn)＝∫t(x)2dγn+λn∫(qn(x)-q
avg
)2dγn；
[0114]
式中：λn表示一个用于均匀化的拉格朗日乘子，为经验常数，本实施例为0.3，若收敛困难，也可适当降低该值，但不能为负值；q
avg
表示边界γn上的平均热通量；
[0115][0116]
式中：ds表示微小的边界长度元素；
[0117]
热传导问题的弱形式具体为：
[0118][0119][0120]
式中：v(x)表示用于求解偏微分方程(pde)的弱形式的辅助函数；在有限元方法中，弱形式是一种将pde问题转化为线性代数问题的方法，以便进行数值求解；
[0121]
与热传导问题配合的伴随问题，在拓扑优化过程中有助于计算目标函数的敏感度，其弱形式具体为：
[0122][0123][0124][0125]
其中，伴随函数pp(x)的解与原始热传导问题的解，共同作用于拓扑优化过程，从而获得目标函数obj(x)的敏感度；
[0126]
能量密度的梯度为：
[0127][0128]
迭代方程为：
[0129][0130]
式中：τ表示步长，用于控制优化算法每次迭代时参数更新的幅度，本实施例中步长为0.1；j表示迭代次数，本实施例中总迭代次数为200次；
[0131]
惩罚因子p具体为：
[0132][0133]
步骤s6：对拓扑优化结果进行判断，若对称轴两侧的插槽周围的紫铜材料相交，则进行下述步骤s7；若对称轴两侧的插槽周围的紫铜材料不相交，则将紫铜传热端的长度l减短0.2mm，并返回步骤s2，进行循环迭代；
[0134]
步骤s7：保存优化结果，将最终拓扑优化的结合以图片形式保存。
[0135]
实施例3：
[0136]
一种用于生物冻存的传热模块的制造方法，其特征在于：首先，将最终的二维拓扑优化结果在cad软件中进行等比例绘制、并采用凸台拉伸成三维结构；之后，在传热端的两侧分别加上厚度为1.5mm的紫铜薄板，从而能够与半导体制冷片冷面贴合；再将每一个在插槽与贴合半导体制冷片冷面的紫铜薄板正中间的树突状紫铜结构，做模糊化填充处理；然后，将除了与半导体制冷片冷面有接触以外的所有的与插槽轴线平行的边，进行半径为0.5mm的倒圆角处理；最后将绘制好的cad三维图保存为.stp或.step的格式。
[0137]
然后，采用三轴数控铣床对紫铜方块进行减材加工，加工刀具采用直径≤1mm的深沟铣刀，加工刀具的有效长度(即刀刃长度+避空长度)大于传热端高度的1/2，以便于进行正、反切削加工；例如：半导体制冷片的尺寸为40
×
40mm，则紫铜传热端高度也为40mm，则1mm的深沟铣刀的刀刃长度+避空长度应该大于20mm，如有效长度为25mm的1mm钨钢合金深沟铣刀。
[0138]
加工过程中，插槽的圆柱度为
±
0.01mm，插槽实际加工直径比冷冻管直径大0.03mm且确保
±
0.01mm的公差；与半导体制冷片冷面接触的两个传热面，确保
±
0.02mm的平面度；加工完成后，获得传热模块。

技术特征：
1.一种用于生物冻存的传热模块，其特征在于：包括半导体制冷片(10)、紫铜传热端(20)与冷冻管(30)，其中，半导体制冷片(10)为两块对称设置的方形薄板，紫铜传热端(20)设置在两块方形薄板之间且半导体制冷片(10)的冷面贴向紫铜传热端(20)；冷冻管(30)为内圆底空心圆柱体，紫铜传热端(20)对应冷冻管(30)的结构均匀开设插槽，插槽的数量为偶数且关于两块半导体制冷片(10)的中线对称设置。2.根据权利要求1所述的一种用于生物冻存的传热模块，其特征在于：所述半导体制冷片的尺寸为s
×
s
×
d，其材料为n与p型的碲化铋(bi2te3)；冷冻管采用聚丙烯，其内径为r1、外径为r2、高度为h。3.根据权利要求1或2所述的一种用于生物冻存的传热模块的设计方法，其特征在于：包括：步骤s1：结合紫铜传热端的基础、固定的特征，在进行拓扑优化之前，假设紫铜传热端为长方体，其长宽尺寸受到半导体制冷片尺寸的限制，其中，紫铜传热端的长为：式中：l
j
表示假设的紫铜传热端的长度；表示冷冻管的外径；初始长度l0为：式中：表示插槽的直径；表示横向传热长度，横向传热长度会跟随下述步骤，以迭代循环的方式减小至合理值；步骤s2：在一个传热模块内，插槽数量n
c
与圆柱插槽的圆心的坐标(x
c
,y
c
)取决于半导体制冷片的尺寸以及冷冻管外径具体为：式中，l
tec
表示半导体制冷片冷面长边的长；y
c
表示插槽在传热模块结构对称轴轴向上的各个圆心坐标y
c,i
的点集；x
c-l
、x
c-r
分别表示插槽在横向传热方向上的左、右圆心坐标；l表示紫铜传热端的长度；步骤s3：将包括拓扑优化与后续的瞬态匀质性传热学仿真这两个有限元分析问题的维度从三维降低至二维，在传热端的长-宽平面上进行二维传热学研究；对于拓扑优化的边界条件设定，基于连续介质力学的基本假设，传热端与半导体制冷片的冷面紧密贴合的两个宽，视作狄利克雷边界条件；其与冷冻管紧贴的插槽的圆型边界，则设定为诺伊曼边界条件，又称第二类边界条件；步骤s4：基于传热学仿真软件，构建二维传热面的有限元网络；步骤s5：将二维传热面的形状用ω表示，其边界由三个不相交的部分组成，具体为：
由上式可知，二维传热面的形状ω的变化，可视为两个与半导体制冷片接触的宽γ
d
、与冷冻管紧贴的插槽的圆形边界γ
n
、以及剩余的自由优化部分γ的并集；连续体的热传导研究中温度场t(x)：ω
→
r
n
通过以下方式获得：其表示在整个二维传热面ω上，拓扑优化的热传导方程式成立；其表示在狄利克雷边界γ
d
上，半导体制冷片热源的温度固定；其表示在诺依曼边界γ
n
上，热流量q
n
通向插槽的圆型边界的法向量通向插槽的圆型边界的法向量其表示通过调整二维传热面中自由优化部位γ的材料密度ρ(x)，获得合理的材料分布，从而最终均匀化、最小化传热端的热通量；拓扑优化过程中，将传热端的材料视为紫铜与空气的混合；基于紫铜的导热系数远高于空气的导热系数的前提，自由优化部分的材料有效导热系数为：κ
γ
(x)＝κ
air
·
(1-ρ(x)
p
)+κ
cu
·
ρ(x)
p
；式中：p表示惩罚因子，用于控制材料密度对热导率的影响；由于本申请方案是在边界γ
n
上最小化t(x)2，也就是最小化热量的传递，因此，拓扑优化的目标函数具体为：obj(t,q
n
)＝∫t(x)2dγ
n
+λ
n
∫(q
n
(x)-q
avg
)2dγ
n
；式中：λ
n
表示一个用于均匀化的拉格朗日乘子，为经验常数；q
avg
表示边界γ
n
上的平均热通量；式中：ds表示微小的边界长度元素；热传导问题的弱形式具体为：热传导问题的弱形式具体为：式中：v(x)表示用于求解偏微分方程的弱形式的辅助函数；与热传导问题配合的伴随问题，在拓扑优化过程中有助于计算目标函数的敏感度，其弱形式具体为：弱形式具体为：
其中，伴随函数pp(x)的解与原始热传导问题的解，共同作用于拓扑优化过程，从而获得目标函数obj(x)的敏感度；能量密度的梯度为：迭代方程为：式中：τ表示步长，用于控制优化算法每次迭代时参数更新的幅度；j表示迭代次数；步骤s6：对拓扑优化结果进行判断，若对称轴两侧的插槽周围的紫铜材料相交，则进行下述步骤s7；若对称轴两侧的插槽周围的紫铜材料不相交，则将紫铜传热端的长度l减短0.2mm，并返回步骤s2，进行循环迭代；步骤s7：保存优化结果，将最终拓扑优化的结合以图片形式保存。4.根据权利要求1或3所述的一种用于生物冻存的传热模块的设计方法，其特征在于：所述拉格朗日乘子λ
n
为0.3。5.根据权利要求1或3所述的一种用于生物冻存的传热模块的设计方法，其特征在于：所述步长τ为0.1；迭代次数j为1～200。6.根据权利要求1或5所述的一种用于生物冻存的传热模块的设计方法，其特征在于：所述惩罚因子p具体为：

技术总结
本发明提供一种用于生物冻存的传热模块及其设计、制造方法，其通过假设紫铜传热端的初始形状、计算获得插槽的数量以及圆心定位、设定传热学拓补优化的边界条件、构件二维传热面的有限网络、进行匀质化的SIMP法迭代、对拓扑优化结果进行判断，从而完成对用于生物冻存的传热模块的设计，以适配并优化基于半导体制冷的生物冻存设备。本申请设计方法获得的传热模块对能够满足常压缓速冻存过程中对生物材料的降温速率和温度均匀性的要求，实现对降温速率的精确控制，降低冻存物损坏、失活等风险。失活等风险。失活等风险。


技术研发人员：黄琨洋 崔清海 胡鑫 赵雨馨 陈育罕 黄淳昕 黄理鑫
受保护的技术使用者：黄理鑫
技术研发日：2023.06.07
技术公布日：2023/8/6