IJHMT：散热器热设计优化综述

论文信息：

Hamdi E. Ahmed , B.H. Salman , A.Sh. Kherbeet , M.I. Ahmed,Optimization of thermal design of heat sinks: A review.International Journal of Heat and Mass Transfer 118 (2018) 129–153

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.10.099

Part.1

研究背景

本文对散热器水热设计的优化方法进行了全面综述，涵盖了通过修改固体域或流体域来增强散热器散热的被动和主动技术相关研究，总结了提升散热器热性能的研究成果、局限性以及尚未解决的问题和提出的解决方案。随着电子设备向高性能、小型化方向不断发展，散热问题已成为其发展的主要障碍。在过去的二十年中，微通道紧凑型换热器的优势受到了研究人员的广泛关注。研究人员对微通道散热器的使用产生了浓厚兴趣，这得益于其紧凑性、高功率体积比和少量冷却剂需求等独特特性。低热阻、均匀的温度分布、基底表面的最低最高温度、低泵送功率、高紧凑性和低制造成本仍然是微通道散热器的基本要求。单层微通道散热器于 1981 年首次由塔克曼和皮斯提出。沿通道相对较高且不均匀的温度分布仍然是单层微通道散热器的缺点。1999 年，瓦法伊和朱提出了一种双层微通道散热器设计（顶层和底层），作为减少沿散热器温度变化的替代方法。与传统散热器相比，所提出的散热器具有更大的水力直径，可以保证受热表面上更均匀的温度分布。因此，有必要进一步研究多层微通道散热器设计的水热性能。

Part.2

研究内容

研究发现，在小倾角情况下，对流传热速率几乎保持不变。他们的关联式涵盖了所有可能的倾角，误差小于 20%。沈等人在自然对流模式下发现，密集的翅片阵列受排列方向的影响较大。图 1 显示了他们研究中考虑的排列方向角度。江等人研究了排列方向对用于冷却 LED 灯泡的圆柱形散热器自然对流和辐射的影响，如图 2 所示。

图 1：散热器排列方向的示意图

图 2：（a）LED 灯泡用圆柱形散热器的示意图；（b）计算域

科斯塔和洛佩斯在自然对流条件下对发光二极管（LED）灯用散热器的热性能进行了改进，如图 3 所示。他们考察了翅片的数量、厚度、长度和高度的影响。

图 3：散热器

金在其研究中优化了在垂直于水流方向上具有分支翅片的散热器的热性能，如图 4 所示。结果表明，与标准散热器相比，优化后的分支翅片散热器的热阻降低了高达 30%。热阻的这种降低随着泵送功率的增加和散热器长度的减小而增大。

图 4：平板翅片散热器的示意图，（a）Y 形；（b）倒 Y 形

洪等人考察了具有单层（SL）、双层（DL）或锥形（T）通道的微通道散热器，如图 5 所示。他们报告说，锥形通道设计的温差最小，温度分布最均匀（与其他设计相比是最佳设计），其次是双层通道和单层通道结构。在所有情况下，最佳热阻都随着泵送功率的增加而减小，并且在锥形通道设计中观察到最低的热阻。

图 5：微通道散热器的单个通道

维诺丹和拉詹研究了微通道散热器进出口位置对热阻和基底温度分布的影响。与传统设计相比，他们的新设计获得了更好的热阻。他们激励其他研究人员可以通过改变通道尺寸来进一步优化该设计。如图 6 所示的配置。

图 6：微通道散热器固体和液体区域的温度轮廓，（a）-（d）新提出的设计；（e）传统设计

夏等人分析了不同进出口位置（图 7（A））和集管形状（图 7（B））对微通道散热器热阻的影响。他们强调，I 型提供了更好的流速均匀性和对称的流动分布，而 Z 型在其中表现最差。研究发现，矩形集管形状比梯形集管具有更好的流速均匀性，梯形集管又优于三角形集管。

图 7：（A）进出口位置和（B）微通道散热器集管的示意图

莱利亚对微管散热器的几何参数进行了优化，以提高其热性能。入口横截面为矩形，且与管轴相切放置，如图 8 所示。管壁附近的轴向速度较高，而在管的中心线处速度降低。这种速度分布导致更高的传热吸收，最终实现热增强。

图 8：单个微管的几何形状，（a）侧视图；（b）正视图

纳蓬和克兰查特测试了出口位置对迷你矩形翅片散热器内流体射流冲击的影响，如图 9 所示。他们发现出口位置对流体流动和温度分布有显著影响。

图 9：散热器进出口位置的示意图

陈和陈考察了具有各种进出口布置的微通道散热器，如图 10 所示。他们发现，由于流体对流无法散热，散热器边缘的温度最高。

图 10：微通道散热器的几何配置

龚等人表明，微通道散热器的布局对于提高散热器的热性能非常重要，通过在入口集管中填充泡沫金属可以加强流动分布的均匀性，如图 11 所示。针状翅片阵列的排列增强了散热器的整体热性能。

图 11：微通道散热器的结构；（a）针状翅片散热器；（b）单孔射流冷却散热器；（c）双层微通道散热器

陈等人探索了散热器的不同进出口布置，以获得最低的热阻和更优的温度分布。他们提出的设计如图 12 所示。

图 12：具有不同进出口布置的散热器提出的设计

杨等人考察了湍流流动状态下空气射流冲击旋转和静止散热器的情况，如图 13 所示。他们发现，对于静止散热器，努塞尔数随着雷诺数的增加而增加。

图 13：旋转散热器

曲等人探索了一种混合散热器，其平行板翅片烧结在基底顶部，基底的中空底部填充有三种不同类型的金属，如图 14 所示。这三种类型分别是铜泡沫 - 石蜡复合材料、纯石蜡和实心铜基底。

图 14：三种散热模式的实验装置（a）泡沫 - 相变材料复合材料；（b）纯相变材料；（c）实心基底

王等人通过实验探索了微通道散热器的倾角对介电流体 HFE-7100 对流沸腾传热的影响，如图 15 所示。他们观察到，垂直向上和水平布置的传热系数相似，而对于 45 度向上布置，传热系数显著高于其他配置。

图 15：（左）倾斜微通道散热器；（右）对称 / 不对称拉长气泡及其尺寸变化

林等人测试了平板翅片散热器的倾斜阵列，以避免因增加翅片数量以增加传热表面积而导致的流动阻力增加，如图 16 所示。他们提出的散热器设计由于具有更大的表面积和加速翅片之间的流动，比垂直平板翅片散热器表现出更好的性能。

图 16：（a）垂直平板翅片散热器；（b）倾斜翅片散热器

黄等人对具有非均匀翅片宽度的矩形针状翅片散热器的热设计进行了优化。黄和陈通过改变翅片的宽度和高度优化了散热器设计。他们的散热器设计如图 17 所示。

图 17：（a）不同宽度翅片的散热器；（b）不同宽度和高度翅片的散热器

沙菲耶等人研究了水冷却的针状翅片微通道散热器的层流强制对流，如图 18 所示。他们使用熵产最小化方法对散热器进行了优化。

图 18：不同针状翅片微通道散热器的示意图，（a）倾斜翅片针状翅片微通道散热器；（b）倾斜针状翅片微通道散热器；（c）错排针状翅片微通道散热器

阿尔 - 萨拉米等人表明，穿孔针状翅片散热器能有效增强传热，如图 19 所示。他们发现，条形翅片的错排布置优于顺排布置。使用穿孔翅片的好处在于能够增强传热，同时显著降低压降和散热器质量。

图 19：穿孔针状翅片散热器（顺排配置）

阿尔 - 达穆克等人通过计算研究了带有矩形开槽或缺口穿孔的针状翅片散热器的热性能，如图 20 所示。他们发现，随着矩形穿孔尺寸的增加，传热速率增加，压降降低。

图 20：开槽和缺口穿孔针状翅片散热器

赵等人通过改变针状翅片的孔隙率和布置角度，数值上增强了微型方形针状翅片散热器的冷却性能，如图 21 所示。他们获得了最佳的孔隙率和布置角度以实现最佳的热性能。

图 21：方形针状翅片散热器，（a）0 度旋转角；（b）45 度旋转角

郑和曾在高温下通过薄层将烧结铜珠与铜散热器的径向平板翅片平滑地结合在一起，形成了一种 LED 冷却装置。他们考察了穿孔和非穿孔散热器，如图 22 所示（仅展示穿孔类型）。

图 22：板状散热器（a）模型 A：无多孔介质的穿孔散热器；（b）模型 B：带多孔介质的穿孔烧结青铜珠层散热器；（c）模型 C：带多孔介质的穿孔烧结青铜珠层散热器

邓等人评估了一种新型凹入式多孔微通道散热器的两相沸腾传热性能，以展示其使用去离子水作为冷却剂的可行性和适用性，如图 23 所示。他们发现，凹入式多孔微通道散热器显著降低了沸腾起始时的壁面过热度，使两相传热系数增加了 2 至 5 倍，并在低至中等热流密度下延迟和缓解了两相流动不稳定性。

图 23：凹入式多孔微通道散热器的扫描电子显微镜照片，（a）横截面；（b）微通道的俯视图

冯等人研究了在冲击空气射流冷却下带翅片金属泡沫散热器（FMFHS）和金属泡沫散热器（MFHS）的热性能，如图 24 所示。他们的实验结果表明，在相应的流量下，当泡沫高度增加时，金属泡沫散热器的传热单调下降，而带翅片金属泡沫散热器的传热先增加后略有下降。

图 24：测试样品，（a）带翅片金属泡沫散热器；（b）金属泡沫散热器，高度为 30 毫米

艾哈迈德等人通过在通道之间插入不同尺寸、位置、数量和方向的肋片，优化了平板翅片散热器的热设计，如图 25 所示。他们考察了在保持翅片数量不变和减少翅片数量的情况下插入肋片对通道的影响。

图 25：（a）平板翅片散热器的几何参数示意图；（b）计算域

蔡等人研究了平板隔热罩的倾角对矩形散热器水热性能的影响，如图 26 所示。由于阻塞效应，倾角的变化在散热器的上游和下游都对流动场产生了显著影响，导致散热器进出口之间的压降明显增加。

图 26：平板翅片散热器的倾斜平板隔热罩

李等人通过实验和模拟研究了在横流通道中安装一对涡流发生器（VG）的平板翅片散热器，如图 27 所示。观察到，当涡流发生器后缘之间的距离可忽略不计时，由于空气难以流入散热器，热性能较差。当涡流发生器后缘之间的距离等于散热器的长度，且每个涡流发生器后缘与散热器前端之间的距离为零时，观察到最佳的热性能。

图 27：（a）带涡流发生器的散热器；（b）同向流动向上配置的涡流发生器；（c）同向流动向下配置的涡流发生器

李等人提出了一种新型水冷微通道散热器设计，其带有垂直 Y 形分叉板（角度范围为 60 度至 180 度），以扩大散热表面面积，如图 28 所示。

图 28：带有 Y 形分叉的单个微通道的正视图

谢等人对层流流动状态下具有多级分叉板的微通道散热器进行了建模，如图 29 所示。他们发现，与相应的传统散热器相比，带有多级分叉的微通道散热器具有更好的热性能，特别是分叉长度较长的散热器。

图 29：带有多级分叉板的单个微通道的俯视图

辛格和帕蒂尔对在自然对流条件下翅片表面具有重复压痕的压花散热器进行了建模，如图 30 所示。

图 30：压花翅片的几何形状

库普萨米等人通过在矩形通道壁上以交替方向引入倾斜通道，研究了微通道散热器中的二次流动，如图 31 所示。这些通道可能会破坏流体动力学边界层，并在后续壁的前缘重新发展。

图 31：微通道散热器的示意图

库普萨米等人使用纳米流体优化了梯形槽微通道散热器的热性能。他们声称，如图 32 所示，梯形槽的（a）值最大而（b）值最小时，显示出最大的热性能。

图 32：研究中变化的微通道散热器的几何参数

柴等人通过实验和数值模拟探索了周期性扩张 - 收缩横截面对微通道散热器传热的影响，如图 33（a）所示。他们发现，所提出的散热器设计的努塞尔数增加了高达 1.8 倍。柴等人通过数值模拟分析了带有偏移扇形凹入腔的微通道散热器的水热行为，如图 33（b）所示。这种配置改善了传热性能，压降适中。

图 33：（a）微通道散热器的结构；（b）带有偏移扇形凹入腔的微通道散热器

而夏等人将他们的研究重点放在图 34 所示的微通道散热器配置上。与矩形通道相比，他们获得的努塞尔数增强了 1.3 至 3 倍，摩擦系数增加了 6.5 倍。

图 34：单个微通道的结构

柴等人通过数值模拟考察了插入横向（间断）微通道中的矩形肋片，如图 35 所示。变量参数是肋片的长度和宽度以及肋片位置的布置。

图 35：新型带有矩形肋片的间断微通道

洪和程通过数值模拟优化了使用水作为冷却剂的偏移条形翅片微通道散热器的热性能，如图 36 所示。他们指出，由于流动方向的周期性变化，冷热流体的混合增强了对流传热。

图 36：偏移条形翅片微通道

洪等人通过数值模拟探索了双层微通道散热器的传热特性，如图 37 所示。他们的预测表明，具有更高导热系数比的基底材料提供了更高的散热器热性能。具有高导热系数和低动态粘度的冷却剂观察到更好的传热效果。

图 37：双层微通道散热器的示意图

范等人考察了一种新型圆柱形倾斜翅片迷你通道散热器，以优化层流流动状态下散热器的热性能，如图 38 所示。倾斜角度在 20 度至 45 度之间变化，雷诺数范围在 200 至 900 之间。他们发现，努塞尔数取决于倾斜翅片的几何参数、雷诺数和普朗特数。

图 38：圆柱形倾斜翅片迷你通道散热器的全域配置

艾哈迈德和艾哈迈德在层流强制对流传热下，优化了槽形微通道散热器（GMCHS）的凹槽深度、尖端长度、间距和排列方向等几何参数，如图 39 所示。凹槽尖端长度的变化可以将凹槽形状从三角形改变为梯形，然后变为矩形。

图 39：带有梯形腔的微通道

Part.3

研究总结

本文围绕散热器水热性能优化，从脉动流动与搅拌、翅片形状及排列、进出口布置、静 / 旋转状态、基底材料、通道配置、泡沫与多孔介质添加、扰流件使用、工作流体添加剂、单 / 双层结构、尺寸调整等多方面，系统综述了相关优化技术。倾角、排列方向和瑞利数对散热器散热至关重要，自然对流传热仍需深入研究。外力施加、翅片与通道参数调整、基底填充等方式能有效优化热设计；旋转散热器相关研究数据匮乏，多孔介质或穿孔翅片类散热器传热更优但需关注压降，挡板、涡流发生器等部件及双层结构、小型化设计均能提升性能，迷你与微通道散热器的传统流体及纳米流体应用研究较为丰富。主动增强散热器热性能的研究较少，未来需关注莲花型多孔铜散热器的孔隙参数优化、多层微通道散热器热设计、平板翅片凹槽及开槽翅片相关研究，探索散热器基底填充不同泡沫和圆角的效果，同时解决纳米流体在微通道中易沉降团聚、多孔介质存在时该问题更复杂的难题。

Ahmed 等 - 2018 - Optimization of thermal design of heat sinks a review.pdf

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