IJHMT：散熱器熱設計優化綜述

論文信息：

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

論文鏈接：

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

Part.1

研究背景

本文對散熱器水熱設計的優化方法進行了全面綜述，涵蓋了通過修改固體域或流體域來增強散熱器散熱的被動和主動技術相關研究，總結了提升散熱器熱性能的研究成果、局限性以及尚未解決的問題和提出的解決方案。隨著電子設備向高性能、小型化方向不斷發展，散熱問題已成為其發展的主要障礙。在過去的二十年中，微通道緊湊型換熱器的優勢受到了研究人員的廣泛關注。研究人員對微通道散熱器的使用產生了濃厚興趣，這得益于其緊湊性、高功率體積比和少量冷卻劑需求等獨特特性。低熱阻、均勻的溫度分布、基底表面的最低最高溫度、低泵送功率、高緊湊性和低制造成本仍然是微通道散熱器的基本要求。單層微通道散熱器于 1981 年首次由塔克曼和皮斯提出。沿通道相對較高且不均勻的溫度分布仍然是單層微通道散熱器的缺點。1999 年，瓦法伊和朱提出了一種雙層微通道散熱器設計（頂層和底層），作為減少沿散熱器溫度變化的替代方法。與傳統散熱器相比，所提出的散熱器具有更大的水力直徑，可以保證受熱表面上更均勻的溫度分布。因此，有必要進一步研究多層微通道散熱器設計的水熱性能。

Part.2

研究內容

研究發現，在小傾角情況下，對流傳熱速率幾乎保持不變。他們的關聯式涵蓋了所有可能的傾角，誤差小于 20%。沈等人在自然對流模式下發現，密集的翅片陣列受排列方向的影響較大。圖 1 顯示了他們研究中考慮的排列方向角度。江等人研究了排列方向對用于冷卻 LED 燈泡的圓柱形散熱器自然對流和輻射的影響，如圖 2 所示。

圖 1：散熱器排列方向的示意圖

圖 2：（a）LED 燈泡用圓柱形散熱器的示意圖；（b）計算域

科斯塔和洛佩斯在自然對流條件下對發光二極管（LED）燈用散熱器的熱性能進行了改進，如圖 3 所示。他們考察了翅片的數量、厚度、長度和高度的影響。

圖 3：散熱器

金在其研究中優化了在垂直于水流方向上具有分支翅片的散熱器的熱性能，如圖 4 所示。結果表明，與標準散熱器相比，優化后的分支翅片散熱器的熱阻降低了高達 30%。熱阻的這種降低隨著泵送功率的增加和散熱器長度的減小而增大。

圖 4：平板翅片散熱器的示意圖，（a）Y 形；（b）倒 Y 形

洪等人考察了具有單層（SL）、雙層（DL）或錐形（T）通道的微通道散熱器，如圖 5 所示。他們報告說，錐形通道設計的溫差最小，溫度分布最均勻（與其他設計相比是最佳設計），其次是雙層通道和單層通道結構。在所有情況下，最佳熱阻都隨著泵送功率的增加而減小，并且在錐形通道設計中觀察到最低的熱阻。

圖 5：微通道散熱器的單個通道

維諾丹和拉詹研究了微通道散熱器進出口位置對熱阻和基底溫度分布的影響。與傳統設計相比，他們的新設計獲得了更好的熱阻。他們激勵其他研究人員可以通過改變通道尺寸來進一步優化該設計。如圖 6 所示的配置。

圖 6：微通道散熱器固體和液體區域的溫度輪廓，（a）-（d）新提出的設計；（e）傳統設計

夏等人分析了不同進出口位置（圖 7（A））和集管形狀（圖 7（B））對微通道散熱器熱阻的影響。他們強調，I 型提供了更好的流速均勻性和對稱的流動分布，而 Z 型在其中表現最差。研究發現，矩形集管形狀比梯形集管具有更好的流速均勻性，梯形集管又優于三角形集管。

圖 7：（A）進出口位置和（B）微通道散熱器集管的示意圖

萊利亞對微管散熱器的幾何參數進行了優化，以提高其熱性能。入口橫截面為矩形，且與管軸相切放置，如圖 8 所示。管壁附近的軸向速度較高，而在管的中心線處速度降低。這種速度分布導致更高的傳熱吸收，最終實現熱增強。

圖 8：單個微管的幾何形狀，（a）側視圖；（b）正視圖

納蓬和克蘭查特測試了出口位置對迷你矩形翅片散熱器內流體射流沖擊的影響，如圖 9 所示。他們發現出口位置對流體流動和溫度分布有顯著影響。

圖 9：散熱器進出口位置的示意圖

陳和陳考察了具有各種進出口布置的微通道散熱器，如圖 10 所示。他們發現，由于流體對流無法散熱，散熱器邊緣的溫度最高。

圖 10：微通道散熱器的幾何配置

龔等人表明，微通道散熱器的布局對于提高散熱器的熱性能非常重要，通過在入口集管中填充泡沫金屬可以加強流動分布的均勻性，如圖 11 所示。針狀翅片陣列的排列增強了散熱器的整體熱性能。

圖 11：微通道散熱器的結構；（a）針狀翅片散熱器；（b）單孔射流冷卻散熱器；（c）雙層微通道散熱器

陳等人探索了散熱器的不同進出口布置，以獲得最低的熱阻和更優的溫度分布。他們提出的設計如圖 12 所示。

圖 12：具有不同進出口布置的散熱器提出的設計

楊等人考察了湍流流動狀態下空氣射流沖擊旋轉和靜止散熱器的情況，如圖 13 所示。他們發現，對于靜止散熱器，努塞爾數隨著雷諾數的增加而增加。

圖 13：旋轉散熱器

曲等人探索了一種混合散熱器，其平行板翅片燒結在基底頂部，基底的中空底部填充有三種不同類型的金屬，如圖 14 所示。這三種類型分別是銅泡沫 - 石蠟復合材料、純石蠟和實心銅基底。

圖 14：三種散熱模式的實驗裝置（a）泡沫 - 相變材料復合材料；（b）純相變材料；（c）實心基底

王等人通過實驗探索了微通道散熱器的傾角對介電流體 HFE-7100 對流沸騰傳熱的影響，如圖 15 所示。他們觀察到，垂直向上和水平布置的傳熱系數相似，而對于 45 度向上布置，傳熱系數顯著高于其他配置。

圖 15：（左）傾斜微通道散熱器；（右）對稱 / 不對稱拉長氣泡及其尺寸變化

林等人測試了平板翅片散熱器的傾斜陣列，以避免因增加翅片數量以增加傳熱表面積而導致的流動阻力增加，如圖 16 所示。他們提出的散熱器設計由于具有更大的表面積和加速翅片之間的流動，比垂直平板翅片散熱器表現出更好的性能。

圖 16：（a）垂直平板翅片散熱器；（b）傾斜翅片散熱器

黃等人對具有非均勻翅片寬度的矩形針狀翅片散熱器的熱設計進行了優化。黃和陳通過改變翅片的寬度和高度優化了散熱器設計。他們的散熱器設計如圖 17 所示。

圖 17：（a）不同寬度翅片的散熱器；（b）不同寬度和高度翅片的散熱器

沙菲耶等人研究了水冷卻的針狀翅片微通道散熱器的層流強制對流，如圖 18 所示。他們使用熵產最小化方法對散熱器進行了優化。

圖 18：不同針狀翅片微通道散熱器的示意圖，（a）傾斜翅片針狀翅片微通道散熱器；（b）傾斜針狀翅片微通道散熱器；（c）錯排針狀翅片微通道散熱器

阿爾 - 薩拉米等人表明，穿孔針狀翅片散熱器能有效增強傳熱，如圖 19 所示。他們發現，條形翅片的錯排布置優于順排布置。使用穿孔翅片的好處在于能夠增強傳熱，同時顯著降低壓降和散熱器質量。

圖 19：穿孔針狀翅片散熱器（順排配置）

阿爾 - 達穆克等人通過計算研究了帶有矩形開槽或缺口穿孔的針狀翅片散熱器的熱性能，如圖 20 所示。他們發現，隨著矩形穿孔尺寸的增加，傳熱速率增加，壓降降低。

圖 20：開槽和缺口穿孔針狀翅片散熱器

趙等人通過改變針狀翅片的孔隙率和布置角度，數值上增強了微型方形針狀翅片散熱器的冷卻性能，如圖 21 所示。他們獲得了最佳的孔隙率和布置角度以實現最佳的熱性能。

圖 21：方形針狀翅片散熱器，（a）0 度旋轉角；（b）45 度旋轉角

鄭和曾在高溫下通過薄層將燒結銅珠與銅散熱器的徑向平板翅片平滑地結合在一起，形成了一種 LED 冷卻裝置。他們考察了穿孔和非穿孔散熱器，如圖 22 所示（僅展示穿孔類型）。

圖 22：板狀散熱器（a）模型 A：無多孔介質的穿孔散熱器；（b）模型 B：帶多孔介質的穿孔燒結青銅珠層散熱器；（c）模型 C：帶多孔介質的穿孔燒結青銅珠層散熱器

鄧等人評估了一種新型凹入式多孔微通道散熱器的兩相沸騰傳熱性能，以展示其使用去離子水作為冷卻劑的可行性和適用性，如圖 23 所示。他們發現，凹入式多孔微通道散熱器顯著降低了沸騰起始時的壁面過熱度，使兩相傳熱系數增加了 2 至 5 倍，并在低至中等熱流密度下延遲和緩解了兩相流動不穩定性。

圖 23：凹入式多孔微通道散熱器的掃描電子顯微鏡照片，（a）橫截面；（b）微通道的俯視圖

馮等人研究了在沖擊空氣射流冷卻下帶翅片金屬泡沫散熱器（FMFHS）和金屬泡沫散熱器（MFHS）的熱性能，如圖 24 所示。他們的實驗結果表明，在相應的流量下，當泡沫高度增加時，金屬泡沫散熱器的傳熱單調下降，而帶翅片金屬泡沫散熱器的傳熱先增加后略有下降。

圖 24：測試樣品，（a）帶翅片金屬泡沫散熱器；（b）金屬泡沫散熱器，高度為 30 毫米

艾哈邁德等人通過在通道之間插入不同尺寸、位置、數量和方向的肋片，優化了平板翅片散熱器的熱設計，如圖 25 所示。他們考察了在保持翅片數量不變和減少翅片數量的情況下插入肋片對通道的影響。

圖 25：（a）平板翅片散熱器的幾何參數示意圖；（b）計算域

蔡等人研究了平板隔熱罩的傾角對矩形散熱器水熱性能的影響，如圖 26 所示。由于阻塞效應，傾角的變化在散熱器的上游和下游都對流動場產生了顯著影響，導致散熱器進出口之間的壓降明顯增加。

圖 26：平板翅片散熱器的傾斜平板隔熱罩

李等人通過實驗和模擬研究了在橫流通道中安裝一對渦流發生器（VG）的平板翅片散熱器，如圖 27 所示。觀察到，當渦流發生器后緣之間的距離可忽略不計時，由于空氣難以流入散熱器，熱性能較差。當渦流發生器后緣之間的距離等于散熱器的長度，且每個渦流發生器后緣與散熱器前端之間的距離為零時，觀察到最佳的熱性能。

圖 27：（a）帶渦流發生器的散熱器；（b）同向流動向上配置的渦流發生器；（c）同向流動向下配置的渦流發生器

李等人提出了一種新型水冷微通道散熱器設計，其帶有垂直 Y 形分叉板（角度范圍為 60 度至 180 度），以擴大散熱表面面積，如圖 28 所示。

圖 28：帶有 Y 形分叉的單個微通道的正視圖

謝等人對層流流動狀態下具有多級分叉板的微通道散熱器進行了建模，如圖 29 所示。他們發現，與相應的傳統散熱器相比，帶有多級分叉的微通道散熱器具有更好的熱性能，特別是分叉長度較長的散熱器。

圖 29：帶有多級分叉板的單個微通道的俯視圖

辛格和帕蒂爾對在自然對流條件下翅片表面具有重復壓痕的壓花散熱器進行了建模，如圖 30 所示。

圖 30：壓花翅片的幾何形狀

庫普薩米等人通過在矩形通道壁上以交替方向引入傾斜通道，研究了微通道散熱器中的二次流動，如圖 31 所示。這些通道可能會破壞流體動力學邊界層，并在后續壁的前緣重新發展。

圖 31：微通道散熱器的示意圖

庫普薩米等人使用納米流體優化了梯形槽微通道散熱器的熱性能。他們聲稱，如圖 32 所示，梯形槽的（a）值最大而（b）值最小時，顯示出最大的熱性能。

圖 32：研究中變化的微通道散熱器的幾何參數

柴等人通過實驗和數值模擬探索了周期性擴張 - 收縮橫截面對微通道散熱器傳熱的影響，如圖 33（a）所示。他們發現，所提出的散熱器設計的努塞爾數增加了高達 1.8 倍。柴等人通過數值模擬分析了帶有偏移扇形凹入腔的微通道散熱器的水熱行為，如圖 33（b）所示。這種配置改善了傳熱性能，壓降適中。

圖 33：（a）微通道散熱器的結構；（b）帶有偏移扇形凹入腔的微通道散熱器

而夏等人將他們的研究重點放在圖 34 所示的微通道散熱器配置上。與矩形通道相比，他們獲得的努塞爾數增強了 1.3 至 3 倍，摩擦系數增加了 6.5 倍。

圖 34：單個微通道的結構

柴等人通過數值模擬考察了插入橫向（間斷）微通道中的矩形肋片，如圖 35 所示。變量參數是肋片的長度和寬度以及肋片位置的布置。

圖 35：新型帶有矩形肋片的間斷微通道

洪和程通過數值模擬優化了使用水作為冷卻劑的偏移條形翅片微通道散熱器的熱性能，如圖 36 所示。他們指出，由于流動方向的周期性變化，冷熱流體的混合增強了對流傳熱。

圖 36：偏移條形翅片微通道

洪等人通過數值模擬探索了雙層微通道散熱器的傳熱特性，如圖 37 所示。他們的預測表明，具有更高導熱系數比的基底材料提供了更高的散熱器熱性能。具有高導熱系數和低動態粘度的冷卻劑觀察到更好的傳熱效果。

圖 37：雙層微通道散熱器的示意圖

范等人考察了一種新型圓柱形傾斜翅片迷你通道散熱器，以優化層流流動狀態下散熱器的熱性能，如圖 38 所示。傾斜角度在 20 度至 45 度之間變化，雷諾數范圍在 200 至 900 之間。他們發現，努塞爾數取決于傾斜翅片的幾何參數、雷諾數和普朗特數。

圖 38：圓柱形傾斜翅片迷你通道散熱器的全域配置

艾哈邁德和艾哈邁德在層流強制對流傳熱下，優化了槽形微通道散熱器（GMCHS）的凹槽深度、尖端長度、間距和排列方向等幾何參數，如圖 39 所示。凹槽尖端長度的變化可以將凹槽形狀從三角形改變為梯形，然后變為矩形。

圖 39：帶有梯形腔的微通道

Part.3

研究總結

本文圍繞散熱器水熱性能優化，從脈動流動與攪拌、翅片形狀及排列、進出口布置、靜 / 旋轉狀態、基底材料、通道配置、泡沫與多孔介質添加、擾流件使用、工作流體添加劑、單 / 雙層結構、尺寸調整等多方面，系統綜述了相關優化技術。傾角、排列方向和瑞利數對散熱器散熱至關重要，自然對流傳熱仍需深入研究。外力施加、翅片與通道參數調整、基底填充等方式能有效優化熱設計；旋轉散熱器相關研究數據匱乏，多孔介質或穿孔翅片類散熱器傳熱更優但需關注壓降，擋板、渦流發生器等部件及雙層結構、小型化設計均能提升性能，迷你與微通道散熱器的傳統流體及納米流體應用研究較為豐富。主動增強散熱器熱性能的研究較少，未來需關注蓮花型多孔銅散熱器的孔隙參數優化、多層微通道散熱器熱設計、平板翅片凹槽及開槽翅片相關研究，探索散熱器基底填充不同泡沫和圓角的效果，同時解決納米流體在微通道中易沉降團聚、多孔介質存在時該問題更復雜的難題。

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

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