来源 | International Communications in Heat and Mass Transfer

链接 | https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2026.110703

01

背景介绍

随着芯片集成度不断提高，处理器热流密度急剧上升，尤其在高性能计算和人工智能芯片中，多个计算单元（多热源）的发热不均匀性成为严峻挑战。传统均质冷却方案无法匹配这种非均匀热负载，导致“局部过热”与“过度冷却”并存。TPMS结构凭借其极高的比表面积、连续光滑的流道和可设计的周期性，被认为是下一代高效冷却方案的理想选择。然而，此前研究多集中于单热源条件，对TPMS冷板在多热源场景下的针对性设计和性能优化缺乏深入探索。

02

成果掠影

近日，上海交通大学陈江平、俞彬彬团队提出了一种梯度优化的三重周期极小曲面（TPMS）冷板多热源芯片冷却。结合实验测量和数值模拟，系统地研究了TPMS结构和传统针翅结构的热工水力性能。研究结果表明，在高流速下，热性能表现为菱形翅片>螺旋翅片>针形翅片，其中菱形翅片的热阻（Ravg）降低了18.5%，平均对流换热系数（havg）提高了4.3（1.2kg/min）。此外，梯度融合方法有效地调制了TPMS单元格密度，显著增强了多个TPMS单元的散热匹配，优化的螺旋翅片和菱形翅片结构通过在1.2 kg/min下分别将最大基底温度降低3.3 K和4.1 K，实现热阻降低7.9%-11.4%，从而表现出显著的热点缓解。此外，数值模拟揭示了独特的涡流机制：螺旋翅片的S形通道产生横向涡流，菱形翅片形成高应变率剪切层，梯度诱导的周期性涡流脱落（Kelvin-Helmholtz型）增强了传热。这项工作为先进的电子设备冷却提供了创新的解决方案。研究成果以“Gradient-optimized triply periodic minimal surface (TPMS) cold plates for chip cooling under two scenarios: Single and multi-heat sources” 为题，发表于《International Communications in Heat and Mass Transfer》期刊。

03

图文导读

图1.梯度优化的冷板的示意图，（a）梯度优化的陀螺结构冷板的横截面，（b）梯度优化的陀螺结构和原始陀螺结构之间的固体域比较，（c）陀螺结构的流体域比较，（d）梯度优化的菱形翅片结构冷板的横截面，（e）梯度优化的菱形翅片结构和原始菱形翅片之间的固体域比较，（f）菱形翅片的流体域比较。

图2.三种不同结构的冷板示意图。（a）回转结构冷板（具有壳体），（b）陀螺形、菱形和针形翅片结构的晶胞结构，（c）陀螺形冷板的设计参数和流体域横截面，（d）菱形冷板的设计参数和流体域横截面，（e）针翅式冷板的设计参数和流域截面。

图3.实验安排。

图4.热源配置示意图：（a）单热源分布，（b）多热源热负荷。

图5.模拟数据与实验结果的比较（陀螺结构和针翅结构），（a）温度不均匀性，（b）平均热阻。

图6.三种结构中的速度分布，（a）陀螺（x-y平面），（b）菱形（x-y平面），（c）针鳍（x-y平面），（d）所有三种结构的x-z平面。

图7.三种结构中的温度分布，（a）热源加热示意图，（b）三种结构的x-z横截面，以及（c）三种结构的x-y横截面

图8.三种结构中的压力分布。

图9.（a）陀螺结构中的流线分布，（b）三种结构的局部流线细节，（c）y-z截面上的流线细节。

图10.三种结构的性能比较，（a）冷板底部温度，（b）底部平均温度，（c）温度不均匀性。

图11.三种结构的性能比较，（a）平均对流传热系数，（b）平均热阻，（c）压降，（d）综合热工水力性能。

图12. x-z截面上的流线分布，（a）梯度优化的陀螺结构，（b）原始陀螺结构。

图13. x-z横截面上的流线分布，（a）梯度优化的金刚石结构，（b）原始金刚石结构。

图14.梯度优化冷板中的温度分布，（a）陀螺结构的x-z横截面，（b）金刚石结构的x-z横截面，（c）两种结构的x-y横截面，（d）冷板底部温度分布。

图15.梯度优化冷板的性能比较，（a）基础平均温度，（b）温度不均匀性，（c）平均对流传热系数，（d）平均热阻，（e）压力损失，（f）综合热工水力性能。