来源 | Applied Thermal Engineering

链接 | https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2025.128851

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背景介绍

高功率芯片（如 CPU）广泛用于计算机、航空航天、汽车等领域，但其功率提升导致发热量激增，传统散热器（如铝直槽翅片）难以满足高效散热 + 轻量化双重需求，需开发新型散热技术保障设备寿命与效率。单一散热方式（如纯梯度三周期最小曲面（TPMS）或纯热管）性能不足，无法应对高功率芯片集中发热；标准 TPMS 结构壁厚均匀，导致热源附近导热不足、远端接触面积浪费，散热潜力未充分挖掘；性能评价多以 “最高温度” 为唯一指标，忽略温度均匀性、系统重量等关键维度。

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成果掠影

近日，重庆交通大学的高正源和安治国团队提出了一种热管式TPMS结构，通过改变TPMS结构高度方向的梯度来控制系统的孔隙率，实现了系统的快速传热该系统将热源产生的热量通过空气冷却的方式释放到散热器的TPMS上，从而提高散热器的散热能力，减轻系统重量。建立了该模型的计算流体力学仿真模型，分析了单元电池参数、TPMS结构高度、孔隙率以及风速等因素对系统散热性能的影响，结果表明，与传统的铝制直缝翅片散热器相比，该散热系统在散热效率和均匀性方面都有显著提高，热源最高温度降低8%，温度均匀性提高13.4%，Nusselt数提高了197%，系统重量减轻了10.7%，在300 s的散热过程中，系统的散热量提高了48.4%，为大功率芯片提供了一种高效、轻量化的散热解决方案。研究成果“Performance evaluation of gradient TPMS structure coupled with heat pipe for high-power chip heat sink”为题发表在《Applied Thermal Engineering》。

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图文导读

图1. HP-TPMS热管理系统的物理模型。

图2.网格和独立性验证。

图3. TPMS结构设计流程图。

图4.实验装置。

图5.（a）温度分布等值线图;（b）不同TPMS对散热的影响。

图6.（a）温度分布等值线;（b）优化前后Gyroid-TPMS结构对散热性能的影响。

图7.（a）温度分布等值线;（b）优化的Gyroid-TPMS结构对散热性能的影响。

图8. TPMS结构高度对散热的影响：（a）温度分布等值线;（b）结构高度与温度的关系曲线。

图9.孔隙率对散热的影响：（a）温度分布等值线;（b）TPMS孔隙率对温度的影响曲线。

图10. TPMS结构板厚梯度对散热的影响：（a）温度分布等值线;（b）厚度梯度对温度的影响曲线。

图11.热管对散热的影响：（a）温度分布等值线图;（b）热管对温度影响的剖面图;（c）不同散热器散热性能的比较。

图12.风速对散热的影响：（a）HP-GTPMS散热器的温度分布等值线;（b）传统翅片散热器的温度分布等值线;（c）温度-风速曲线;（d）HP-GTPMS实验与模拟的比较。