来源 | International Journal of Heat and Mass Transfer

链接 | https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.128252

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背景介绍

后摩尔时代，芯片集成密度与功率密度指数增长，数据中心 AI 加速器芯片功率密度已超 1000 W/cm²，3D 堆叠芯片垂直温度梯度达 300 ◦C/mm，传统空冷技术接近物理极限（1 U 服务器需 1180 L/s 风量，相当于机柜内飓风级气流），亟需下一代冷却技术突破 “热壁” 瓶颈。液冷冷板因优异传热能力成为主流方案，增材制造技术突破了复杂结构制造限制，TPMS 结构凭借流线型表面、高比表面积、自支撑可打印性等优势，在热管理领域备受关注，但现有研究多聚焦 TPMS 单元流场特性与换热器应用，其在电子冷却冷板中的性能机理、参数优化仍不明确。

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成果掠影

近日，上海交通大学陈江平、俞彬彬团队创新性地设计了一种集波浪通道和针翅混合结构于一体的梯度三周期最小表面（TPMS）冷板。在1.2 kg/min的流速下，受启发的波浪形TPMS冷板实现了仅0.059 K/W的最小平均热阻。这表示与传统的Gyroid结构相比减少了13.5%，与基线针翅结构相比显著减少了53.3%，同时保持了可接受的压降（与Gyroid结构相比增加了15.8%）。该研究阐明了冷板和热交换器之间TPMS性能的机理差异，提出量身定制的优化策略。系统的参数分析揭示了孔隙率的影响（50%-70%）和晶胞尺寸（4-12 mm）对热工水力性能的影响，将8 mm确定为平衡性能的最佳单元尺寸（与Gyroid结构中的12 mm单元尺寸相比，热阻降低了35.8%）并强调了通过50%的孔隙率实现的增强的温度均匀性。这项工作为下一代高功率密度电子器件的热管理提供了基本的见解和实用的方法。研究成果以“Nature-inspired gradient triply periodic minimal surface cold plate: Coral wave structural design for enhancing electronics cooling”为题发表在《International Journal of Heat and Mass Transfer》期刊。

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图文导读

图1.用于研究基于TPMS的冷板的方法。

图2.冷板模型，（a）珊瑚状波浪形冷板示意图，（b）波浪-针混合结构，（c）具有不同单元尺寸的螺旋形冷板，（d）具有不同单元尺寸的金刚石冷板。

图3.实验系统，（a）系统示意图，（b）实验测试装置，（c）AlSi 10 Mg/Cu冷板。

图4.热负荷分布布置图。

图5.模拟和实验平均热阻的比较（陀螺结构），（a）AlSi 10 Mg合金冷板，（b）铜冷板。

图6.不同孔隙度水平下的速度和压力分布，（a）Gyroid（z = 0 mm平面），（b）Diamond（z = 0 mm平面），（c）Gyroid（y = 0 mm平面），（d）Diamond（y = 0 mm平面），（e）Gyroid结构中的压力场（z = 0 mm平面），（f）Diamond结构中的压力场（z = 0 mm平面）。

图7.不同孔隙度水平下的温度分布，（a）陀螺（z = 0 mm平面），（b）金刚石（z = 0 mm平面），（c）陀螺（y = 0 mm平面），（d）金刚石（y = 0 mm平面）。

图8.不同孔隙度水平的性能比较，（a）基础平均温度（Gyroid），（b）基础平均温度（Diamond），（c）温度不均匀性（Gyroid），（d）温度不均匀性（Diaond），（e）平均热阻（Gyroid），（f）平均热阻（Diamond），（g）压降（Gyroid），（h）压降（Diamond）。

图9.不同晶胞尺寸上的速度和压力分布，（a）陀螺（z = 1 mm平面），（b）菱形（z = 1 mm平面），（c）陀螺（z = 1 mm平面），（d）菱形（z = 1 mm平面）。

图10. 8 mm × 8 mm的单元格中的流线细节，（a）陀螺（y = 0 mm），（b）陀螺（y = 15 mm），（c）菱形（y = 0 mm），（d）菱形（y = 15 mm）。

图11.不同晶胞尺寸上的温度分布，（a）陀螺（z = 1 mm平面），（b）金刚石（z = 1 mm平面），（c）陀螺（y = 0 mm平面），（d）金刚石（y = 0 mm平面）。

图12.不同晶胞尺寸的性能比较：（a）基础平均温度（Gyroid），（b）基础平均温度（Diamond），（c）温度不均匀性（Gyroid），（d）温度不均匀性（Diaond），（e）平均热阻（Gyroid），（f）平均热阻（Diamond），（g）压降（Gyroid），（h）压降（Diamond）。

图13.冷板中的整体流线和局部流动细节，（a）波销结构，（b）陀螺结构，（c）针翅结构。

图14.三种结构的温度分布特征，（a）流固共轭温度场横截面（z=− 1 mm），（b）冷板底面（z=− 5 mm）

图15.三种结构的性能比较，（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）压降。