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(duì)散熱器水熱設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法進(jìn)行了全面綜述，涵蓋了通過(guò)修改固體域或流體域來(lái)增強(qiáng)散熱器散熱的被動(dòng)和主動(dòng)技術(shù)相關(guān)研究，總結(jié)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(wèn)題和提出的解決方案。隨著電子設(shè)備向高性能、小型化方向不斷發(fā)展，散熱問(wèn)題已成為其發(fā)展的主要障礙。在過(guò)去的二十年中，微通道緊湊型換熱器的優(yōu)勢(shì)受到了研究人員的廣泛關(guān)注。研究人員對(duì)微通道散熱器的使用產(chǎn)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(dú)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(duì)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(diǎn)。1999 年，瓦法伊和朱提出了一種雙層微通道散熱器設(shè)計(jì)（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(tǒng)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(jìn)一步研究多層微通道散熱器設(shè)計(jì)的水熱性能。

Part.2

研究?jī)?nèi)容

研究發(fā)現(xiàn)，在小傾角情況下，對(duì)流傳熱速率幾乎保持不變。他們的關(guān)聯(lián)式涵蓋了所有可能的傾角，誤差小于 20%。沈等人在自然對(duì)流模式下發(fā)現(xiàn)，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?qū)τ糜诶鋮s LED 燈泡的圓柱形散熱器自然對(duì)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(jì)算域

科斯塔和洛佩斯在自然對(duì)流條件下對(duì)發(fā)光二極管（LED）燈用散熱器的熱性能進(jìn)行了改進(jìn)，如圖 3 所示。他們考察了翅片的數(shù)量、厚度、長(zhǎng)度和高度的影響。

圖 3：散熱器

金在其研究中優(yōu)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(jié)果表明，與標(biāo)準(zhǔn)散熱器相比，優(yōu)化后的分支翅片散熱器的熱阻降低了高達(dá) 30%。熱阻的這種降低隨著泵送功率的增加和散熱器長(zhǎng)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(bào)告說(shuō)，錐形通道設(shè)計(jì)的溫差最小，溫度分布最均勻（與其他設(shè)計(jì)相比是最佳設(shè)計(jì)），其次是雙層通道和單層通道結(jié)構(gòu)。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(shè)計(jì)中觀察到最低的熱阻。

圖 5：微通道散熱器的單個(gè)通道

維諾丹和拉詹研究了微通道散熱器進(jìn)出口位置對(duì)熱阻和基底溫度分布的影響。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，他們的新設(shè)計(jì)獲得了更好的熱阻。他們激勵(lì)其他研究人員可以通過(guò)改變通道尺寸來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化該設(shè)計(jì)。如圖 6 所示的配置。

圖 6：微通道散熱器固體和液體區(qū)域的溫度輪廓，（a）-（d）新提出的設(shè)計(jì)；（e）傳統(tǒng)設(shè)計(jì)

夏等人分析了不同進(jìn)出口位置（圖 7（A））和集管形狀（圖 7（B））對(duì)微通道散熱器熱阻的影響。他們強(qiáng)調(diào)，I 型提供了更好的流速均勻性和對(duì)稱(chēng)的流動(dòng)分布，而 Z 型在其中表現(xiàn)最差。研究發(fā)現(xiàn)，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(yōu)于三角形集管。

圖 7：（A）進(jìn)出口位置和（B）微通道散熱器集管的示意圖

萊利亞對(duì)微管散熱器的幾何參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)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(dǎo)致更高的傳熱吸收，最終實(shí)現(xiàn)熱增強(qiáng)。

圖 8：?jiǎn)蝹€(gè)微管的幾何形狀，（a）側(cè)視圖；（b）正視圖

納蓬和克蘭查特測(cè)試了出口位置對(duì)迷你矩形翅片散熱器內(nèi)流體射流沖擊的影響，如圖 9 所示。他們發(fā)現(xiàn)出口位置對(duì)流體流動(dòng)和溫度分布有顯著影響。

圖 9：散熱器進(jìn)出口位置的示意圖

陳和陳考察了具有各種進(jìn)出口布置的微通道散熱器，如圖 10 所示。他們發(fā)現(xiàn)，由于流體對(duì)流無(wú)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(duì)于提高散熱器的熱性能非常重要，通過(guò)在入口集管中填充泡沫金屬可以加強(qiáng)流動(dòng)分布的均勻性，如圖 11 所示。針狀翅片陣列的排列增強(qiáng)了散熱器的整體熱性能。

圖 11：微通道散熱器的結(jié)構(gòu)；（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(jìn)出口布置，以獲得最低的熱阻和更優(yōu)的溫度分布。他們提出的設(shè)計(jì)如圖 12 所示。

圖 12：具有不同進(jìn)出口布置的散熱器提出的設(shè)計(jì)

楊等人考察了湍流流動(dòng)狀態(tài)下空氣射流沖擊旋轉(zhuǎn)和靜止散熱器的情況，如圖 13 所示。他們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于靜止散熱器，努塞爾數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加而增加。

圖 13：旋轉(zhuǎn)散熱器

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

圖 14：三種散熱模式的實(shí)驗(yàn)裝置（a）泡沫 - 相變材料復(fù)合材料；（b）純相變材料；（c）實(shí)心基底

王等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)探索了微通道散熱器的傾角對(duì)介電流體 HFE-7100 對(duì)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(shù)相似，而對(duì)于 45 度向上布置，傳熱系數(shù)顯著高于其他配置。

圖 15：（左）傾斜微通道散熱器；（右）對(duì)稱(chēng) / 不對(duì)稱(chēng)拉長(zhǎng)氣泡及其尺寸變化

林等人測(cè)試了平板翅片散熱器的傾斜陣列，以避免因增加翅片數(shù)量以增加傳熱表面積而導(dǎo)致的流動(dòng)阻力增加，如圖 16 所示。他們提出的散熱器設(shè)計(jì)由于具有更大的表面積和加速翅片之間的流動(dòng)，比垂直平板翅片散熱器表現(xiàn)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(duì)具有非均勻翅片寬度的矩形針狀翅片散熱器的熱設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。黃和陳通過(guò)改變翅片的寬度和高度優(yōu)化了散熱器設(shè)計(jì)。他們的散熱器設(shè)計(jì)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(qiáng)制對(duì)流，如圖 18 所示。他們使用熵產(chǎn)最小化方法對(duì)散熱器進(jìn)行了優(yōu)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(cuò)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(qiáng)傳熱，如圖 19 所示。他們發(fā)現(xiàn)，條形翅片的錯(cuò)排布置優(yōu)于順排布置。使用穿孔翅片的好處在于能夠增強(qiáng)傳熱，同時(shí)顯著降低壓降和散熱器質(zhì)量。

圖 19：穿孔針狀翅片散熱器（順排配置）

阿爾 - 達(dá)穆克等人通過(guò)計(jì)算研究了帶有矩形開(kāi)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(fā)現(xiàn)，隨著矩形穿孔尺寸的增加，傳熱速率增加，壓降降低。

圖 20：開(kāi)槽和缺口穿孔針狀翅片散熱器

趙等人通過(guò)改變針狀翅片的孔隙率和布置角度，數(shù)值上增強(qiáng)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(shí)現(xiàn)最佳的熱性能。

圖 21：方形針狀翅片散熱器，（a）0 度旋轉(zhuǎn)角；（b）45 度旋轉(zhuǎn)角

鄭和曾在高溫下通過(guò)薄層將燒結(jié)銅珠與銅散熱器的徑向平板翅片平滑地結(jié)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(lèi)型）。

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

鄧等人評(píng)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(fā)現(xiàn)，凹入式多孔微通道散熱器顯著降低了沸騰起始時(shí)的壁面過(guò)熱度，使兩相傳熱系數(shù)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(dòng)不穩(wěn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相應(yīng)的流量下，當(dāng)泡沫高度增加時(shí)，金屬泡沫散熱器的傳熱單調(diào)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(cè)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(guò)在通道之間插入不同尺寸、位置、數(shù)量和方向的肋片，優(yōu)化了平板翅片散熱器的熱設(shè)計(jì)，如圖 25 所示。他們考察了在保持翅片數(shù)量不變和減少翅片數(shù)量的情況下插入肋片對(duì)通道的影響。

圖 25：（a）平板翅片散熱器的幾何參數(shù)示意圖；（b）計(jì)算域

蔡等人研究了平板隔熱罩的傾角對(duì)矩形散熱器水熱性能的影響，如圖 26 所示。由于阻塞效應(yīng)，傾角的變化在散熱器的上游和下游都對(duì)流動(dòng)場(chǎng)產(chǎn)生了顯著影響，導(dǎo)致散熱器進(jìn)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(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬研究了在橫流通道中安裝一對(duì)渦流發(fā)生器（VG）的平板翅片散熱器，如圖 27 所示。觀察到，當(dāng)渦流發(fā)生器后緣之間的距離可忽略不計(jì)時(shí)，由于空氣難以流入散熱器，熱性能較差。當(dāng)渦流發(fā)生器后緣之間的距離等于散熱器的長(zhǎng)度，且每個(gè)渦流發(fā)生器后緣與散熱器前端之間的距離為零時(shí)，觀察到最佳的熱性能。

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

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

圖 28：帶有 Y 形分叉的單個(gè)微通道的正視圖

謝等人對(duì)層流流動(dòng)狀態(tài)下具有多級(jí)分叉板的微通道散熱器進(jìn)行了建模，如圖 29 所示。他們發(fā)現(xiàn)，與相應(yīng)的傳統(tǒng)散熱器相比，帶有多級(jí)分叉的微通道散熱器具有更好的熱性能，特別是分叉長(zhǎng)度較長(zhǎng)的散熱器。

圖 29：帶有多級(jí)分叉板的單個(gè)微通道的俯視圖

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

圖 30：壓花翅片的幾何形狀

庫(kù)普薩米等人通過(guò)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(dòng)，如圖 31 所示。這些通道可能會(huì)破壞流體動(dòng)力學(xué)邊界層，并在后續(xù)壁的前緣重新發(fā)展。

圖 31：微通道散熱器的示意圖

庫(kù)普薩米等人使用納米流體優(yōu)化了梯形槽微通道散熱器的熱性能。他們聲稱(chēng)，如圖 32 所示，梯形槽的（a）值最大而（b）值最小時(shí)，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(shù)

柴等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬探索了周期性擴(kuò)張 - 收縮橫截面對(duì)微通道散熱器傳熱的影響，如圖 33（a）所示。他們發(fā)現(xiàn)，所提出的散熱器設(shè)計(jì)的努塞爾數(shù)增加了高達(dá) 1.8 倍。柴等人通過(guò)數(shù)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(jié)構(gòu)；（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(diǎn)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(shù)增強(qiáng)了 1.3 至 3 倍，摩擦系數(shù)增加了 6.5 倍。

圖 34：?jiǎn)蝹€(gè)微通道的結(jié)構(gòu)

柴等人通過(guò)數(shù)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(shù)是肋片的長(zhǎng)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(guò)數(shù)值模擬優(yōu)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(dòng)方向的周期性變化，冷熱流體的混合增強(qiáng)了對(duì)流傳熱。

圖 36：偏移條形翅片微通道

洪等人通過(guò)數(shù)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(yù)測(cè)表明，具有更高導(dǎo)熱系數(shù)比的基底材料提供了更高的散熱器熱性能。具有高導(dǎo)熱系數(shù)和低動(dòng)態(tài)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(yōu)化層流流動(dòng)狀態(tài)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(shù)范圍在 200 至 900 之間。他們發(fā)現(xiàn)，努塞爾數(shù)取決于傾斜翅片的幾何參數(shù)、雷諾數(shù)和普朗特?cái)?shù)。

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(qiáng)制對(duì)流傳熱下，優(yōu)化了槽形微通道散熱器（GMCHS）的凹槽深度、尖端長(zhǎng)度、間距和排列方向等幾何參數(shù)，如圖 39 所示。凹槽尖端長(zhǎng)度的變化可以將凹槽形狀從三角形改變?yōu)樘菪危缓笞優(yōu)榫匦巍?/p>

圖 39：帶有梯形腔的微通道

Part.3

研究總結(jié)

本文圍繞散熱器水熱性能優(yōu)化，從脈動(dòng)流動(dòng)與攪拌、翅片形狀及排列、進(jìn)出口布置、靜 / 旋轉(zhuǎn)狀態(tài)、基底材料、通道配置、泡沫與多孔介質(zhì)添加、擾流件使用、工作流體添加劑、單 / 雙層結(jié)構(gòu)、尺寸調(diào)整等多方面，系統(tǒng)綜述了相關(guān)優(yōu)化技術(shù)。傾角、排列方向和瑞利數(shù)對(duì)散熱器散熱至關(guān)重要，自然對(duì)流傳熱仍需深入研究。外力施加、翅片與通道參數(shù)調(diào)整、基底填充等方式能有效優(yōu)化熱設(shè)計(jì)；旋轉(zhuǎn)散熱器相關(guān)研究數(shù)據(jù)匱乏，多孔介質(zhì)或穿孔翅片類(lèi)散熱器傳熱更優(yōu)但需關(guān)注壓降，擋板、渦流發(fā)生器等部件及雙層結(jié)構(gòu)、小型化設(shè)計(jì)均能提升性能，迷你與微通道散熱器的傳統(tǒng)流體及納米流體應(yīng)用研究較為豐富。主動(dòng)增強(qiáng)散熱器熱性能的研究較少，未來(lái)需關(guān)注蓮花型多孔銅散熱器的孔隙參數(shù)優(yōu)化、多層微通道散熱器熱設(shè)計(jì)、平板翅片凹槽及開(kāi)槽翅片相關(guān)研究，探索散熱器基底填充不同泡沫和圓角的效果，同時(shí)解決納米流體在微通道中易沉降團(tuán)聚、多孔介質(zhì)存在時(shí)該問(wèn)題更復(fù)雜的難題。

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

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