由GE赞助，排名第一的散热器有怎样的结构设计和材料布局

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2019年，美机械工程师协会电子制冷委员会（ASME K-16）和电气与电子工程师协会（IEEE）组织了一项大学生散热器设计挑战赛，获得通用电气的支持和赞助。排名前六的团队最终采用GE Concept Laser M2打印机来验证设计，由铝合金制造的散热器在受控条件下进行测试，以查看实际性能是否与仿真相当。

这一设计挑战赛使工科学生团队在考虑理论热源和实际尺寸的情况下设计可3D打印的散热器，旨在提高高性能电子设备的散热能力。比赛的评判标准为实际的散热效果、总制造成本以及生产所需要的原材料质量。

此前，3D打印技术参考曾对排名前列的设计进行过详细介绍。最终，来自普渡大学的设计性能好于预期，成本也低于最初预期，甚至最大限度地减少了材料的使用量，获得最终冠军。

普渡大学散热器结构

普渡大学团队的设计灵感来自于鲨鱼皮，它具有非常独特的表面纹理，其表面数以百万计的细小穗状突起（称为细齿）在减少阻力方面都发挥了作用，因此鲨鱼的游泳阻力很小。鉴于流体动力学定律适用于液体和气体，普渡大学的工程师在其散热器翅片上增加了类似细齿的形状，可以达到减少压力差（压降）和促进空气混合的效果。

工程师们还在散热器的正面和背面增加了涡流发生器。这些“旋流器”在设计主体中有意产生湍流，从而使空气之间的热传递最大化。最后，为了排出散热器中的热空气，设计人员在两个涡流发生器之间安装了“呼吸器”，它类似于人类肺中的气囊，能够从周围环境吸收冷空气，并通过穿孔的斜面将热空气排出。

普渡大学设计的散热器工作原理

在整体形状和材料分布方面，设计团队通过拓扑优化确定了散热器的设计尺寸和最佳的材料分布。散热器的一侧为平缓倾斜的“L”形，另一侧为凸出的“d”形，这使得气流回流并再循环，从而在散热器上停留更多时间。

该团队冷却技术研究中心的博士生Serdar Ozguc表示：“当今电子组件面临巨大的散热挑战，计算机和电话的尺寸越来越小，但消耗的电能越来越多。这些CPU产生的热量会影响性能，安全有效地散发才能保证产品的正常运行。拓扑优化的结果往往非常复杂而令人震惊，传统方法难以制造，而采用增材制造则可以轻松实现。”

一些先进的3D打印散热器结构

事实上，金属3D打印技术确实为散热器的设计优化和制造带来了更高自由度，3D打印用于散热器或热交换器的制造满足了产品趋向紧凑型、高效性、模块化、多材料的发展趋势，特别适合于异形、结构一体化、薄壁、薄型翅片、微通道、十分复杂形状、点阵结构的加工，3D打印具有传统制造技术不具备的优势。

目前，从汽车、航空航天、能源到电子行业等都在尝试使用3D打印技术来提高热交换效率，而可用于散热器制造的3D打印材料主要有不锈钢、铝和铜。不过，该领域的关注焦点更多是先进结构的设计，这将是提高散热效率和体现3D打印技术优势的重点。

注：更多设计作品可查看延伸阅读。