近日，江苏科技大学能源与动力学院王蛟教授团队在《Thermal Science and Engineering Progress》期刊发表题为“The study of a novel topology-optimized heat sink for single-phase immersion cooling in data centers”的最新研究成果。

【文章摘要】随着数据中心性能需求的持续增长，散热挑战与热管理能耗问题日益凸显。为解决这些问题，本研究采用拓扑优化技术对单相浸没式冷却（SPIC）系统的散热器组件进行重新设计，旨在提升散热效率从而优化整体系统性能。在相同浸没冷却条件下，将拓扑优化后的散热器与传统矩形散热片进行对比。结果显示，优化设计使中央处理器（CPU）平均温度降低19.02%，温度标准差下降44.90%。此外，该设计所需泵浦功率更少，能效系数提升115.23%。这些改进对提升数据中心冷却效率、降低能耗具有重要价值。研究还探讨了两种散热器设计下，冷却液入口温度、入口流速、CPU热设计功耗（TDP）、通道高度及不同冷却介质对SPIC系统性能的影响。

【文章亮点】本文通过拓扑优化重新定义了SPIC系统的散热器设计。通过二维计算优化后的散热器轮廓，采用挤压成型工艺开发出新型散热器。同时建立简化浸没冷却模型，并将该新型散热器与传统矩形散热片进行对比分析。研究全面评估了冷却液入口温度、入口流速、CPU TDP 、通道高度及不同冷却介质对SPIC系统的影响，得出以下结论：(1) 相较于传统散热器（CHS）， THS 使CPU平均温度降低19.02%，温度标准差减少44.90%；(2) THS 所需的冷却液泵送功率低于CHS，能效系数提升115.23%；(3) CPU TDP 增加虽会导致温度均匀性下降，但能效系数显著提升；(4) 提高冷却液入口流速、降低液温及缩短服务器高度均有助于降低CPU温度，但需综合考虑其他因素进行合理调整。

图1 拓扑优化流程

图2 温度分布(a) THS,(b) CHS

图3 不同散热器下的CPU温度与传热系数

图4 CPU热设计功耗（TDP）对 (a) T_ave, (b) T_δ, (c) Q_f, (d) ϕ 的影响

图5 不同TPD下的CPU温度分布

【结论】 综上所述，通过拓扑优化设计散热器显著提升了SPIC系统的性能。采用新型散热器后，CPU在更低温度和更均匀的温度分布下运行，性能表现更佳。相较于传统散热器，新设计能耗更低，为未来冷却需求更高的数据中心及节能应用提供了重要参考。虽然传统散热器的制造工艺已相当成熟，通常采用铣削、铸造等传统技术，但其生产成本相对较低，特别是在大规模生产中能有效控制单位成本。相比之下，通过拓扑优化设计的散热器往往具有复杂几何结构，这类结构可能需要采用增材制造（3D打印）等先进工艺，这类工艺涉及更高精度的设备和拓扑优化散热器不仅需要承担更高的材料成本，生产周期也相对延长。因此，这类产品的初始制造成本可能相对较高。但其卓越的散热性能能带来显著的长期效益。通过提升散热效率，拓扑优化散热器可有效降低设备运行温度、增强系统可靠性并减少能耗。在高热流密度设备中，这类散热器能显著延长使用寿命，减少因过热引发的故障，从而带来更可观的经济效益。此外，随着CPU热设计功耗的持续攀升，这类高性能散热器未来有望在多个领域获得广泛应用。（内容来源：拓扑优化创新设计公众号）

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.tsep.2026.104550