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Heat Transfer Mechanisms During Spray Cooling of Electronic Devices

Winter, Matthias :
Heat Transfer Mechanisms During Spray Cooling of Electronic Devices.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Heat Transfer Mechanisms During Spray Cooling of Electronic Devices
Language: English
Abstract:

The everyday use of electronic equipment and the increase in computation capability and therefore increasing amount of dissipated heat demands efficient systems and methods to remove the waste energy to maintain a stable operation and durability. The efficiency of convective air cooling, e.g. in data centers, is very poor, progressively reaches technical constraints und is very energy consuming and expensive. To reduce the use of energy and cost and save natural resources more efficient systems are needed in future. Two-phase systems such as spray cooling have a very high heat transport capability due to the usage of the enthaply of evaporation at the phase-change. In comparison to single-phase cooling systems, spray cooling allows the reduction of the system filling and size due to a lower demand for working fluid. Intensive research has been done in the past three decades, focussing on the increasing heat transport capability through optimisation of surface topographies. The number of studies on the description of fundamental physical effects and mechanisms is however very limited.

The essential and new approaches in this work are: (a) the determination of the ratio of the governing heat transfer mechanisms convection and evaporation, depending on geometrical and operational parameters and (b) the characterisation of the heat transfer during the evaporation of coalesced droplets with the aim to give a base for a description of the transition region of the evaporation of a single droplet and a chaotic spray. The influence of the surface topography on the heat transfer on micro-milled and micro-porous sintered structures is characterised with individual heat transfer coefficients. The necessity of a discrete regard on the heat transport mechanisms is demonstrated. Additionally, extensive parameter studies are presented to determine the influence of the mass flow, heat flux, fluid subcooling as well as the saturation condition and the thermodynamic fluid properties. Results of this work are the classification of the tested surfaces into two groups as well as a dependency of the efficiency of heat transfer on the thermodynamic fluid properties and the combination of working fluid and topography, since some effects only occur for specific combinations. The need to investigate the local heat transport processes during the evaporation of coalesced droplets is also proofed. As demonstrated in prior studies, the three-phase contact line governs the heat transport. However not yet registered necking effects that significantly influence the heat transport occur during the evaporation of coalesced droplets, which was firstly made visible in this work using high time and space resolving infrared thermography.

The present work presents a data base for the determination of heat transfer coefficients for convection and evaporation. The obtained results motivate further parameter studies to get a broad data set to find and characterise the parameters needed for modelling. The succesful implementation of both approaches proves the need for more research in the field of the fundamental description of the heat transport processes during spray cooling and motivates to continue both approaches to be able to develop a model to design spray cooling systems for future applications based on physics and characteristic parameters in the near future.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die tägliche Nutzung elektronischer Geräte und die steigende Rechenleistung und die dadurch steigende Menge an Abwärme erfordern effiziente Systeme und Methoden, um die dissipierte Energie abzuführen und so einen zuverlässigen Betrieb und eine lange Haltbarkeit zu gewährleisten. Die Effizienz von konvektiver Kühlung mit Luft, zum Beispiel in Rechenzentren, ist gering, stößt zunehmend an technologische Grenzen und ist sehr energieaufwändig und teuer. Um Energieverbrauch und Kosten zu senken und natürliche Ressourcen zu schonen, werden zukünftig effizientere Systeme benötigt. Zweiphasige Systeme wie die Sprühkühlung haben auf Grund der Verdampfungsenthalpie beim Phasenwechsel eine sehr große Wärmetransportfähigkeit. Sprühkühlung ermöglicht, im Vergleich zu einphasigen Kühlsystemen, eine Verminderung der Füllmenge und damit der Größe des Systems. In den letzten drei Jahrzehnten wurde intensiv an der Verbesserung der Wärmetransportfähigkeit durch die Optimierung von Oberflächenstrukturen geforscht. Die Anzahl an Studien zur Beschreibung der grundlegenden physikalischen Effekte und Mechanismen ist jedoch sehr begrenzt. Die wesentlichen und neuen Ansätze in dieser Arbeit sind: (a) die Bestimmung der Anteile der dominierenden Wärmeübertragungsmechanismen Konvektion und Verdampfung in Abhängigkeit von geometrischen und Betriebsparametern und (b) die Charakterisierung der Wärmeübertragung während der Verdampfung von koaleszierten Tropfen, mit dem Ziel, eine Grundlage zur Beschreibung des Übergangsbereiches zwischen der Verdampfung eines einzelnen Tropfens und eines chaotischen Sprays darzustellen. Der Einfluss der Topographie der Oberfläche auf den Wärmeübergang wird auf mikro-gefrästen und mikro-porös gesinterten Strukturen mit Hilfe der individuellen Wärmeübergangskoeffizienten charakterisiert. Die Notwendigkeit der getrennten Betrachtung der Wärmetransportmechanismen wird nachgewiesen. Zusätzlich werden umfangreiche Parameterstudien zum Einfluss von Massenstrom, Wärmestromdichte, Unterkühlung der eingespritzten Flüssigkeit, sowie des Sättigungszustandes und der thermodynamischen Fluideigenschaften vorgestellt. Ergebnisse der Arbeit sind die Einteilung der getesteten Oberflächen in zwei Gruppen, sowie eine Anhängigkeit der Effizienz der Wärmeübertragung von den thermodynamischen Fluideigenschaften und der Kombination aus Arbeitsfluid und Topographie, da einige Effekte nur bei bestimmten Kombinationen auftreten. Die Notwendigkeit der Untersuchung der lokalen Wärmetransportprozesse bei der Verdampfung koaleszierter Tropfen wird ebenfalls nachgewiesen. Wie schon in vorherigen Studien bewiesen werden konnte, dominiert die Dreiphasen-Kontaktlinie den Wärmetransport. Allerdings treten bei der Verdampfung koaleszierter Tropfen bisher nicht beachtete Einschnür-Effekte auf, die den Wärmetransport maßgeblich beeinflussen und in dieser Arbeit erstmals mittels zeit- und örtlich hoch auflösender Infrarotthermographie sichtbar gemacht werden konnten. Die vorliegende Arbeit stellt eine Datenbasis für die Bestimmung der Wärmeübergangskoeffizienten für Konvektion und Verdampfung dar. Die erzielten Ergebnisse motivieren weitere Parameterstudien, um eine breite Datenbasis zur Findung und Charakterisierung der erforderlichen Parameter zur Modellierung zu erhalten. Die erfolgreiche Umsetzung der beiden Ansätze beweist die Notwendigkeit für weiteren Forschungsbedarf im Bereich der fundamentalen Beschreibung der Wärmetransportprozesse bei Sprühkühlung und motiviert beide Ansätze weiter zu verfolgen, um in absehbarer Zukunft eine auf physikalischen Gesetzen und charakteristischen Größen basierendes Modell zur Auslegung von Sprühkühlungssystemen für zukünftige Anwendungen erstellen zu können.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Sprühkühlung; mikro-porös; strukturierte Oberfläche; Wärmeübertragung; Elektronikkühlung
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Spraycooling; micro-porous; structured surface; heat transfer; electronics coolingEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Technical Thermodynamics (TTD)
Exzellenzinitiative > Clusters of Excellence > Center of Smart Interfaces (CSI)
Date Deposited: 23 Apr 2015 07:09
Last Modified: 13 May 2015 09:45
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-40414
Referees: Stephan, Professor Peter and Tropea, Professor Cameron
Refereed: 27 January 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4041
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