Miglioramento delle prestazioni e valutazione termodinamica del dissipatore di calore a microcanali con diversi tipi di nervature e coni

Nov 12, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 10802 (2022) Citare questo articolo

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Il presente studio si propone di indagare le prestazioni del dissipatore di calore a microcanali tramite simulazioni numeriche, basate sulla prima e seconda legge della termodinamica. Le caratteristiche di trasferimento del calore e di flusso dei dissipatori di calore a microcanali rettangolari sono state migliorate aggiungendo sei diversi tipi di esaltatori di superficie. Le sezioni trasversali comprendono nervature e coni di forma rettangolare, triangolare ed esagonale. I coni sono stati ricavati dalle stesse sezioni trasversali delle nervature sformonandole con un angolo di 45° ortogonale alla base, cosa che dovrebbe diminuire drasticamente la caduta di pressione. Le prestazioni di nervature e coni sono state valutate utilizzando diversi parametri come il fattore di attrito, lo stress di taglio delle pareti, il tasso di generazione di entropia, il numero di generazione di entropia di aumento, la resistenza termica e l'efficienza di trasporto dell'energia termica. I risultati del presente studio hanno rivelato che il nuovo effetto della conicità con un angolo di 45° riduce tuttavia le perdite per attrito (la caduta di pressione massima ridotta è dell'85%); è stato dimostrato un compromesso sul comportamento termico (il numero massimo di Nusselt ridotto è del 25%). Allo stesso modo, l'applicazione della conicità ha causato una significativa riduzione dello stress di taglio delle pareti e del fattore di attrito che può portare a una riduzione dei requisiti di potenza di pompaggio. Inoltre, le nervature triangolari hanno una maggiore capacità di trasferire energia termica rispetto alle nervature rettangolari ed esagonali. Inoltre, nel presente studio è stato esaminato che l'andamento del tasso di generazione di entropia totale per le nervature triangolari diminuisce fino a Re = 400 e poi aumenta, il che significa che le perdite termiche sono più significative delle perdite per attrito a un numero di Reynolds inferiore. Tuttavia, le perdite per attrito prevalgono sulle perdite termiche a numeri di Reynolds più elevati, dove avviene la generazione di vortici, soprattutto nelle nervature triangolari.

I sempre crescenti progressi tecnologici nei circuiti integrati hanno portato alla generazione di un crescente flusso di calore come risultato dell'accumulo di circuiti pesanti di dimensioni minime1,2,3,4,5. Di conseguenza, ha portato alla domanda di tecniche di raffreddamento efficienti diverse dai metodi tradizionali. Il rapido sviluppo nel campo dei sistemi microelettromeccanici ha motivato i ricercatori a sviluppare nuove tecniche di microraffreddamento. In precedenza sono state sviluppate numerose tecniche, tra cui micro-tubi di calore, micro-elettro-idrodinamica e dissipatore di calore a microcanali6. Tra queste tecniche, il dissipatore di calore a microcanali (MCHS) si è rivelato quello più efficiente. Lo studio è stato condotto per la prima volta da Tuckerman e Pease7 nel 1981 mostrando il trasferimento di calore nel dissipatore di calore a microcanali di silicio. Lo studio si è concentrato principalmente sulla capacità di un dissipatore di calore a microcanali di eliminare il calore alla velocità di 790 W/cm2. Hanno dimostrato che una maggiore area rispetto al volume della superficie fornita dal dissipatore di calore ha aumentato significativamente l'efficienza termica. I dissipatori di calore a microcanali sono le tecnologie di scambio termico più avanzate che incorporano il flusso di liquido monofase. Le applicazioni del microcanale per il flusso di liquidi monofase riguardano il raffreddamento di dispositivi elettronici, la tecnologia aerospaziale e le apparecchiature di processo che utilizzano la tecnologia laser8.

Da allora, la crescente necessità di un dissipatore di calore a microcanali, sono stati condotti numerosi studi sperimentali e numerici per studiare i modelli di flusso di calore in un microcanale rettangolare liscio. Quando si tratta di migliorare le prestazioni termiche di MCHS, esistono diverse restrizioni che pongono limitazioni come la caduta di pressione attraverso il microcanale in quanto contribuisce ad aumentare il consumo di energia di pompaggio e i rischi di perdite. Inoltre, le dimensioni ridotte del canale rendono il flusso rigidamente nella regione lineare, determinando prestazioni scarse rispetto al flusso irregolare. Con il continuo aumento del calore caricato e l'attenta necessità di misurare la temperatura delle parti elettroniche, il canale di base lineare è difficile da soddisfare questa esigenza. Di conseguenza, il focus degli studi è stato deviato verso metodi e tecniche passivi che possono essere utilizzati per migliorare le prestazioni di trasferimento del calore nei microcanali. Ad esempio, Steinke e Kandlikar9 hanno suggerito diverse tecniche che potrebbero tornare utili per migliorare il flusso di calore nei microcanali. Una delle tecniche degne di nota è quella di incorporare le caratteristiche di miscelazione per migliorare il flusso di miscelazione, la rottura della superficie di confine per aumentare il coefficiente di trasferimento termico locale utilizzando una costruzione frammentata.