1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Теплоэнергетика
  4. № 7, 2024

Теплоэнергетика, 2024, № 7, стр. 72-81

Отвод тепла естественной конвекцией многофазного охладителя для устройств информационно-коммуникационных систем

F. J. Lesage a, *, M. Aladji a, R. Eugenie b

a Université du Québec en Outaouais, Computer Science and Engineering, 101, rue Saint-Jean-Bosco C.P. 1250, succursale Hull
Québec, Gatineau, Canada

b Université des Antilles, Département de Mathématiques-Informatique, Campus Fouillole
97157 Guadeloupe, Pointe-à-Pitre, France

* E-mail: frederic.lesage@uqo.ca

Поступила в редакцию 15.01.2023
После доработки 16.02.2023
Принята к публикации 01.03.2023

Аннотация

Постоянное ужесточение требований к интенсификации отведения тепла системами охлаждения электронных устройств обусловлено непрерывным ростом количества тепловой энергии, выделяющейся при работе оборудования информационно-коммуникационных систем. Для управления тепловыми режимами этого оборудования применяются радиаторы с однофазным теплоносителем, возможности которых по отводу тепла к настоящему времени уже полностью исчерпаны. Цель данной работы – показать возможность уменьшения размеров устройств охлаждения путем использования систем отвода тепла с двухфазным теплоносителем. Обсуждаются и сравниваются результаты измерений теплового потока, исходящего от радиатора с естественной конвекцией теплоносителя, проведенных при использовании однофазного и испаряющегося теплоносителя. Численный анализ особенностей теплообмена позволил получить количественные результаты, свидетельствующие о повышенной эффективности радиатора с перфорированной передней (лицевой) панелью. Показано, что при организации испарения из отверстий на передней поверхности радиатора можно уменьшить его размеры на 37.6% по сравнению с радиатором, в котором отвод тепла осуществляется только естественной конвекцией.

Ключевые слова: радиаторы с перфорированной лицевой поверхностью, интенсификация теплоотдачи, фазовый переход, испарительное охлаждение, естественная конвекция, тепловой поток, температуропроводность

Список литературы

  1. Thermal and energy management of high-performance multicores: Distributed and selfcalibrating model-predictive controller / A. Bartolini, M. Cacciari, A. Tilli, L. Benini // IEEE Trans. Parallel Distrib. Syst. 2013. V. 24. Is. 1. P. 170–183. https://doi.org/1010.1109/TPDS.2012

  2. Improvement of thermal management of high-power GaN-based lightemitting diodes / B.-H. Liou, C.-M. Chen, R.-H. Horng, Y.-C. Chiang, D.-S. Wuu // Microelectron. Reliab. 2012. V. 52. Is. 5. P. 861–865. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2011.04.002

  3. A review of GaN on SiC high electron-mobility power transistors and MMICs / R.S. Pengelly, S.M. Wood, J.W. Milligan, S.T. Sheppard, W.L. Pribble // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 2012. V. 60. Is. 6. P. 1764–1783. https://doi.org/10.1109/TMTT.2012.2187535

  4. Andresen M., Liserre M. Impact of active thermal management on power electronics design // Microelectron. Reliab. 2014. V. 54. Is. 9–10. P. 1935–1939. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2014.07.069

  5. Bar-Cohen A., Geisler K.J.L. Cooling the electronic brain // Mech. Eng. 2011. V. 133. Is. 04. P. 38–41. https://doi.org/10.1115/1.2011-APR-3

  6. Husain A., Kim K.-Y. Optimization of a microchannel heat sink with temperature dependent fluid properties // Appl. Therm. Eng. 2008. V. 28. Is. 8–9. P. 1101–1107. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2007.12.001

  7. Icoz T., Arik M. Light weight high performance thermal management with advanced heat sinks and extended surfaces // IEEE Trans. Compon. Packag. Technol. 2010. V. 33. Is. 1. P. 161–166. https://doi.org/10.1109/TCAPT.2009.2026736

  8. Phase change cooling in data centers: A review / X. Yuan, X. Zhou, Y. Pan, R. Kosonen, H. Cai, Y. Gao, Y. Wang // Energy Build. 2021. V. 236. P. 110764. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2021.110764

  9. Chakraborty S., Rosen M.A., MacDonald B.D. Analysis and feasibility of an evaporative cooling system with diffusion-based sessile droplet evaporation for cooling microprocessors // Appl. Therm. Eng. 2017. V. 125. P. 104–110. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.07.006

  10. Jang S.P., Choi S.U. Cooling performance of a microchannel heat sink with nanofluids // Appl. Therm. Eng. 2006. V. 26. Is. 17–18. P. 2457–2463. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2006.02.036

  11. Two-phase mini-thermosyphon electronics cooling: Dynamic modeling, experimental validation and application to 2U servers / N. Lamaison, C.L. Ong, J.B. Marcinichen, J.R. Thome // Appl. Therm. Eng. 2017. V. 110. P. 481–494. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.08.198

  12. A hierarchical manifold microchannel heat sink array for high-heat-flux two-phase cooling of electronics / K.P. Drummond, D. Back, M.D. Sinanis, D.B. Janes, D. Peroulis, J.A. Weibel, S.V. Garimella // Int. J. Heat Mass Transfer. 2018. V. 117. P. 319–330. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.10.015

  13. Optimization of thermal performances and pressure drop of rectangular microchannel heat sink using aqueous carbon nanotubes based nanofluid / S. Halelfadl, A.M. Adham, N. Mohd-Ghazali, T. Maré, P. Estellé, R. Ahmad // Appl. Therm. Eng. 2014. V. 62. Is. 2. P. 492–499. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2013.08.005

  14. Kandasamy R., Wang, X.Q., Mujumdar A.S. Transient cooling of electronics using phase change material (PCM)-based heat sinks // Appl. Therm. Eng. 2008. V. 28. Is. 8–9. P. 1047–1057. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2007.06.010

  15. Odabaee M., Hooman K. Metal foam heat exchangers for heat transfer augmentation from a tube bank // Appl. Therm. Eng. 2012. V. 36. P. 456–463. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2011.10.063

  16. Elenbaas W. Heat dissipation of parallel plates by free convection // Physica. 1942. V. 9. Is. 1. P. 1–28. https://doi.org/10.1016/S0031-8914(42)90053-3

  17. Bar-Cohen A., Rohsenow W.M. Thermally optimum spacing of vertical natural convection cooled, parallel plates // J. Heat Transfer. 1984. V. 106. Is. 1. P. 115–123. https://doi.org/10.1115/1.3246622

  18. Fisher T.S., Torrance K.E. Experiments on chimney-enhanced free convection // J. Heat Transfer. 1999. V. 121. Is. 3. P. 603–609. https://doi.org/10.1115/1.2826022

  19. Каменецкий Б.Я. Естественная конвекция воздуха и теплообмен у горизонтальной нагретой поверхности // Теплоэнергетика. 2009. № 9. С. 64–67.

  20. Ledezma G., Bejan A. Heat sinks with sloped plate fins in natural and forced convection // Int. J. Heat Mass Transfer. 1996. V. 39. Is. 9. P. 1773–1783. https://doi.org/10.1016/0017-9310(95)00297-9

  21. Heat sinks with fluted and wavy plate fins in natural and low-velocity forced convection / K.K. Sikka, K.E. Torrance, C.U. Scholler, P.I. Salanova // Proc. of the 7th Intersociety Conf. on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems (ITHERM 2000). Las Vegas, NV, USA, 23–26 May 2000. https://doi.org/10.1109/ITHERM.2000.866821

  22. Shaeri M.R., Yaghoubi M., Jafarpur K. Heat transfer analysis of lateral perforated fin heat sinks // Appl. Energy. 2009. V. 86. Is. 10. P. 2019–2029. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2008.12.029

  23. Ahmadi M., Mostafavi G., Bahrami M. Natural convection from rectangular interrupted fins // Int. J. Therm. Sci. 2014. V. 82. P. 62–71. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2014.03.016

  24. Zhao X., Li J.M., Riffat S.B. Numerical study of a novel counter-flow heat and mass exchanger for dew point evaporative cooling // Appl. Therm. Eng. 2008. V. 28. Is. 14–15. P. 1942–1951. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2007.12.006

  25. Теплообмен при кипении жидкого металла в системе каналов в режиме естественной конвекции / А.Д. Ефанов, А.П. Сорокин, Е.Ф. Иванов, Г.П. Богословская, В.В. Иванов, А.Д. Волков, Г.А. Сорокин, И.Р. Зуева // Теплоэнергетика. 2007. № 3. С. 43–51.

  26. Павленко А.Н., Жуков В.И., Швецов Д.А. Кризисные явления и интенсификация теплообмена при кипении и испарении в горизонтальных пленках жидкости (обзор) // Теплоэнергетика. 2022. № 11. С. 81–97. https://doi.org/10.56304/S0040363622110078

  27. Steeman M., Janssens A., De Paepe M. Performance evaluation of indirect evaporative cooling using whole-building hygrothermal simulations // Appl. Therm. Eng. 2009. V. 29. Is. 14–15. P. 2870–2875. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2009.02.004

  28. Gebremedhin K.G., Wu B. Modeling heat loss from the udder of a dairy cow // J. Therm. Biol. 2016. V. 59. P. 34–38. https://doi.org/10.1016/j.jtherbio.2016.04.011

  29. Mueller S., Hodes M., Lyons A. Capillary-driven evaporation-enhanced heat sink // IEEE Trans. Compon. Packag. Manuf. Technol. 2013. V. 3. Is. 10. P. 1683–1692. https://doi.org/10.1109/TCPMT.2013.2253157

  30. Experimental study on evaporative heat sink / M.J. Kim, S. Kim, K.T. Park, H.J. Kim, D.-K. Kim // Proc. of the ASME 2013 Intern. Mechanical Engineering Congress and Exposition (IMECE2013). San Diego, USA. 15–21 Nov. 2013. https://doi.org/10.1115/IMECE2013-64370

  31. High heat flux two-phase cooling of electronics with integrated diamond/porous copper heat sinks and microfluidic coolant supply / J.W. Palko, H. Lee, D.D. Agonafer, C. Zhang, K.W. Jung, J. Moss, J.D. Wilbur, T.J. Dusseault, M.T. Barako, F. Houshmand, G. Rong, T. Maitra, C. Gorle, Y. Won, D. Rockosi et al. // Proc. of the 15th IEEE Intersociety Conf. on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems (ITherm). Las Vegas, NV, USA. 31 May – 3 June 2016. https://doi.org/10.1109/ITHERM.2016.7517728

  32. A new transient method for determining thermal properties of wall sections / A.J. Robinson, F.J. Lesage, A. Reilly, G. McGranaghan, G. Byrne, R. O’Hegarty, O. Kinnane // Energy Build. 2017. V. 142. P. 139–146. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2017.02.029

  33. Fundamentals of heat and mass transfer / T.L. Bergman, A.S. Lavine, F.P. Incropera, D.P. DeWitt. 8th ed. N.Y.: Wiley, 2018.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Теплоэнергетика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал