Enhanced microchannel evaporator with integrated nanostructures in space application

Abstract

Elektronik cihazların işletim kapasitesinin artması ve elektronik ekipmanların boyutunun değişimi ile birlikte elektronik sanayinde ısıl yönetim önemli bir faktör haline gelmiştir. Elektronik ekipmanların gelecekte ısı yükünün artması ve elektronik ekipmanların boyutların küçülmesi ile birlikte günümüzde kullanılan ticari ısıl yönetim sistemlerinden hava ile soğutma sistemleri yeterli olmayacaktır. Yüksek ısı akılı elektronik ekipmanların performansının artırılması için ve elektronik ekipmanların güvenilir sıcaklık aralığında çalışabilmesi için ısının transfer edilmesi gerekmektedir. Isı tranferinde iyileştirme ekipman boyutlarının küçülmesine ve veriminin artmasına sebep olacaktır. Diğer ısı transfer yöntemleri ile karşılaştırıldığında havuz kaynamanın yüksek ısı akısını düşük duvar sıcaklığı ile transferi nedeni ile en iyi seçenek olmuştur. Buharlaştırıcılar buhar odası ve ısı boru tasarımlarında önemli rol oynamaktadır. Buharlaşma sırasında sıcaklık farkının azaltılması ve ısı akısının artırılması ısı transfer sistemlerine etki eden iki önemli alandır. Bu yüzden havuz kaynama kullanılarak ısı transferini artırmak için özel yüzeyler geliştirilmiştir. Bu özel yüzeyler mikrokanal, sinterlenmiş yüzey ve pin finlerdir. Bu çalışma ile ısı transferinin geliştirilmesi için mikrokanallar üzerinde birden fazla pasif teknik olarak kullanılan nanoyapılar, sinterlenmiş yüzeyler ve pin fin ile sağlanmıştır. Yedi yapı bireysel olarak incelenmiştir. Deneyler bakır malzeme ve gazı alınmış su kullanılarak mikrokanal, sinterlenmiş yüzey ve pin fin (mikro sütunlar) yapıların etkilerini incelemek için yapılmıştır. Kaynama performansı kritik ısı akısı ve ısı transferi katsayısı cinsinden ölçülmüştür. Kritik ısı akısı ve ısı transfer katsayısının bütün değiştirilmiş yüzeyler için düz bakır yüzeye oranla geliştiği görülmüştür.

Increasing processing capacity within the size of electronic device has made thermal management a key factor to electronic industries. Commercialized thermal management such as conventional air cooling system will not suffice the future requirements due to effects of increasing heat dissipation and miniaturization. In order to increase performance of electronic devices with high heat flux needs to be dissipated and electronic devices must operate reliably within safe temperature ranges. Heat transfer improvement will result in lower size of equipment and increased efficency. Compared to other conventional methods of heat transfer, pool boiling offers a much attractive option, as it is able to dissipate large amount of heat at low wall superheats. Evaporators play a crucial role in the design of vapor chambers and heat pipes. Reducing the temperature difference during evaporation and increasing heat flux are two important areas that directly affect the performance of the heat transfer systems. Therefore, special surfaces have been developed to further enhance the heat transfer using pool boiling. These special surfaces are microchannel, sintered and pin-fins. The present study deals with enhancement of heat transfer using combination of multiple passive techniques, namely nanostructures and microporous sintered surfaces over open microchannel surfaces and microchannels with pin-fins. Seven structures were studied as individual. Experiments were conducted to study the effects of microchannel, sintered, and pin fins ( micropillar) on the boiling heat transfer from a copper chip in a pool of degassed water. Boiling performance was measured in terms of critical heat flux (CHF) and heat transfer coefficient (HTC). Both HTC and CHF have been greatly improved on all modified surfaces compared to the plain copper chip baseline.