Caracterização experimental do desempenho térmico e fluidodinâmico de dissipadores de calor microaletados durante a ebulição convectiva - Nunes, Jessica Martha [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023)
A demanda crescente de dispositivos eletrônicos de alta capacidade de processamento, com dimensões cada vez menores, vem exigindo da comunidade científica soluções para dissipar as altas taxas de calor geradas em tais dispositivos, garantindo sua integridade e funcionamento. Com isso, pesquisas envolvendo aplicações de mudança de fase em dissipadores de calor compactos, baseados em microcanais, e suas versões melhoradas, como micropilares, vêm ganhando espaço nos últimos anos, principalmente associados com o uso de fluidos de trabalho ecologicamente corretos. Neste contexto, o presente trabalho analisa o comportamento térmico e fluidodinâmico da ebulição convectiva usando HFE-7100 como fluido de trabalho, em um dissipador de calor baseado em microaletas quadradas, fabricadas por meio de microfresamento, sobre uma superfície de cobre eletrolítico. São propostos diferentes arranjos geométricos de microaletas (com alturas de 160 e 350 µm), alinhado e escalonado, testados em três velocidades mássicas diferentes (800, 1000 e 1200 kg/m²s) e dois níveis de subresfriamento do fluido na entrada do dissipador (10 e 20 °C), em relação à temperatura de saturação à pressão de entrada do sistema. Assim, é realizada uma análise do desempenho térmico (por meio das curvas de ebulição e Coeficiente de Transferência de Calor, CTC) e fluidodinâmico (por meio da perda de pressão) do dissipador de calor durante a ebulição convectiva. Os resultados mostraram que as superfícies com arranjo escalonado apresentam melhor desempenho térmico em relação ao arranjo alinhado, mesmo sofrendo menor influência dos efeitos da mudança de fase sobre a troca térmica. Um menor subresfriamento do fluido na entrada do dissipador de calor, por sua vez, favorece o ganho no CTC devido aos efeitos dos mecanismos de transferência de calor da ebulição nucleada, principalmente para amostra com menor altura das microaletas (para baixos fluxos de calor) devido ao efeito de confinamento das bolhas de vapor; porém, observa-se o fenômeno de secagem da superfície em fluxos de calor bem mais baixos, quando comparados ao maior subresfriamento. Por fim, quanto aos aspectos fluidodinâmicos, a presença de vapor sobre a superfície faz a queda de pressão aumentar exponencialmente na região bifásica, sendo mais significativo para a superfície com menor altura de microaleta; observa-se que o arranjo escalonado favorece uma transição mais gradual para o regime bifásico, suavizando a queda de pressão, efeito esse caracterizado pela maior estabilidade fluidodinâmica neste arranjo de microaletas.

The growing demand for electronic devices with high processing capacity and increasingly smaller dimensions has been demanding solutions from the scientific community to dissipate the high heat rates generated in such devices, ensuring their integrity and functioning. Thus, research involving applications with phase change in compact heat sinks based on microchannels and improved versions, such as micro pin-fins, have gained visibility in recent years, mainly associated with using “environmentally friendly” working fluids. In this context, the present work analyzes the thermal and hydrodynamic behavior of convective boiling using HFE-7100 as working fluid in a heat sink based on square micro pin-fins fabricated by micromilling on an electrolytic copper surface. Different micro pin-fins arrays are proposed (with heights of 160 and 350 μm), aligned and staggered arrays, tested at different mass velocities (800, 1000 and 1200 kg/m²s), and two levels of fluid subcooling at the heat sink inlet (10 and 20 °C). Thus, the thermal performance (through the boiling curves and Heat Transfer Coefficient, HTC) and fluid dynamic (through pressure drop) of the heat sink during convective boiling is analyzed. The results showed that the surfaces with staggered arrays present better thermal performance than the aligned arrays, even with less influence of the phase change effects on the heat exchange. A lower subcooling of the fluid at the heat sink inlet, in turn, favors the CTC due to the effects of the heat transfer mechanisms of nucleated boiling, especially for samples with lower micro pin-fin heights due to the vapor bubble confinement effect; however, the dryout phenomenon is observed at lower heat fluxes values. Finally, regarding the fluid dynamic aspects, the presence of vapor on the surface causes an increase in the pressure drop, being more significant for the surface with the lowest micro pin-fin height; it is observed that the staggering array favors a more gradual transition to the two-phase flow regime, smoothing the pressure drop, an effect characterized by higher fluid dynamic stability in this micro pinfins array.
Experimental characterization of thermal and fluid dynamic performance of micro pin fin heat sink during convective boiling
Keywords: Ebulição convectiva; Microaletas; Transferência de calor; Perda de pressão; HFE-7100; Convective boiling; Micro pin-fins; Heat transfer; Pressure Drop