Amélioration des performances et évaluation thermodynamique d'un dissipateur thermique à microcanaux avec différents types de nervures et de cônes

Nov 12, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 10802 (2022) Citer cet article

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La présente étude vise à étudier les performances du dissipateur thermique à microcanaux via des simulations numériques, basées sur les première et deuxième lois de la thermodynamique. Les caractéristiques de transfert de chaleur et de flux des dissipateurs thermiques à microcanaux rectangulaires ont été améliorées en ajoutant six types différents d'amplificateurs de surface. Les sections transversales comprennent des nervures et des cônes rectangulaires, triangulaires et hexagonaux. Les cônes ont été créés à partir des mêmes sections transversales de nervures en les dessinant selon un angle de 45° orthogonal à la base, ce qui devrait réduire considérablement la chute de pression. Les performances des nervures et des cônes ont été évaluées à l'aide de différents paramètres tels que le facteur de frottement, la contrainte de cisaillement des parois, le taux de génération d'entropie, le nombre de génération d'entropie d'augmentation, la résistance thermique et l'efficacité de transport de l'énergie thermique. Les résultats de la présente étude ont révélé que le nouvel effet du cône à un angle de 45° réduit les pertes par frottement (la chute de pression maximale réduite est de 85 %) ; un compromis sur le comportement thermique a été démontré (l'indice de Nusselt maximum réduit est de 25 %). De même, l’application du cône a entraîné une réduction significative de la contrainte de cisaillement des parois et du facteur de frottement, ce qui peut conduire à une réduction des besoins en puissance de pompage. De plus, les nervures triangulaires ont une plus grande capacité à transférer l’énergie thermique que les nervures rectangulaires et hexagonales. De plus, il a été examiné dans la présente étude que la tendance du taux de génération d'entropie totale pour les nervures triangulaires diminue jusqu'à Re = 400 puis augmente, ce qui signifie que les pertes thermiques sont plus importantes que les pertes par frottement à un nombre de Reynolds inférieur. Cependant, les pertes par frottement dominent les pertes thermiques aux nombres de Reynolds plus élevés, où la génération de vortex a lieu, en particulier dans les nervures triangulaires.

Les progrès technologiques toujours croissants dans les circuits intégrés ont conduit à la génération d’un flux thermique croissant en raison d’une forte accumulation de circuits dans une taille minimale1,2,3,4,5. Par conséquent, cela a entraîné une demande de techniques de refroidissement efficaces autres que les méthodes traditionnelles. Le développement rapide dans le domaine des systèmes microélectromécaniques a motivé les chercheurs à développer de nouvelles techniques de micro-refroidissement. De nombreuses techniques ont été développées précédemment, notamment les micro-caloducs, les micro-électro-hydrodynamiques et les dissipateurs thermiques à microcanaux6. Parmi ces techniques, le dissipateur thermique à microcanaux (MCHS) s’est avéré être la plus efficace. L'étude a été menée pour la première fois par Tuckerman et Pease7 en 1981, montrant le transfert de chaleur dans un dissipateur thermique à microcanaux de silicium. L’étude s’est principalement concentrée sur la capacité d’un dissipateur thermique à microcanaux à éliminer la chaleur à raison de 790 W/cm2. Ils ont montré qu’une plus grande surface par rapport au volume fournie par le dissipateur thermique augmentait considérablement l’efficacité thermique. Les dissipateurs thermiques à microcanaux constituent la technologie d'échange de chaleur la plus avancée intégrant le flux de liquide monophasé. Les applications des microcanaux pour l'écoulement de liquide monophasique sont les applications de refroidissement des appareils électroniques, la technologie aérospatiale et les équipements de traitement utilisant la technologie laser8.

Depuis, le besoin croissant d'un dissipateur thermique à microcanaux a conduit à de nombreuses études expérimentales et numériques pour étudier les modèles de flux de chaleur dans un microcanal rectangulaire lisse. Lorsqu'il s'agit d'améliorer les performances thermiques du MCHS, il existe plusieurs restrictions qui imposent des limitations telles que la chute de pression à travers le micro-canal, car cela augmente la consommation d'énergie de pompage et les risques de fuite. De plus, la petite taille du canal rend l’écoulement rigide dans la région linéaire, ce qui entraîne de mauvaises performances par rapport à un écoulement irrégulier. Avec l'augmentation continue de la chaleur chargée et le besoin attentif de mesure de la température des composants électroniques, le canal de base linéaire est difficile à satisfaire ce besoin. Par conséquent, l’accent des études a été détourné vers des méthodes et techniques passives pouvant être utilisées pour améliorer les performances de transfert de chaleur dans les micro-canaux. Par exemple, Steinke et Kandlikar9 ont suggéré plusieurs techniques qui pourraient s'avérer utiles pour améliorer le flux de chaleur dans les micro-canaux. L'une des techniques qui méritent d'être mentionnées consiste à incorporer les caractéristiques de mélange pour améliorer le flux de mélange, la rupture de la surface limite pour augmenter le coefficient de transfert de chaleur local en utilisant une construction fragmentée.