Date of Award

5-2024

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Mechanical Engineering (MSME)

Department

Mechanical and Aerospace Engineering

First Advisor

Salah Al Omari

Second Advisor

Emad Elnajjar

Abstract

This research explores the numerical analysis of phase change materials (PCMs) heat sinks, focusing on high heat flux dissipation applications, e.g. electronics cooling. Both 2D and 3D numerical models using gallium and paraffin RT31 as PCMs are considered within a heat sink design framework featuring a rectangular cavity and dual opposing vertical copper walls serving as fins to dissipate heat from the hot sink base that receives heat from the heat source. The inclusion of a Triply Periodic Minimal Surface (TPMS) ‘Primitive’ structure as an in-fill thermal conductivity enhancer (TCE) in the case of the gallium heat sink, and a ‘Primitive’ TPMS structure combined with high thermal conductivity metal foam in the case of the RT31 heat sink, aims to enhance the heat dissipation efficiency within the sink cavity. To further enhance the thermal performance, the study fosters a temperature differential across the sink cavity, initiating buoyancy-driven circulations within the melted PCM to augment cooling of the hot sink base by natural convection. This temperature differential is achieved by subjecting one of the two opposing sink walls to external forced convection cooling with the ambient surroundings and insulating the other wall. Investigations extend to varying sink-base placements on top of the heating source surface area, sink cavity aspect ratios while maintaining PCM volume, and the impact of using metal foam and TPMS structures for improved heat transfer. A range of cavity heights from 14 mm to 20 mm, corresponding to aspect ratios (height/width) from 0.65 to 1.3, respectively, are considered. Two heat flux levels are applied at the sink base, 15 W/cm², and 6 W/cm², across a 15 mm span. However, for the paraffine sink cases, only 6 W/cm² heat flux was applied, as paraffin failed to withstand such a high heat flux value of 15 W/cm², even when the TPMS structure and the metal foam were utilized. Results indicate that the most effective thermal management occurs at an aspect ratio of 0.963, with the sink optimally positioned at the heat source's edge. This configuration ensures minimal peak temperatures and restricted spreading of the hottest spots on top of the sink base. For the gallium heat sink cases, gallium alone as PCM (without the inclusion of TPMS structure or metal foam) stands out for its superior heat dissipation performance. When gallium is integrated within the TPMS structures it shows markedly enhanced heat dissipation features in the sink, resulting in a peak temperature reduction of approximately 10°C compared to the baseline case without TPMS structures. Furthermore, for the paraffine sink cases, the integration of the metal foam within the TPMS configurations demonstrates efficient heat dissipation, achieving a steady-state peak temperature decrease by about 5°C, compared to the baseline case. This comparative analysis underscores the importance of PCM material selection, structural and design configurations, and the synergistic effects of paraffin, metal foam, and TPMS structures in achieving optimal thermal management for high heat flux generating devises such as electronics.

Arabic Abstract


دمج المشتتات الحرارية مع المواد المتغيرة الطور (PCMs) لتبريد الأجهزةالإلكترونية ذات التدفق الحراري العالي

يتطرق هذا البحث الى دراسة عددية للمشتتات الحرارية التي تحوي مادة متغيرة الطور (PCM)، في التطبيقات المعرضة لتدفق حراري عال. مثل الدوائر والأجهزة الكهربائية. في هذا البحث تم تبني تحليل عددي ثنائي وثلاثي الأبعاد للمشتتات الحرارية التي تحوي مواد متغيرة الطور مثل Gallium، وParaffine RT31. يتكون المشتت الحراري من تجويف مستطيل وجدران نحاسية رأسية متعارضة تعمل كزعانف لتبديد الحرارة من قاعدة المشتت الحراري الذي يتلقى الحرارة من المصدر. و في محاولة لتحسين أداء انتقال الحرارة، تم استخدام تقنيات لتحسين الأداء الحراري و الموصلية الحرارية داخل المشتت، منها TPMS structures من النوع ‘Primitive’ التي استخدمت في المشتت الحراري الذي يحوي مادة Gallium. بالاضافة الى ذلك تم تبني TPMS structures و Metal foam معاً في المشتت الحراري اللي يحوي مادة RT31 لزيادة الأداء الحراري، تم تعزيز فارق درجات الحرارة عبر الزعانف الجانبية داخل المشتت الحراري، والتي تؤدي بدورها الى دفع و تكوين الحركة الدورانية لمادة PCM المنصهرة لزيادة تبريد قاعدة المشتت عن طريق التوصيل الحراري بالحمل. يمكن تحقيق تلك الفرق في درجات الحرارة من خلال تعريض أحد الزعانف الحرارية الجانبية في المشتت للتبريد من المحيط الخارجي وعزل الجدار الآخر. في هذا البحث تم تغيير موضع قاعدة المشتت الحراري على المصدر، وتم تغيير أبعاد المشتت الحراري (الارتفاع/العرض) مع المحافظة على نفس حجم المشتت. تم تجربة ارتفاعات مختلفة للمشتت من 14 مم إلى 20 مم، والتي تمثل نسبة (الارتفاع/العرض) من 0.653 إلى 1.33 على التوالي. وتم تطبيق مستويين مختلفين من التدفق الحراري على قاعدة الحوض، 15 واط/سم٢ و٦ واط/سم٢، والتي تمتد على عرض 15 مم. وجدت الدراسة أن مادة R131 قد فشلت في تحمل قيمة التدفق الحراري التي تبلغ 15 واط/سم٢، حتى عند استخدام TPMS و Metal foam. ونتيجة لذلك، تم تقليل قيمة التدفق الحراري إلى ٦ واط/سم٢. تشير النتانج إلى أن الأداء الحراري الأكثر فعالية يتحقق عند استخدام نسبة (الارتفاع/العرض) والتي تبلغ 0.963، وعند تموضع المصدر الحراري الى الجهة الاقرب للجدار المعرض للتبريد الخارجي. وضع مادة Gallium ضمن هياكل TPMS، ساعدت بشكل ملحوظ على تبديد الحرارة في المشتت، والذي أدى إلى انخفاض درجة الحرارة القصوى بحوالي 10 درجات مئوية مقارنة بالحالة التي لا تحتوي TPMS. علاوة على ذلك، بالنسبة لحالات RT31، فإن دمج Metal foam مع TPMS يساعد على تبديد الحرارة بكفاءة، و الذي حققت انخفاضا في درجة الحرارة بنحو 5 درجات منوية، مقارنة بالحالة التي لا تحتوي TPMS و Metal foam. تؤكد هذه المقارنة على أهمية اختيار مواد PCM، وطرق التعزيز الحراري عن طريق تحسن الموصلية الحرارية باستخدام TPMS structures وMetal foam تحت ظروف التدفق الحراري العالي في الأجهزة الإلكترونية.

Download
COinS