Date of Award

12-2015

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Mechanical Engineering (MSME)

Department

Mechanical Engineering

First Advisor

Dr. Mohammad O. Hamdan

Second Advisor

Dr. Ahmed Hassan

Abstract

This study aims to analyze the cooling performance of phase change materials (PCMs) integrated into metallic heat sinks (HSs) both experimentally and numerically. For the experimental part of the study, a test setup has been constructed to test PCM integrated heat sinks. The heat sinks are prepared as metallic containments having fins with fixed inter-fin spacing. The volume between the heat sink fins is filled with PCM namely: a paraffin wax, salt hydrate-calcium chloride and milk-fat, then the whole system is sealed for testing under various heat loads at 4W, 6W, 8W and 10W. Four modes of operation are experimentally tested in this study: HS under natural convection, HS integrated with PCM under natural convection, HS under forced convection, and HS integrated with PCM under forced ventilation. The temperature of heat generating surface and the heat sink surface are monitored over time to evaluate the PCM thermal performance. From the results, the time lag and temperature drop in case of with PCM compared to without PCM shows the cooling effect of adding PCM under both natural and forced ventilation modes of heat removal. It found that inclusion of each of the three types of PCM into heat sinks with natural convection shows higher temperature drop (up-to 15 °C) in first 15 min of heating than inclusion of fan (forced convection) without PCM. However, the combination of both the fan ventilation and the PCM always maintain the lower temperature other three modes. This leads to conclusion that implementing a PCM in the heat sink will be very useful in thermal management of the electronic device and the application is more suitable under cyclic thermal loading conditions since in all cases the PCM completes melting in certain time and then shows a temperature rise. It is recommended to use forced convection combined with PCM filled in HS to increase the cooling effect while using PCM will be recommended for short time operation or cyclic operation such as switching operations where PCM can be regenerated to solid during off duty cycle to be ready for the next cycle of heat absorption. It is also recommended to use PCM integrated into a HS to provide a backup passive cooling support especially in case of failure of the fan system during operation as an additional safety cover. For the numerical part of the study, a three dimensional transient heat transfer numerical model using commercial ANSYS CFD software is developed and is validated against the experimental results. Next the numerical model is used to optimize the heat sink geometry, the PCM amount and the viii cooling-heating response in order to identify potential applications in electronic packaging in terms of temperature drop and charging-discharging cycle time. From parametric study, it is observed that a narrow melting point, not mixing of the PCM, good thermal conductivity, higher density, rectangular fin type and a reasonable package size are optimum for the temperature control of electronic devices employing heat sink with PCM.

Arabic Abstract

الهدف من هذه الأطروحة هو إجراء التحليل العملي والعددي لاختبار أداء المواد المتحولة حالتها الفيزيائية من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة (Phase change material) في عملية تبريد الأجهزة الكهربائية من خلال دمجها في مصارف الحرارة المعدنية (Heat sink).

بالنسبة للجزء التجريبي للدراسة: فقد تم إعداد الجهاز بطريقة تتناسب مع طريقة إجراء تقييمات مختلفة للمواد المتحولة حالتها الفيزيائية، والمعبأة في مصارف الحرارة المعدنية. وقد تم إعداد مصارف الحرارة المستخدمة في هذه الدراسة على هيئة أحواض فلزية تمتص الحرارة، مع احتوائها على عدد محدد من الزعانف المعدنية على أبعاد متساوية من بعضها البعض. ثم تم تعبئة الفراغ بين هذه الزعانف بالمواد المتحولة حالتها فيزيائياً، وهي كالآتي: شمع البارافين (Paraffin Wax)، وملح كلوريد هيدرات الكالسيوم (Calcium Chloride Hydrate)، والحليب الدسم (Milk-Fat). ثم تم تعريض النظام بأكمله لأحمال حرارية: 4 و 6 و 8 و 10 وحدات أحمال حرارية. ثم تم اختيار أربعة أساليب تجريبياً في هذه الدراسة، وهي كالآتي: مصارف حرارية معرضة للتهوية الطبيعية، ومصارف حرارية معبأة بالمواد المتحولة حالتها الفيزيائية، ومصارف حرارية معرضة للتهوية القسرية، ومصارف حرارية معبأة بالمواد المتحولة حالتها الفيزيائية معرضة للتهوية القسرية. وبعد ذلك تم رصد درجة حرارة السطح المولد للحرارة والسطح المشتت للحرارة مع مرور الوقت لتقييم أداء المواد المتحولة حالتها فيزيائياً حرارياً.

بالنسبة للجزء العددي للدراسة، فقد تم تطوير نموذج عددي ثلاثي الأبعاد، يحاكي النظام الذي تم استخدامه تجريبياً في نقل الحرارة وذلك باستخدام برنامج تحليل عددي (ANSYS)، ليتم التحقق من النتائج التجريبية المستخرجة مسبقاً. بجانب ذلك تم استخدام النموذج العددي لتحسين هندسة المصارف الحرارية، واختيار أفضل كمية مستخدمة من المواد المتحولة حالتها الفيزيائية للحصول على أفضل النتائج في عملية التبريد؛ من أجل تحديد التطبيقات المحتمل استخدام هذا النظام فيها بطريقة فعالة.

ومن خلال النتائج: تبين وجود انخفاض في الفارق الزمني، ودرجة الحرارة في حالة استخدام المواد المتحولة حالتها الفيزيائية مقارنة مع عدم استخدامها. كما ظهر تأثير التبريد وإزالة الحرارة خلال استخدام هذه المواد وتعريض المصارف الحرارية لمختلف وسائط التهوية (الطبيعية والقسرية). وأظهرت النتائج أن تعبئة كل من الأنواع الثلاثة السابق ذكرها من المواد المتحولة حالتها الفيزيائية في المصارف الحرارية في حالة التهوية الطبيعية يظهر أعلى انخفاض في درجة الحرارة (يصل إلى 15 درجة حرارية) في أول 15 دقيقة من التدفق مقارنة مع استخدام المراوح كتهوية قسرية من دون استخدام المواد المتحولة. ولكن استخدام هذه المواد لفترات طويلة أظهر ارتفاعاً في درجات الحرارة مقارنة مع نتائج التبريد في حال استخدام المواد ذاتها لفترة زمنية أقصر. ومع ذلك، فإنه تبين أن الجمع بين كل من مراوح التهوية واستخدام المواد المتحولة يعطي نتائج أفضل في خفض درجة حرارة الأجهزة.

وفي الختام، ينصح باستخدام التهوية القسرية باستخدام المراوح جنباً إلى جنب مع المواد المتحولة حالتها الفيزيائية في المصارف الماصة للحرارة؛ لزيادة تأثير التبريد أثناء الاستخدام. كما يتم التوصية باستخدام هذا النظام في التطبيقات قصيرة المدى الزمني، أو إجراء التشغيل الدوري لها حتى تتمكن هذه المواد من العودة إلى حالتها الصلبة خلال دورة توقفها عن العمل، مما يتيح إمكانية الاستعداد للدورة المقبلة من امتصاص الحرارة. كما توصي الدراسة باستخدام هذه المواد ودمجها في المصارف الماصة للحرارة لتوفير نسخة احتياطية بمثابة غطاء سلامة إضافي لدعم التبريد وإزالة الحرارة خصوصاً في حال فشل نظام المراوح المستخدم للتبريد خلال هذه العملية.

Arabic Comments

مفاهيم البحث الرئيسية: المواد المتحولة حالتها الفيزيائية، أنظمة تبريد، الأجهزة الكهربائية، مصارف الحرارة.

Download
COinS