مدیریت حرارتی سامانۀ خنک‌کاری بردهای الکترونیکی با استفاده از الگوهای مختلف جریان و به‌کارگیری نانوسیال

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه کاشان، کاشان، ایران

2 دانشکده مهندسی مکانیک،دانشگاه کاشان، کاشان ، ایران

چکیده

سامانه‌های خنک‌کاری با مایع در صنایع مختلف نقش بسیار مهمی را ایفا می‌کنند. اکثر بردهای الکتریکی و الکترونیکی که توان منابع تغذیۀ آن‌ها از مقدار مشخصی بیشتر است و به عبارتی حرارت زیادی را تولید می‌کنند، به‌جای سامانۀ خنک‌کاری با هوا از سامانه‌های خنک‌کاری با آب بهره می‌برند. در کار حاضر به‌منظور بهبود خنک‌کاری و کاهش دمای بردها، تحلیل عددی تک‌فاز یک سامانۀ خنک‌کاری با مایع به کمک انواع نانوسیالات و الگوهای مختلف جریان با روش عددی حجم محدود با استفاده از نرم‌افزار فلوئنت انجام شده است. علاوه‌بر این‌ها افت فشار جریان سیال خنک‌کننده نیز به‌عنوان یک پارامتر مهم مورد تحلیل قرار گرفته است. در ابتدا با کمک الگوهای جریانی شامل تغییر در تعداد انشعاب‌ها از سه به پنج انشعاب، پهنای مجرای عبوری در نواحی زیرین قطعات الکترونیکی از 10 به 12 میلی‌متر، نزدیک کردن کانال‌های آب با اضافه کردن تعداد مجاری سیال و همچنین با تغییر پهنای پخش‌کنندۀ سیال و بعد از آن با استفاده از نانوسیال‌های آب-اکسید آلومینیوم و آب-اکسید مس برای کسر حجمی‌های 1%، 3% و 5%  تلاش شده است دمای سطح تماس منابع تغذیۀ توان، تا حد ممکن کاهش یابد. براساس نتایج، مشاهده شده است که با تغییر الگوی جریان و تعدد انشعابات، دمای حداکثر سطح تماس منابع تغذیه تا حدود 5/2 درجۀ سلسیوس کاهش پیدا می‌کند، درحالی‌که با تغییر سیال از آب به نانوسیال حدود ۵/۰ درجۀ سانتی‌گراد دما کاهش پیدا خواهد کرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Zhang, Z., Wang, X., Yan, Y., "A review of the state-of-the-art in electronic cooling", e-Prime-Advances in Electrical Engineering, Electronics and Energy, Vol. 1, p. 100009, 2021. https://doi.org/10.1016/j.prime.2021.100009
[2] Murshed, S. S., De Castro, C. N., "A critical review of traditional and emerging techniques and fluids for electronics cooling", Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 78, pp. 821-833, 2017. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.04.112
[3] Pedram, M., Nazarian, S., "Thermal modeling, analysis, and management in VLSI circuits: Principles and methods", Proceedings of the IEEE, Vol. 94, No. 8, pp. 1487-1501, 2006. https://doi.org/10.1109/JPROC.2006.879797
[4] Wang, C. C., "A quick overview of compact air-cooled heat sinks applicable for electronic cooling—recent progress", Inventions, Vol. 2, No. 1, p. 5, 2017. https://doi.org/10.3390/inventions2010005
[5] Liang. G., Mudawar, I., "Review of spray cooling–Part 1: Single-phase and nucleate boiling regimes, and critical heat flux", International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 115, pp. 1174-1205, 2017. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.06.029
[6] Kuncoro, I. W., Pambudi, N., Biddinika, M., Widiastuti, I., Hijriawan, M., Wibowo, K., "Immersion cooling as the next technology for data center cooling: A review", in Journal of Physics: Conference Series, 2019, Vol. 1402, No. 4, p. 044057: IOP Publishing. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1402/4/044057
[7] Muhammad, A., Selvakumar, D., Wu, J., "Numerical investigation of laminar flow and heat transfer in a liquid metal cooled mini-channel heat sink", International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 150, p. 119265, 2020. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.119265
[8] Mahian, O. et al., "Recent advances in modeling and simulation of nanofluid flows-Part I: Fundamentals and theory", Physics reports, Vol. 790, pp. 1-48, 2019. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2018.11.004
[9] Kumar, S., Kumar, A., Kothiyal, A. D., Bisht, M. S., "A review of flow and heat transfer behaviour of nanofluids in micro channel heat sinks", Thermal Science and Engineering Progress, Vol. 8, pp. 477-493, 2018. https://doi.org/10.1016/j.tsep.2018.10.004
[10] Sheilhzadeh, G. A., Nazififard, Madahian, M., R., Kazemi, K., "Hydrodynamic-thermal Variations of a Nanofluid in a Tube Equipped with a Twisted Tape", Energy Engineering and Management, Vol 8, No. 4, pp. 86-99, 2023. https://doi.org/10.22052/8.4.86
[11] Zhai, Y., Xia, G., Liu, X., Li, Y., "Heat transfer enhancement of Al2O3-H2O nanofluids flowing through a micro heat sink with complex structure", International Communications in heat and Mass transfer, Vol. 66, pp. 158-166, 2015. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2015.05.025
[12] Doakhan, E., Sheikhzadeh, G. A., "Improved nanofluid cooling of cylindrical lithium ion battery pack in charge/discharge operation using wavy/stair channels and copper sheaths",  Energy Engineering and Management, Vol 13, No. 1, pp. 102-121, 2023. https://doi.org/10.22052/jeem.2023.113608
[13] Babaei, M. R., Sheikhzadeh, G. A., Abbasian Arani, A. A., "Numerical study of thethermohydraulic and energy-saving performance of a graphene nanoplatelet-platinum hybrid nanofluid inside a manifold microchannel heat sink", Energy Engineering and Management, Vol. 12, No. 4, pp. 100-113, 2023. https://doi.org/10.22052/jeem.2023.113687
[14] Sajid, M. U., Ali, H. M., "Recent advances in application of nanofluids in heat transfer devices: a critical review", Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 103, pp. 556-592, 2019. https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.12.057
[15]  Naranjani, B., Roohi, E., Ebrahimi, A., "Thermal and hydraulic performance analysis of a heat sink with corrugated channels and nanofluids", Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, Vol. 146, pp. 2549-2560, 2021. https://doi.org/10.1007/s10973-020-10225-9
[16] Koo, J., Kleinstreuer, C., "A new thermal conductivity model for nanofluids", Journal of Nanoparticle research, Vol. 6, pp. 577-588, 2004. https://doi.org/10.1007/s11051-004-3170-5
[17] Zhang, Y., Yu, X., Feng, Q., Zhang, R., "Thermal performance study of integrated cold plate with power module", Applied Thermal Engineering, Vol. 29, No. 17-18, pp. 3568-3573, 2009. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2009.06.013
[18] Hung, T. C., Huang, Y. X., and Yan, W. M., "Thermal performance of porous microchannel heat sink: Effects of enlarging channel outlet", International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 48, pp. 86-92, 2013. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2013.08.001
[19] Ramos-Alvarado, B., Feng, B., Peterson, G., "Comparison and optimization of single-phase liquid cooling devices for the heat dissipation of high-power LED arrays", Applied Thermal Engineering, Vol. 59, No. 1-2, pp. 648-659, 2013. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2013.06.036
[20] Sabin, M., Piva, S., "Numerical analysis of a cold plate for FM radio power amplifiers", in Journal of Physics: Conference Series, 2014, Vol. 525, No. 1, p. 012003: IOP Publishing. https://doi.org/10.1088/1742-6596/525/1/012003
[21] Patil, M. S., Seo, J. H., Panchal, S., Jee, S. W., Lee, M. Y., "Investigation on thermal performance of water-cooled Li-ion pouch cell and pack at high discharge rate with U-turn type microchannel cold plate", International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 155, p. 119728, 2020. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.119728
[22] Zhang, F., He, Y., Lao, Y., Zhai, L., Liang, B., "Optimization design and numerical study on thermal performance of a novel diamond-type channel cold plate", International Journal of Thermal Sciences, Vol. 188, p. 108254, 2023.
[23] Latif, M. J., "Heat convection", NY: Springer, 2009.