Investigación experimental y numérica de disipadores de calor de aletas continuas y en tiras alineadas
DOI:
https://doi.org/10.17533/udea.redin.20230417Palabras clave:
investigación experimental, disipadores de calor, enfriamiento de equipos electrónicosResumen
Las características de flujo y transferencia de calor de dos disipadores de calor análogos se obtuvieron a partir de experimentos de laboratorio y se compararon entre sí y con simulaciones numéricas. Uno contenía aletas rectas continuas y el otro, aletas de tira en línea, ambas enfriadas por un flujo de aire forzado paralelo a su base. La velocidad promedio del flujo de aire en los canales entre aletas osciló entre 4 y 20 m/s, lo que corresponde a números de Reynolds de 810 a 3800. Las mediciones indicaron que a pesar de su menor área de intercambio de calor, el coeficiente de convección del disipador de calor de las aletas de tira era lo suficientemente grande como para obtener una resistencia térmica menor que la de las aletas continuas. Se realizaron simulaciones numéricas para comparar sus resultados con los experimentos. Se utilizaron dos tratamientos distintos para las aletas: uno consideró aletas sin espesor, isotérmicas con la temperatura base de las aletas. El otro consideró el grosor de las aletas y un perfecto contacto térmico con la base del disipador de calor. Los resultados de la simulación del número de Nusselt para las aletas continuas coincidieron en un 3% con las medidas, pero se observaron desviaciones mayores para el disipador de calor de las aletas en tira.
Descargas
Citas
S. P. Gurrum, S. K. Suman, Y. K. Joshi, and A. G. Fedorov, “Thermal issues in next-generation integrated circuits,” IEEE Transactions on device and materials reliability, vol. 4, no. 4, pp. 709–714, 2004.
H. E. Ahmed, B. Salman, A. S. Kherbeet, and M. Ahmed, “Optimization of thermal design of heat sinks: A review,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 118, pp. 129–153, 2018.
Z. He, Y. Yan, and Z. Zhang, “Thermal management and temperature uniformity enhancement of electronic devices by micro heat sinks: A review,” Energy, vol. 216, p. 119223, 2021.
M. Hajmohammadi, V. A. Abianeh, M. Moezzinajafabadi, and M. Daneshi, “Fork-shaped highly conductive pathways for maximum cooling in a heat generating piece,” Applied thermal engineering, vol. 61, no. 2, pp. 228–235, 2013.
P. Hopton and J. Summers, “Enclosed liquid natural convection as a means of transferring heat from microelectronics to cold plates,” in 29th IEEE Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium. IEEE, 2013, pp. 60–64.
H. M. Ali, A. Arshad, M. Jabbal, and P. G. Verdin, “Thermal management of electronics devices with pcms filled pin-fin heat sinks: a comparison,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 117, pp. 1199–1204, 2018.
A. Arshad, M. Jabbal, P. T. Sardari, M. A. Bashir, H. Faraji, and Y. Yan, “Transient simulation of finned heat sinks embedded with pcm for electronics cooling,” Thermal Science and Engineering Progress, vol. 18, p. 100520, 2020.
R. Kalbasi, “Introducing a novel heat sink comprising pcm and air-adapted to electronic device thermal management,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 169, p. 120914, 2021.
S. Churchill and R. Usagi, “A general expression for the correlation of rates of transfer and other phenomena,” AIChE Journal, vol. 18, no. 6, pp. 1121–1128, 1972.
P. Teertstra, M. Yovanovich, and J. Culham, “Analytical forced convection modeling of plate fin heat sinks,” Journal of Electronics Manufacturing, vol. 10, no. 04, pp. 253–261, 2000.
H. Jonsson and B. Moshfegh, “Modeling of the thermal and hydraulic performance of plate fin, strip fin, and pin fin heat sinks-influence of flow bypass,” IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, vol. 24, no. 2, pp. 142–149, 2001.
M. Shaeri and M. Yaghoubi, “Thermal enhancement from heat sinks by using perforated fins,” Energy conversion and Management, vol. 50, no. 5, pp. 1264–1270, 2009.
W. Al-Sallami, A. Al-Damook, and H. Thompson, “A numerical investigation of the thermal-hydraulic characteristics of perforated plate fin heat sinks,” International Journal of Thermal Sciences, vol. 121, pp. 266–277, 2017.
S. Chingulpitak, H. S. Ahn, L. G. Asirvatham, and S. Wongwises, “Fluid flow and heat transfer characteristics of heat sinks with laterally perforated plate fins,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 138, pp. 293–303, 2019.
A. A. Hussain, B. Freegah, B. S. Khalaf, and H. Towsyfyan, “Numerical investigation of heat transfer enhancement in plate-fin heat sinks: Effect of flow direction and fillet profile,” Case Studies in Thermal Engineering, vol. 13, p. 100388, 2019.
B. Freegah, A. A. Hussain, A. H. Falih, and H. Towsyfyan, “Cfd analysis of heat transfer enhancement in plate-fin heat sinks with fillet profile: Investigation of new designs,” Thermal Science and Engineering Progress, vol. 17, p. 100458, 2020.
A. Tariq, K. Altaf, S. W. Ahmad, G. Hussain, and T. Ratlamwala, “Comparative numerical and experimental analysis of thermal and hydraulic performance of improved plate fin heat sinks,” Applied Thermal Engineering, vol. 182, p. 115949, 2021.
E. Sparrow, B. Baliga, and S. Patankar, “Heat transfer and fluid flow analysis of interrupted-wall channels, with application to heat exchangers,” 1977.
E. Sparrow and C. Liu, “Heat-transfer, pressure-drop and performance relationships for in-line, staggered, and continuous plate heat exchangers,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 22, no. 12, pp. 1613–1625, 1979.
W. Al-Sallami, A. Al-Damook, and H. Thompson, “A numerical investigation of thermal airflows over strip fin heat sinks,” International Communications in Heat and Mass Transfer, vol. 75, pp. 183–191, 2016.
E. Ozturk and I. Tari, “Forced air cooling of cpus with heat sinks: A numerical study,” IEEE transactions on components and packaging technologies, vol. 31, no. 3, pp. 650–660, 2008.
P. Teertstra, J. Culham, and M. Yovanovich, “Analytical modeling of forced convection in slotted plate fin heat sinks,” ASME-PUBLICATIONS-HTD, vol. 364, pp. 3–12, 1999.
F. Hong and P. Cheng, “Three dimensional numerical analyses and optimization of offset strip-fin microchannel heat sinks,” International Communications in Heat and Mass Transfer, vol. 36, no. 7, pp. 651–656, 2009.
D. B. Spalding, “Phoenics. cham,” Multiphase Science and Technology, vol. 6, no. 1-4, 2009.
T. L. Bergman, F. P. Incropera, D. P. DeWitt, and A. S. Lavine, “Fundamentals of heat and mass transfer,” John Wiley & Sons, 2011.
R. L. Webb, “Heat exchanger design methodology for electronic heat sinks,” 2007.
R. J. Moffat, “Modeling air-cooled heat sinks as heat exchangers,” in Twenty-Third Annual IEEE Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium. IEEE, 2007, pp. 200–207.
H. W. Coleman and W. G. Steele, “Experimentation, validation, and uncertainty analysis for engineers,” John Wiley & Sons, 2018.
H. K. Versteeg and W. Malalasekera, “An introduction to computational fluid dynamics: the finite volume method,” Pearson education, 2007.
D. Agonafer, L. Gan-Li, and D. Spalding, “The lvel turbulence model for conjugate heat transfer at low reynolds numbers,” Application of CAE/CAD Electronic Systems, ASME, vol. 18, pp. 23–26, 1996.
D. Spalding, “A single formula for the law of the wall,” Journal of Applied Mechanics, vol. 28, no. 3, pp. 455–458, 1961.
J. P. Hartnett, J. C. Y. Koh, and S. T. McComas, “A comparison of predicted and measured friction factors for turbulent flow through rectangular ducts,” Journal of Heat Transfer, vol. 84, pp. 82–88, 1962.
D. Spalding, “Mathematical modelling of fluid-mechanics, heat-transfer and chemical-reaction processes,” A Lecture Course, Imperial College CFDU Report, 1980.
D. B. Spalding, “A novel finite difference formulation for differential expressions involving both first and second derivatives,” International Journal for Numerical Methods in Engineering, vol. 4, no. 4, pp. 551–559, 1972.
S. Klein and G. Nellis, “Mastering ees,” f-Chart software, 2012.
Descargas
Publicado
Cómo citar
Número
Sección
Licencia
Derechos de autor 2023 Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia
![Creative Commons License](http://i.creativecommons.org/l/by-nc-sa/4.0/88x31.png)
Esta obra está bajo una licencia internacional Creative Commons Atribución-NoComercial-CompartirIgual 4.0.
Los artículos disponibles en la Revista Facultad de Ingeniería, Universidad de Antioquia están bajo la licencia Creative Commons Attribution BY-NC-SA 4.0.
Eres libre de:
Compartir — copiar y redistribuir el material en cualquier medio o formato
Adaptar : remezclar, transformar y construir sobre el material.
Bajo los siguientes términos:
Reconocimiento : debe otorgar el crédito correspondiente , proporcionar un enlace a la licencia e indicar si se realizaron cambios . Puede hacerlo de cualquier manera razonable, pero no de ninguna manera que sugiera que el licenciante lo respalda a usted o su uso.
No comercial : no puede utilizar el material con fines comerciales .
Compartir igual : si remezcla, transforma o construye a partir del material, debe distribuir sus contribuciones bajo la misma licencia que el original.
El material publicado por la revista puede ser distribuido, copiado y exhibido por terceros si se dan los respectivos créditos a la revista, sin ningún costo. No se puede obtener ningún beneficio comercial y las obras derivadas tienen que estar bajo los mismos términos de licencia que el trabajo original.