Minichannel evaporator design for heat transfer enhancement in computer cooling applications

Abstract

Elektronik bileşenlerin üretimindeki gelişmelere paralel olarak çiplerin ısı yayılım miktarı da önemli ölçüde artmıştır. Elektronik soğutma, bilgisayarların güvenilir şekilde çalışmasında en kritik konulardan biridir. Geleneksel olarak, serbest taşınım, zorlanmış hava - sıvı soğutma ve buharlaştırıcı yöntemleri ile elektronik soğutma için bazı uygulamalar mevcuttur. Özellikle askeri uygulamalar ve süper bilgisayarlar için kullanılan soğutma yöntemlerinin, elektronik bileşenlere güvenilir sıcaklıkları sağlamak için özel olarak tasarlanması gerekmektedir. Bu gibi zorlu çalışma ortamlarında elektronik bileşenler için geleneksel soğutma yöntemleri yetersiz kalabilmektedir. Bu durumda, buhar sıkıştırmalı soğutma sistemi aktif bir soğutma sitemi kullanımı tercih edilmektedir. Bu çalışmada, elektronik çiplerin yüzey sıcaklığını 85 oC olan kritik değerin altında tutmak için buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminde kullanılan buharlaştırıcı tasarımı incelenmiştir. Aynı zamanda evaporatör optimizasyonu ve tasarımı için bir hesaplama modülü geliştirilmiştir. Minikanallı buharlaştırıcı tasarımlarında literatürde bulunan ısı transferi ve basınç kaybı denklemleri arasından seçilerek kullanılmıştır. Daha sonra, 100 - 500 W ısı gücüne sahip olan elektronik çipler modellenerek, tasarlanan buharlaştırıcılar için test düzeneğinde deneysel olarak incelenmiştir. Elektronik çiplerin yüzey sıcaklıkları sabit buharlaşma sıcaklığı ve farklı ısıl yüklerde ölçülmüş ve sonuçlar hesaplama modülü ile karşılaştırılmıştır.

In parallel with the developments in electronic component production the heat dissipation amount of the chips has increased considerably. Electronics cooling is one of the most critical concerns in reliable operation of computers. Conventionally, some applications available for electronics cooling such as radiation, free convection, force air - liquid cooling and evaporation. Especially the cooling methods used for military applications and supercomputers needs to be specially designed to supply for electronic components reliable temperatures. Conventional cooling methods for electronic components may be inadequate in harsh operating environments. At this point, active cooling techniques may be considered such as vapor compression refrigeration (VCR) system. In this study, a vapor compression refrigeration system for computers which need to high cooling applications have been studied for maintain the chip surface temperature below the study aim at 85 oC. At the same time a calculation module, for evaporator optimization and design, has been developed. The minichannel evaporator designs were calculated by selecting from heat transfer and pressure drop equations in literature. Then, the electronic chips, which have 100 - 500 W heat power were modeled experimentally in the test apparatus which was formed by producing the designed evaporators. Chip surface temperatures were measured according to constant evaporation temperature and variable heat power capacity and the results were compared with the generated calculation module.