Functional new generation surfaces for enhanced phase change heat transfer and electronics cooling
Gelişmiş faz değişimli ısı transferi ve elektronik cihazları soğutma için fonksiyonel yeni nesil yüzeyler
- Tez No: 834896
- Danışmanlar: PROF. DR. ALİ KOŞAR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mekatronik Mühendisliği, Mechanical Engineering, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 126
Özet
Yüksek ısı akışına sahip elektronik cihazlarda etkili termal yönetim ve ısının uzaklaştırılması, güvenilir çalışmalarını sağlamak ve arızaları ve hatta kapanmaları önlemek için çok önemlidir. Yetersiz ısı dağıtımı, önemli ölçüde küçük yüzeylerdeki yüksek ısı akışları nedeniyle elektronik cihazların ömrünün azalmasına neden olabilir. Bu nedenle yeni nesil soğutma tekniklerine olan talep artmaktadir. Kaynama yoluyla faz değişimli ısı transferi etkili ve düşük maliyetli bir yöntemdir ve kabarcık dinamiği davranışına bağlıdır. Kabarcık dinamiklerini manipüle etmek ve kaynama ısı transfer performansını arttırmada etkili bir mekanizma sunmak için yüzey iyileştirme teknikleri kullanılmıştır. Bununla birlikte, arayüzey olaylarının özellikle küçük boyutlardaki karmaşıklığından dolayı, farklı yüzeyler tarafından bu iyileştirmeden sorumlu olan spesifik mekanizmalar henüz tam olarak anlaşılamamıştır. Üstelik yeni tasarlanmış yüzeyler, ısı transferini eskisinden daha fazla artırma potansiyeline sahiptir; bu da işlevselleştirilmiş yüzeylerin üretilmesinin gerekli olduğunu göstermektedir. Faz değişimi olayının kesin çözümlerinin ve denklemlerinin bulunmaması, deneysel çalışmaların yapılması gerekliliğini ortaya koymaktadır. Bu tez, iç yapılanma ve dış kaplamayı kullanarak hem atmosferik hem de atmosfer altı basınçlar altında kaynama ısı transferini deneysel olarak araştırmaktadır. Gözenekli bakır yüzeyler, sıvı yüzey arayüzünde daha büyük bir ısı transfer alanı ve daha fazla çekirdeklenme alanı sağlar ve çıplak bakır yüzeylere kıyasla ısı transferini artırır. Ayrıca bakır köpüklerin yüzey yenileme ve kılcal fitilleme özelliği, yüksek ısı akışlarında yüzeyin kurumasını önler. Grafen son zamanlarda olağanüstü termal ve mekanik özelliklerinden dolayı termal yönetim uygulamalarında giderek artan bir ilgi görmektedir. Bu çalışma, gözenekli yapıyı grafen kaplama ile birleştirerek köpük kalınlığının (yani 0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm ve 2 mm) ve grafen kaplamanın sinterlenmiş gözenekli yüzeyler üzerinde havuz kaynama ısı transferi üzerindeki etkilerine odaklanmaktadır. Elde edilen sonuçlara göre, daha ince numuneler (0,5 mm ve 1 mm), daha kalın numunelere (1,5 mm ve 2 mm) kıyasla daha düşük buhar direnci ve verimli sıvı beslemesi nedeniyle daha iyi performans sergilemiştir. Optimum yüzey konfigürasyonu çalışma koşuluna bağlıdır. Grafen kaplama kabarcık dinamiklerini etkiler ve termal iletkenliği ve fitilleme oranını artırarak kaynama ısı transferinde daha fazla iyileşmeye yol açar. Grafen kaplı sinterlenmiş gözenekli bakır yüzeylerde 0,5 mm kalınlık için maksimum ısı transfer artışı çıplak bakır yüzeye göre %161 olarak kaydedilirken, grafen kaplama ile maksimum artış aynı gözenekli bakır yüzeye göre %24 olarak kaydedildi. kalınlık. Böylece, sinterlenmiş gözenekli bakır yüzeyler üzerine grafen kaplamanın kaynama ısı transferini daha da artırmaya katkısı bu çalışmada kanıtlanmıştır. Buna ek olarak, bu tez, akış kaynamasının iyileştirilmesi için etkili yöntemler önermek amacıyla bir dizi yeni nesil yüzeyi araştırmaktadır. Atmosfer altı akışlı kaynama ısı transferi, daha düşük doyma sıcaklıkları nedeniyle elektroniklerin soğutulması için umut verici bir yöntemdir. Ancak basınç, yüzey gerilimini ve buhar yoğunluğunu etkileyen çok önemli bir parametredir. Bu tezdeki ilk çalışma, yüzey karışık ıslanabilirlik konfigürasyonunun atmosferik ve atmosfer altı basınç koşulları altında kabarcık dinamiği ve ısı transferi üzerindeki etkisini inceledi. Süperhidrofilik, süperhidrofobik ve karışık ıslanabilir yüzeyler hazırlandı ve çeşitli ısı akışlarında ve 48 kPa, 68 kPa ve 101 kPa'lık üç sistem basıncında test edildi. Kanal boyutları 50 mm x 15 mm ve kanal derinliği 1 mm idi. Sonuçlar, karışık ıslanabilir yüzeylerin, atmosfer altı kaynama için yüksek ısı akışlarında süperhidrofilik yüzeylerle karşılaştırıldığında performansı %28'e kadar arttırdığını gösterdi. Akış görselleştirme çabaları, karışık ıslanabilirlik yüzeylerinin, kurumuş nokta oluşumunu önleyerek verimli slug rejimini daha yüksek ısı akışlarına genişleterek ısı transferini iyileştirdiğini ortaya koymaktadır. Bu yüzeyler, düşük ve orta ısı akışlarında yüksek yoğunluklu çekirdeklenme alanlarından yararlanır ve bu da süperhidrofilik yüzeye kıyasla gözle görülür bir performans artışı sağlar. Bu çalışmada elde edilen deneysel veriler, atmosfer altı koşullarda çalışan termal akışkan sistemlerinin geliştirilmesine yardımcı olacaktır. Havuz kaynatmada grafen kaplamayla elde edilen ısı transferi artışından esinlenerek, atmosfer altı basınçlarda akış kaynaması üzerindeki etkisini araştırmak için başka bir çalışma yapıldı. Bu bağlamda, 0,5 mm gözenek kalınlığına sahip grafen kaplamalı ve kaplamasız numunenin atmosferik akış kaynamasında etkinliği değerlendirildi. Sonuçlar, grafenin, havuz kaynamasındaki etkisine benzer şekilde, düşük ısı akılarında işlenmemiş yüzeylere kıyasla çekirdeklenme noktalarını önemli ölçüde arttırdığını ortaya çıkardı. Ayrıca, kaplanmamış numune kaynama kararsızlığı yaşarken, yüksek ısı akışlarında etkili halkasal akışı kolaylaştırdı. Bu bulgular, grafen kaplı yüzeylerin, atmosfer altı akışlı kaynatma işlemleri sırasında ısı transfer performansını iyileştirmedeki potansiyelini vurgulamaktadır. Daha önce açıklandığı gibi yüzey ıslanabilirliği, özellikle akış kaynamasında ısı transfer performansı üzerinde önemli bir etkiye sahip olan çok önemli bir parametredir. Başarılı olan son çalışma, üç yeni bifilik yüzeyi tanıtıyor ve bunları yüksek en-boy oranlı bir mikrokanalda akış kaynamasında tamamen hidrofobik bir yüzey referans örneğiyle karşılaştırıyor. Karışık ıslanabilirlik yüzeyleri, tamamen Al2O3 (hidrofobik bölge) bölgesi, çeşitli A* değerlerine sahip üç farklı desenli konfigürasyon ve A*'nın AAl2O3/Atoplam (hidrofobiklik oranı) olarak tanımlandığı tamamen SiO2 (hidrofilik bölge) bölgesi olmak üzere beş bölgeye sahiptir. Kaynama ısı transferi sonuçları her yüzey için çeşitli duvar ısı akışlarında ve üç farklı kütle akışında elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, bifilik yüzeyler ile referans numuneye (hidrofobik yüzey) kıyasla ısı transferinde önemli (%56,7'ye kadar) artışlar elde edilebilmiştir. Gerçekleştirilen akış görselleştirmesi, test edilen bifilik yüzeylerin kabarcıklı akış rejimini azaltarak ve slug rejimini uzatarak ısı transferini arttırdığını kanıtlamaktadır. Bu tez, kaynama deneylerinde işlevsel yeni nesil yüzeylerden faydalanarak, altta yatan ısı transfer mekanizmalarını incelemektedir. Bu çalışmadan elde edilen sonuçlar, pratik termal yönetim sistemlerine uygulanabilecek değerli bilgiler sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
Effective thermal management and heat removal in high heat flux electronic devices are essential to ensure their reliable operation and prevent malfunctions and even shutdowns. Insufficient heat dissipation can result in a reduced lifespan for electronic devices due to the high heat fluxes on significantly small surfaces. Therefore, the demand for next generation cooling techniques is on the rise. Phase change heat transfer via boiling is an effective and low-cost method and noticeably depends on bubble dynamics behavior. Surface enhancement techniques have been utilized to manipulate the bubble dynamics and offer an effective mechanism in augmenting the boiling heat transfer performance. However, due to the complexity of interfacial phenomena, especially in small dimensions, the specific mechanisms responsible for this enhancement by different surfaces are not yet fully understood. Moreover, the novel engineered surfaces have the potential to enhance heat transfer even more than before, which indicates that the generation of functionalized surfaces is required. The lack of exact solutions and equations for phase change phenomena implies the necessity of conducting experimental studies. This dissertation experimentally explores boiling heat transfer under both atmospheric and sub-atmospheric pressures, employing internal structuring and external coating. Porous copper surfaces provide a larger heat transfer area and more nucleation sites at the liquid-surface interface and improve heat transfer compared to bare copper surfaces. In addition, the capability of copper foams in surface replenishment and capillary wicking prevents surface dry-out at elevated heat fluxes. Graphene has recently attracted increasing attention in thermal management applications due to its exceptional thermal and mechanical properties. This study focuses on the effects of foam thickness (i.e., 0.5 mm, 1 mm, 1.5 mm, and 2 mm) and graphene-coating on pool boiling heat transfer on sintered porous surfaces by combining the porous structure with graphene coating. According to the obtained results, thinner samples (i.e., 0.5 mm and 1 mm) exhibited a better performance due to their lower vapor resistance and efficient liquid supply compared to thicker samples (i.e., 1.5 mm and 2 mm). The optimum surface configuration depends on the operating condition. Graphene-coating affects bubble dynamics and leads to further enhancement in boiling heat transfer by increasing the thermal conductivity and wicking rate. The maximum heat transfer enhancement was recorded for the thickness of 0.5 mm on graphene-coated sintered porous copper surfaces as 161% compared to the bare copper surface, while the maximum enhancement with graphene coating was 24% relative to the porous copper surface of the same thickness. Thus, the contribution of graphene coating on sintered porous copper surfaces to further boiling heat transfer enhancement was proven in this study. In addition, this dissertation explores a range of new generation surfaces with the objective of proposing effective methods for flow boiling enhancement. Sub-atmospheric flow boiling heat transfer is a promising method for electronics cooling due to lower saturation temperatures. However, pressure is a crucial parameter that affects surface tension and vapor density. The first study in this dissertation examined the effect of surface mixed wettability configuration on bubble dynamics and heat transfer under atmospheric and sub-atmospheric pressure conditions. Superhydrophilic, superhydrophobic, and mixed-wettability surfaces were prepared and tested at various heat fluxes and three system pressures of 48 kPa, 68 kPa, and 101 kPa. The channel dimensions were 50 mm × 15 mm, and the channel had a depth of 1 mm. The results showed that mixed-wettability surfaces enhanced the performance up to 28% compared to superhydrophilic surfaces at high heat fluxes for sub-atmospheric boiling. Flow visualization efforts reveal that mixed-wettability surfaces improve heat transfer by extending the efficient slug regime to higher heat fluxes by preventing dried spot formation. These surfaces benefit from high density nucleation sites at low and medium heat fluxes, resulting in a noticeable performance improvement compared to the superhydrophilic surface. The obtained experimental data in this study will be helpful for the development of thermal-fluid systems operating under sub-atmospheric conditions. Inspired by the heat transfer enhancement achieved through graphene coating in pool boiling, another study was conducted to investigate its effect on flow boiling at sub-atmospheric pressures. In this context, the effectiveness of a 0.5 mm porous thickness sample with and without graphene coating was evaluated in sub-atmospheric flow boiling. The results revealed that graphene, similar to its impact in pool boiling, significantly enhanced nucleation points compared to untreated surfaces at low heat fluxes. Moreover, it facilitated effective annular flow at high heat fluxes, while the uncoated sample experienced boiling instability. These findings highlight the potential of graphene-coated surfaces in improving heat transfer performance during sub-atmospheric flow boiling processes. As explained previously, the surface wettability is a crucial parameter, which has a considerable effect on the heat transfer performance, particularly in flow boiling. The last accomplished work introduces three novel biphilic surfaces and compares them with a wholly hydrophobic surface reference sample, in flow boiling in a high aspect ratio microchannel. The mixed wettability substrates have five regions as fully Al2O3, (hydrophobic zone) region, three different patterned configurations with various A* values, and fully SiO2 (hydrophilic zone) region, where A* is defined as AAl2O3/Atotal (hydrophobicity ratio). Boiling heat transfer results were obtained for each surface at various wall heat fluxes and three different mass fluxes. According to the obtained results, significant enhancements in heat transfer (by up to 56.7%) could be obtained with biphilic surfaces compared to the reference sample (hydrophobic surface). Performed flow visualization proves that the tested biphilic surfaces enhance heat transfer by reducing the bubbly flow regime and extending the slug regime. This thesis, by utilizing functional new generation surfaces in boiling experiments, examines the underlying heat transfer mechanisms. The results obtained from this study offer valuable insights applicable to practical thermal management systems.
Benzer Tezler
- Evaluating the LCA of two buildings with close embodied energy which have different functions
Farklı işlevlere sahip olan iki binanın üç tür duvar kullanarak yaşam döngüsünün değerlendirilmesi
POOYA PAKMEHR
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA ERKAN KARAGÜLER
- A holistic decision support tool for facade design
Cephe tasarımı için bütüncül bir karar destek aracı
SİNEM KÜLTÜR
Doktora
İngilizce
2019
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞE NİL TÜRKERİ
PROF. DR. Ulrich KNAACK
- Investigation of CO2 adsorption performance of spinel oxide & metal-organic structures
Spınel oksıt & metal-organık yapıların CO2 adsorpsıyon performansının araştırılması
DİLARA KÜÇÜKAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALPER SARIOĞLAN
- Tekirdağ İnönü Ortaokulu: Mevcut durum, koruma sorunları ve önerileri
Tekirdağ İnönü Middle School: Current state, conservation issues and proposals
YUNUS EMRE GÜNDOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ UMUT ALMAÇ
- Experimental investigation of flexibility effects in flapping wing aerodynamics
Çırpan kanat aerodinamiğinde esneklik etkilerinin deneysel olarak incelenmesi
ONUR SON
Doktora
İngilizce
2018
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURİYE LEMAN OKŞAN ÇETİNER YILDIRIM