Stabilizing Flow Boiling Operation of a Microchannel Heat Sink using a Hybrid Geometric Configuration

散热片 微通道 热流密度 沸腾 核沸腾 临界热流密度 材料科学 热力学 传热 微型热交换器 热撒布器 机械 传热系数 物理
作者
John M. Mathew,Poh Seng Lee,Tianqing Wu,Christopher Yap
出处
期刊: 卷期号:64: 282-289 被引量:2
标识
DOI:10.1109/eptc.2018.8654344
摘要

Two-phase cooling using microchannel heat sinks is a promising solution for the thermal management of microelectronic devices. While conventional straight microchannel heat sinks can dissipate large quantities of heat, they suffer from flow instabilities that result in premature critical heat flux conditions. It therefore becomes necessary to develop heat sinks that offer a stabilized boiling process over a wider range of operating heat flux. In this work, a novel hybrid heat sink developed to attain this objective is first presented. The heat sink involves a hybrid geometric configuration that integrates a 300μm × 600μm microchannel array in the upstream region with a 25mm × 600μm microgap in the downstream region of a 25mm × 25mm copper heat sink. Flow boiling experiments are conducted with deionized water at 3 mass fluxes in the range of 100-399 kg/m2s and at heat fluxes ranging from 0-128 W/cm2. The boiling operation is found to be stable across a wide range of moderate to high heat flux. Instabilities are experienced only at low heat flux close to the onset of nucleate boiling. The effect of the downstream microgap surface roughness on the hybrid heat sink flow boiling performance is then investigated. Hybrid heat sinks with microgap surface roughness values of 1.2μm and 1.9μm are compared with the baseline hybrid heat sink having microgap surface roughness of 0.27μm. The two-phase heat transfer performance shows a highest improvement of 14.5% with the hybrid heat sinks having roughened microgaps while the pressure drop penalty remained relatively unaffected.
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