Cooling of High Heat Flux Electronic Devices by Two Phase Thermosyphon System
Date
2007
Authors
Aysar Mahmoud Masoud Yasin
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Two phase closed thermosyphon system for cooling high heat flux electronic devices is built in the laboratory and tested under different operating conditions. This Study presents an experimental investigation on the heat transfer coefficient, temperature difference between the evaporator and the refrigerant inside evaporator channels, overall heat transfer coefficient, and overall thermal resistance in two-phase thermosyphon system. Investigations are carried out at different conditions: different system pressures, two different types of refrigerants R134a and R22, two different evaporator designs, natural and forced convection heat transfer mode in the condenser. The heat flux and the amount of refrigerant are the manipulated parameters in the system. It is found that the heat transfer coefficient increases almost linearly with the applied heat to the evaporator, and reduced pressure. It is also highly dependent on the type of refrigerant, because the performance of the refrigerant R134a likely to be better than that of R22. The heat transfer coefficient is also higher at natural convection condensation than forced convection condensation at the same heat load, while the overall heat transfer coefficient in the system for forced convection is higher than for natural convection condensation. The heat transfer coefficient is highly dependent on the design of evaporator, especially on the diameters channels. The natural convection heat transfer coefficient is found to be 27 kW/m².°C and 3.7 kW/m².°C using R134a and R22, respectively at heat load of 115W. The forced convection heat transfer coefficient is found to be 2.4 kW/m².°C and 1.6 kW/m².°C, using R134a and R22, respectively at heat load of 450W. The forced convection overall heat transfer coefficient using R134a is found to be 9.4 kW/m².°C at 415W while it is 1.08 kW/m².°C at natural convection at 155W. The temperature difference [Tevaporator–Tsaturation] depends on both the applied heat flux to the evaporator, systems pressure and type of the refrigerant. The natural convection temperature difference does not exceed 1°C and exceeded 8°C for R134a and R22, respectively at heat load of 100W. The obtained evaporator temperature for R134a is 94°C at 155W and 44°C at 414W using natural and forced convection, respectively. While, the obtained evaporator temperature for R22 is about 80°C at 115W and 40°C at 450W for natural and forced convection, respectively. The overall thermal resistance decreases almost linearly with increasing the heat load regardless of the used refrigerant. Moreover, for forced convection, the thermal resistance is much lower than the other heat transfer processes. The overall natural convection thermal resistance is 0.47°C/W at 155.6W and 0.53°C/W at 115W while overall forced convection thermal resistance is 0.056°C/W at 414W and 0.044°C/W at 417W for R134a and R22 refrigerants, respectively.
تم بناء نظام تبريد في المختبر للأجهزة الالكترونية ذات التدفق الحراري العالي باستخدام السيفون الحراري ثنائي الطور، حيث تم فحصه تحت ظروف وأوضاع تشغيلية مختلفة . الدراسة عبارة عن تجارب عملية في المشغل تم من خلالها دراسة معامل الانتقال الحراري، الفرق في درجة الحرارة بين المبخر ووسيط التبريد داخل قنوات المبخر، معامل الانتقال الحراري الكلي، و المقاومة الحرارية الكلية في نظام التبريد. تمت التجارب في ظروف وأوضاع مختلفة؛ حيث تصميمين مختلفين،R و 22 R134a تم استخدام ضغوط مختلفة، نوعين مختلفين من وسائط التبريد للمبخر، استخدام وسيلة الحَمْل الحراري الحر و الجبري لتحريك الهواء الملامس للمكثف. كمية التدفق الحراري ووسيط التبريد من العوامل التي يتم تغيرها ومعايرتها في النظام . أُستنتج أن معامل الانتقال الحراري يزداد بعلاقة خطية تقريبية مع الزيادة في الحِمْل الحراري المطبق على المبخر و كذلك مع الزيادة في الضغط، ووجد أيضا انه يعتمد بشكل كبير على معامل الانتقال الحراري اكبر .R أبدى فعالية أعلى من 22 R134a نوع وسيلة التبريد حيث أن في حالة استخدام طريقة الحَمْل الحراري الحر للتكثيف عنه في حالة استخدام الحَمْل الحراري الجبري لنفس الحِمْل الحراري، بينما وجد أن معامل الانتقال الحراري الكلي في النظام في حالة استخدام وسيلة الحَمْل الحراري الجبري للتكثيف اكبر منه في حالة استخدام الحَمْل الحراري الحر. معامل الانتقال الحراري يعتمد بشكل كبير على تصميم المبخر و بشكل خاص على أقطار القنوات. وجد أن معامل الانتقال الحراري في حالة استخدام وسيلة الحَمْل الحراري الحر يساوي 115 على W على حِمْل حراري R و 22 R134a 3.7 باستخدام kW/m².°C ,27kW/m².°C الترتيب. بينما وجد أن معامل الانتقال الحراري في حالة استخدام وسيلة الحَمْل الحراري الجبري بالترتيب على حِمْل حراري , R و 22 R134a 1.6 باستخدام kW/m².°C ,2.4kW/m².°C يساوي 450 . وجد كذلك أن معامل الانتقال الحراري الكلي في حالة استخدام وسيلة الحَمْل الحراري W 1.08 على kW/m².°C 415 بينما كان W 9.4 على حِمْل حراري kW/m².°C الجبري يساوي 115 في حالة استخدام وسيلة الحَمْل الحراري الحر. W حِمْل حراري وجد أن الفرق في درجة حرارة المبخر ودرجة حرارة الإشباع لوسيلة التبريد يعتمد على الحِمْل الحراري، الضغط داخل النظام، وكذلك نوع وسيلة التبريد، حيث وجد الفرق في درجة 8° باستخدام C 1° و يتجاوز C الحرارة في حالة استخدام وسيلة الحَمْل الحراري الحر لا يتجاوز .100W على الترتيب على حِمْل حراري ,R و 22 R134a 155 و W 94° على حِمْل حراري C كانت R134a درجة حرارة المبخر عند استخدام 414 في حالة استخدام وسيلة الحَمْل الحراري الحر و الجبري، على W 44° على حِمْل حراري C 115W 80° على حِمْل حراري C كانت درجة حرارة المبخر R الترتيب. بينما عند استخدام 22 450 في حالة استخدام وسيلة الحَمْل الحراري الحر و الجبري، على W 40° على حِمْل حراري C و الترتيب. المقاومة الحرارية الكلية للنظام تنقص بعلاقة خطية إلى حد ما مع الزيادة في الحِمْل الحراري بغض النظر عن نوع وسيلة التبريد المستخدمة. علاوة على ذلك، وجد أن المقاومة الحرارية الكلية اقل بكثير في حالة استخدام وسيلة الحَمْل الحراري الجبري عنه في حالة استخدام وسيلة الحَمْل الحراري الحر للتكثيف. تم حساب قيمة المقاومة الحرارية الكلية في حالة استخدام وسيلة الحَمْل الحراري الحر للتكثيف 0.53° على حِمْل حراري C/W 155.6 و W 0.47° على حِمْل حراري C/W فوجدت تساوي بالترتيب. بينما في حالة استخدام وسيلة الحَمْل الحراري , R و 22 R134a 115 باستخدام W 0.056° على حِمْل حراري C/W الجبري للتكثيف، وجد أن المقاومة الحرارية الكلية تساوي بالترتيب. , R و 22 R134a 417 باستخدام W 0.044° على حِمْل حراري C/W 414 و W
تم بناء نظام تبريد في المختبر للأجهزة الالكترونية ذات التدفق الحراري العالي باستخدام السيفون الحراري ثنائي الطور، حيث تم فحصه تحت ظروف وأوضاع تشغيلية مختلفة . الدراسة عبارة عن تجارب عملية في المشغل تم من خلالها دراسة معامل الانتقال الحراري، الفرق في درجة الحرارة بين المبخر ووسيط التبريد داخل قنوات المبخر، معامل الانتقال الحراري الكلي، و المقاومة الحرارية الكلية في نظام التبريد. تمت التجارب في ظروف وأوضاع مختلفة؛ حيث تصميمين مختلفين،R و 22 R134a تم استخدام ضغوط مختلفة، نوعين مختلفين من وسائط التبريد للمبخر، استخدام وسيلة الحَمْل الحراري الحر و الجبري لتحريك الهواء الملامس للمكثف. كمية التدفق الحراري ووسيط التبريد من العوامل التي يتم تغيرها ومعايرتها في النظام . أُستنتج أن معامل الانتقال الحراري يزداد بعلاقة خطية تقريبية مع الزيادة في الحِمْل الحراري المطبق على المبخر و كذلك مع الزيادة في الضغط، ووجد أيضا انه يعتمد بشكل كبير على معامل الانتقال الحراري اكبر .R أبدى فعالية أعلى من 22 R134a نوع وسيلة التبريد حيث أن في حالة استخدام طريقة الحَمْل الحراري الحر للتكثيف عنه في حالة استخدام الحَمْل الحراري الجبري لنفس الحِمْل الحراري، بينما وجد أن معامل الانتقال الحراري الكلي في النظام في حالة استخدام وسيلة الحَمْل الحراري الجبري للتكثيف اكبر منه في حالة استخدام الحَمْل الحراري الحر. معامل الانتقال الحراري يعتمد بشكل كبير على تصميم المبخر و بشكل خاص على أقطار القنوات. وجد أن معامل الانتقال الحراري في حالة استخدام وسيلة الحَمْل الحراري الحر يساوي 115 على W على حِمْل حراري R و 22 R134a 3.7 باستخدام kW/m².°C ,27kW/m².°C الترتيب. بينما وجد أن معامل الانتقال الحراري في حالة استخدام وسيلة الحَمْل الحراري الجبري بالترتيب على حِمْل حراري , R و 22 R134a 1.6 باستخدام kW/m².°C ,2.4kW/m².°C يساوي 450 . وجد كذلك أن معامل الانتقال الحراري الكلي في حالة استخدام وسيلة الحَمْل الحراري W 1.08 على kW/m².°C 415 بينما كان W 9.4 على حِمْل حراري kW/m².°C الجبري يساوي 115 في حالة استخدام وسيلة الحَمْل الحراري الحر. W حِمْل حراري وجد أن الفرق في درجة حرارة المبخر ودرجة حرارة الإشباع لوسيلة التبريد يعتمد على الحِمْل الحراري، الضغط داخل النظام، وكذلك نوع وسيلة التبريد، حيث وجد الفرق في درجة 8° باستخدام C 1° و يتجاوز C الحرارة في حالة استخدام وسيلة الحَمْل الحراري الحر لا يتجاوز .100W على الترتيب على حِمْل حراري ,R و 22 R134a 155 و W 94° على حِمْل حراري C كانت R134a درجة حرارة المبخر عند استخدام 414 في حالة استخدام وسيلة الحَمْل الحراري الحر و الجبري، على W 44° على حِمْل حراري C 115W 80° على حِمْل حراري C كانت درجة حرارة المبخر R الترتيب. بينما عند استخدام 22 450 في حالة استخدام وسيلة الحَمْل الحراري الحر و الجبري، على W 40° على حِمْل حراري C و الترتيب. المقاومة الحرارية الكلية للنظام تنقص بعلاقة خطية إلى حد ما مع الزيادة في الحِمْل الحراري بغض النظر عن نوع وسيلة التبريد المستخدمة. علاوة على ذلك، وجد أن المقاومة الحرارية الكلية اقل بكثير في حالة استخدام وسيلة الحَمْل الحراري الجبري عنه في حالة استخدام وسيلة الحَمْل الحراري الحر للتكثيف. تم حساب قيمة المقاومة الحرارية الكلية في حالة استخدام وسيلة الحَمْل الحراري الحر للتكثيف 0.53° على حِمْل حراري C/W 155.6 و W 0.47° على حِمْل حراري C/W فوجدت تساوي بالترتيب. بينما في حالة استخدام وسيلة الحَمْل الحراري , R و 22 R134a 115 باستخدام W 0.056° على حِمْل حراري C/W الجبري للتكثيف، وجد أن المقاومة الحرارية الكلية تساوي بالترتيب. , R و 22 R134a 417 باستخدام W 0.044° على حِمْل حراري C/W 414 و W