Experimental characterization of a force fed microchannel heat sink

The solution proposed to improve the cooling capacity of power electronic is the UMD’s Patented Force Fed Microchannel Heat Sink. It represents an enhanced design for microchannel heat sink because it is embedded directly to the substrate in contact with the chip. The result in turn is a reduced total thermal resistance. The Force Fed Cooling Micro Heat Sink exploits the cooling capacity of a two-phase dielectric refrigerant for heat absorption. The heat sink is tested in two different configuration. The first is a passive loop. The cooling process is possible due to the thermosyphon principle: the refrigerant flow is driven by the gravity and the refrigerant density difference between the two pipes that link the heat sink to the condenser. The second, instead, is a pump driven loop. The two designs allows to cool respectively up to 230-240 and 500 W/cm^2 with a thermal resistance of 0.25 and 0.125 (K cm^2)/W, maintaining the temperature of the chip under 100 °C. The heat transfer characteristics resulting are described by a visualization study performed with a high-speed camera.

La soluzione proposta per migliorare la capacità di raffreddamento nei dispositivi per l’elettronica di potenza è un dissipatore di calore brevettato dall’Università del Maryland. Si tratta di uno dissipatore a microcanali realizzato direttamente sul substrato in contatto con il dispositivo che sfrutta l’assorbimento di calore dato dal cambio di fase di un refrigerante dielettrico. È così possibile incrementare le performance diminuendo la resistenza termica globale. Il dissipatore di calore è stato testato in due configurazione diverse. Nel primo caso è stato usato come evaporatore all’interno di un circuito senza pompa. Il flusso è possibile grazie alla circolazione naturale data dalla diversa densità del refrigerante nei due tubi. Nel secondo caso, invece, il test è condotto inserendo una pompa che fornisce il flusso necessario. È stato possibile raffreddare un flusso termico massimo rispettivamente di 230-240 e 500 W/cm^2 con una resistenza termica di 0.25 e 0.125 (K cm^2)/W, mantenendo le temperatura operativa del chip sotto i 100°C.. Lo studio è stato completato con la visualizzazione dei diversi modelli di ebollizione all’interno dei canali tramite una fotocamera ad alta risoluzione.