Design and validation of a heat sink for consumer electronics using topology optimization

This work regards the application of the Topology Optimization algorithm to design, manufacture and validate a heat sink able to spread the heat coming from the processing units of a middle range tablet. Beyond the classical objectives in terms of matching between the simulated and the empirical values typical for this kind of research fields, this work also tries to verify if this method is suitable for a large scale commercial application, since, according to the major literature, nowadays it is only used in some more confined fields. To do so, an initial measurement phase with thermocouples and IR imaging has been performed over the tablet and those results have been used to 3D model the device by means of the Multiphysics software COMSOL. This phase of the work is entirely included in chapter 2 The same software has then been used, in the third part, to obtain two different 2D heat sink profiles resulting from two different formulations of the algorithm. A third heat sink, considered as reference case, has been modeled as well. In chapter 4, all these three parts have been first validated with a complete convection simulation, using the previous 3D model as a support, and then also manufactured and tested again with the IR camera. The results can be considered highly interesting, since a clear improvement in the heat rejection process is demonstrated with respect to the base case.

Questo lavoro di tesi concerne le diverse fasi di progettazione, realizzazione e validazione di un dissipatore di calore per un tablet commmerciale di media gamma attraverso l’utilizzo dell’algoritmo denominato Topology Optimization. Oltre all’obiettivo di migliorare le performances del dispositivo per quanto riguarda lo smaltimento di calore, si pone l’attenzione sull’applicazione di tale metodologia in un campo comune e commercialmente interessante come quello dell’elettronica di consumo: ciò rappresenta una innovazione, dal momento che le maggiori applicazioni per la Topology Optimization riguardano campi più di nicchia, come l’industria aerospaziale. Dopo la prima fase introducttiva, nel secondo capitolo viene studiato il profilo termico del tablet sotto utilizzo intensivo tramite l’utilizzo di termocoppie e termocamera. E’ stato inoltre realizzato, seguento le indicazione ottenute con le misurazioni, un modello 3D equivalente mediante il software COMSOL. Il terzo capitolo prevede invece, sempre attraverso COMSOL, il design di due dissipatori di calore attraverso l’utilizzo del sopracitato algoritmo, risultanti da due diverse formulazioni dello stesso. Un terzo dissipatore è stato aggiunto al fine di avere un caso base per i paragoni conclusivi. Il quarto capitolo comprende la verifica delle performances di tali dissipatori prima attraverso una completa validazione convettiva con COMSOL e poi, dopo la fase di fabbricazione, attraverso una verifica empirica con termocamera. I risultati possono dunque considerarsi interessanti, in quanto viene dimostrato che la Topology Optimization, al costo di un processo comunque più lungo e importante in termini di risorse, permette di migliorare le prestazioni nel campo dello smaltimento di calore.