Experimental study on the flow boiling critical heat flux of narrow channels heat sinks for power electronics

The present need for innovative and sustainable solutions in the current energy transition caused the continuous miniaturization of electronic components and the need for more energy-efficient solutions for the thermal management of power electronics. Flow boiling of refrigerants in microscale channels has gained increasing attention as a long-term solution over the conventional single-phase cooling systems to effectively meet the high heat flux demand in new power electronics. The experimental study investigated narrow and high aspect ratio multi-microchannels that were micromachined in copper with thin separating walls during saturated flow boiling of refrigerants. Three different test samples with different sidewalls – straight, sinusoidal wavy, and diverging – were manufactured with 25 channels, each with 200 µm wide, 1200 µm high, and 200 µm separating walls, and in the case of the diverging test sample, the separating walls were 200 µm wide at the inlet and 60 µm wide at the outlet of the channels. The total footprint area of the samples was 1 cm2 and the equivalent diameter ranged between 338 to 343 µm. The investigation adopted a low-GWP fluid (R1234yf) and the conventional R134a. The measurements resulted in a large data bank with 216 data points covering a wide range of mass flux between 320 kg/m2s to 1200 kg/m2s, at different inlet subcooling, and the saturation temperature was 30 °C and 40 °C. An infrared camera was employed with a resolution of 221 x 221 pixels and high-speed visualization was used to support the investigation with flow pattern analysis and verify the absence of relevant flow instabilities. The present need for innovative and sustainable solutions in the current energy transition caused the continuous miniaturization of electronic components and the need for more energy-efficient solutions for the thermal management of power electronics. Flow boiling of refrigerants in microscale channels has gained increasing attention as a long-term solution over the conventional single-phase cooling systems to effectively meet the high heat flux demand in new power electronics. The experimental study investigated narrow and high aspect ratio multi-microchannels that were micromachined in copper with thin separating walls during saturated flow boiling of refrigerants. Three different test samples with different sidewalls – straight, sinusoidal wavy, and diverging – were manufactured with 25 channels, each with 200 µm wide, 1200 µm high, and 200 µm separating walls, and in the case of the diverging test sample, the separating walls were 200 µm wide at the inlet and 60 µm wide at the outlet of the channels. The total footprint area of the samples was 1 cm2 and the equivalent diameter ranged between 338 to 343 µm. The investigation adopted a low-GWP fluid (R1234yf) and the conventional R134a. The measurements resulted in a large data bank with 216 data points covering a wide range of mass flux between 320 kg/m2s to 1200 kg/m2s, at different inlet subcooling, and the saturation temperature was 30 °C and 40 °C. An infrared camera was employed with a resolution of 221 x 221 pixels and high-speed visualization was used to support the investigation with flow pattern analysis and verify the absence of relevant flow instabilities. The investigation presents a comparative analysis of the flow boiling in microchannels with geometries that can increase the critical heat flux with low pressure drop and support the future development of thermal management systems. The highest footprint critical heat flux was 852.1 W/cm2 which was notoriously higher compared to previous investigations in the literature. In general, the critical heat flux with the wavy sidewall was consistently higher than the other test samples, while the diverging channels presented the lowest pressure drop. The effect of mass flux and saturation temperature is demonstrated according to the literature. However, inconsistencies are found in the effect of subcooling which is evident in the straight and the diverging channels, while it was negligible in the sinusoidal wavy which was attributed to the high mixing and secondary flows in corrugated walls. The sinusoidal wavy wall enhanced the critical heat flux up to 60% because of the continuous development of the liquid layer which delays dryout, while the diverging channel design reduced the pressure drop up to 80% due to the gradient pressure at its inlet. Lastly, the statistical comparison showed a mean average percent error below 10% for some of the correlations, however, they did not capture completely the observed critical heat flux.

La necessità di soluzioni innovative e sostenibili nell'attuale transizione energetica impone la continua miniaturizzazione dei componenti elettronici e la necessità di soluzioni più efficienti dal punto di vista energetico per la gestione termica dell'elettronica di potenza. I flussi bifase di refrigeranti in microcanali hanno guadagnato una crescente attenzione come soluzione a lungo termine rispetto ai tradizionali sistemi di raffreddamento monofase per soddisfare efficacemente la necessità di raffreddamento della nuova elettronica di potenza. Questo studio sperimentale ha considerato microcanali soggetti a flussi bifase di refrigeranti. Sono stati prodotti tre diversi sezioni di prova con pareti laterali diversamente conformati – piana, ondulata sinusoidalmente e divergente con un totale di 25 canali, ciascuno con larghezza di 200 µm e profondità di 1200 µm, e nel caso del campione di prova con pareti divergenti, le pareti divisorie erano 200 µm di larghezza all'ingresso e 60 µm all'uscita dei canali. L'area di base totale dei canali è di 1 cm2 e il diametro equivalente varia tra 338 e 343 µm. Lo studio ha riguardato un fluido a basso GWP (R1234yf) accando al convenzionale R134a. Le misurazioni hanno prodotto una vasta banca dati di 216 punti dati che coprono un'ampia gamma di flussi di massa tra 320 kg/m2s e 1200 kg/m2s, a diversi gradi di sottoraffreddamento in ingresso, e due livelli di temperatura di saturazione: 30 °C e 40 °C. È stata usata anche una termocamera con una risoluzione di 221 pixel × 221 pixel come ausilio alla visualizzazione del flusso bifase per verificare l'assenza di instabilità. Lo studio presenta un'analisi comparativa sui flussi bifase in microcanali con geometrie in grado di aumentare il flusso termico critico pur in presenza di limitate cadute di pressione e così supportare lo sviluppo futuro dei sistemi di smaltimento della potenza termica. Il flusso termico critico più alto è stato di 852,1 W/cm2, valore notevolmente superiore rispetto alle precedenti indagini in letteratura. In generale, il flusso termico critico con la parete laterale ondulata è risultato costantemente maggiore rispetto agli altri campioni di prova, mentre i canali divergenti hanno presentato la caduta di pressione più bassa. L'effetto del flusso di massa e della temperatura di saturazione è stato trovato conforme alla letteratura. Tuttavia, si riscontrano incongruenze nell'effetto del sottoraffreddamento, che è evidente nei canali piani e divergenti mentre è risultato trascurabile negli ondulati sinusoidali. Questo particolare comportamento potrebbe attribuirsi all'elevata miscelazione e ai flussi secondari nelle pareti ondulate. I microcanali con parete ondulata sinusoidalmente hanno mostrato un incremento del valore del flusso termico critico fino al 60% a causa del continuo sviluppo dello strato liquido che ritarda il dryout, mentre l'effetto dell'allargamento della sezione di passaggio nei canali divergenti ha contribuito a ridurre la caduta di pressione fino all'80%. Infine, il confronto statistico ha mostrato un errore percentuale medio inferiore al 20% per alcune delle correlazioni presenti nella letteratura corrente, le quali, tuttavia, non sono in grado di predire correttamente il valore del flusso termico critico.