Optimization of convective heat transfer in micro-scale electronics cooling applications

Optimisation du transfert thermique convectif pour des applications de refroidissement de systèmes électroniques à micro échelle

¹ Dep. of Mechanical Engineering, K.U.Leuven, Celestijnenlaan 300 A, 3001 Heverlee, Belgium
email : martine.baelmans@mech.kuleuven.be / ruben.gielen@mech.kuleuven.be / frederik.rogiers@mech.kuleuven.be / tom.saenen@mech.kuleuven.be / tijs.vanoevelen@mech.kuleuven.be
² Purdue University, School of Mechanical Engineering, 585 Purdue Mall, West Lafayette, IN, USA
email : timpersoons@purdue.edu

^* Corresponding author

Abstract

Selected state of the art micro scale convective heat transfer techniques are presented for use in heat sinks and heat exchangers. Hereby focus is put on optimal design aspects for micro channel components and their effect on the over-all system performance in micro-electronics cooling applications. For direct liquid cooled heat sink applications, steady and unsteady single-phase flow operation are discussed and compared with possible operating conditions for two-phase flow. Regarding compact heat exchanger applications, the effects of downscaling are discussed in terms of the penalties on hydraulic and thermal performance. Comparing the optimal design of heat sinks (minimal thermal resistance and thermal gradients as well as maximal energy recovery) and heat exchangers (maximal power density), different criteria for flow conditions and material properties emerge.

Résumé

Nous présentons une sélection de techniques de transfert thermique convectif à micro échelle destinées à être utilisées dans les dissipateurs et échangeurs thermiques. L’accent est mis ici sur l’optimisation des paramètres de micro canaux et leur effet sur les performances globales pour les applications de refroidissement en microélectronique. Pour les dissipateurs thermiques à refroidissement direct par liquide, on discute et on compare les performances en écoulement monophasique stationnaire et instationnaire avec celles obtenues en écoulement diphasique.

En ce qui concerne les échangeurs thermiques compacts, on discute des conséquences négatives de la réduction d’échelle sur les performances hydraulique et thermique.

En comparant l’optimisation des dissipateurs thermiques (résistance thermique et gradients de température minimaux, ré-cupération d’énergie maximale) et des échangeurs thermiques (densité de puissance maximale), on met en évidence diffé-rents critères concernant les conditions d’écoulement et les propriétés des matériaux.