Estudi experimental i numèric d’un sistema de refredament híbrid de jet impactant i microcanals a escala micromètrica

Abstract

En aquesta tesi s’avalua un sistema híbrid de jet impactant/ microcanals, a escala micromètrica. S’inclou el procediment de dimensionament i la construcció del dissipador mitjançant el procés de microfabricació. Amb proves experimentals que permeten el càlcul de paràmetres com el coeficient de resistència tèrmica i la desviació estàndard de la temperatura, s’avalua el comportament del sistema en comparació amb d’altres de similars a escala mil•limètrica. Paral•lelament es desenvolupa i valida un model numèric per simular el comportament del dispositiu. El model permet analitzar l’efecte de la velocitat del fluid refrigerant així com l’impacte del material d’interfície tèrmica (TIM). També s’estudia l’efecte de la geometria del jet utilitzant el quocient entre l’amplitud de l’entrada del fluid i la distància entre aquesta i el punt d’impacte (z/b). La resistència tèrmica, la uniformitat de temperatura i les pèrdues de pressió s’analitzen en funció d’aquest paràmetre z/b. Finalment, per estudiar l’adaptació del dissipador a fluxos de calor bidimensionals s’avalua un disseny de matriu d’agulles, comparant-lo amb el dissipador de microcanals.

En esta tesis se evalúa un sistema híbrido de jet impactante/microcanales, a escala micrométrica. Se incluye el procedimiento de dimensionamiento y la construcción del disipador mediante el proceso de microfabricación. Con pruebas experimentales que permiten el cálculo de parámetros como el coeficiente de resistencia térmica y la desviación estándar de la temperatura se evalúa el comportamiento del sistema en comparación con otros de similares a escala milimétrica. Paralelamente se desarrolla y valida un modelo numérico para simular el comportamiento del dispositivo. El modelo permite analizar el efecto de la velocidad del fluido refrigerante así como el impacto del material de interfaz térmica (TIM). También se estudia el efecto de la geometría del jet utilizando el cociente entre la amplitud de la entrada del fluido y la distancia entre ésta y el punto de impacto (z/b). La resistencia térmica, la uniformidad de temperatura y las pérdidas de presión se analizan en función de este parámetro z/b. Finalmente, para estudiar la adaptación del disipador a flujos de calor bidimensionales se evalúa un diseño de matriz de agujas, comparándolo con el disipador de microcanales.

This thesis evaluates a hybrid microchannels/jet impingement system, in a micrometer scale. The work includes the dimensioning process and the heat sink development using a microfabrication process. With the experimental tests that allow to calculate parameters like the thermal resistance coefficient and the temperature standard deviation, the system behaviour is evaluated in comparison to similar ones in a millimeter scale. In parallel a numeric model is developed and validated in order to simulate the behaviour of the device. The model makes possible to analyse the effect of the cooling fluid velocity as well as the impact of the thermal interface material (TIM). In addition the effect of the jet geometry is studied using the nozzle to plate spacing (z/b) . The thermal resistance, temperature uniformity and pressure drop are analysed in function of this z/b parameter. Finally, a pin fins design is evaluated comparing it with the microchannels heat sink, in order to study the adjustment of the heat sink to bidimensional heat fluxes.