Performance assessment of self-adaptive cooling devices under unsteady and non-uniform heat loads

Abstract

Degut a la fi de l’escalament de Dennard, la potència i la densitat de potència requerides pel funcionament dels xips comencen a augmentar. Si aquesta tendència continués en augment, el consum d’energia seria prohibitiu tant per criteris d’eficiència com per a la gestió tèrmica. Per tal de complir els criteris d’eficiència i gestió tèrmica, la millora dels xips es va limitar restringint el nombre de nuclis i la seva freqüència de funcionament. Aquesta tendència implica la necessitat d’una solució de refrigeració capaç d’extreure un flux de calor heterogeni d’alta densitat de potència i variant en el temps, a més de reduir el gradient de temperatura que redueix la fiabilitat de l’electrònica. Aquesta tesi es desenvolupa en el marc del projecte Europeu Horitzó 2020 STREAMS (Smart Technologies for eneRgy Efficient Active cooling in advanced Microelectronics Systems), que té com a objectiu desenvolupar un dispositiu capaç de satisfer les necessitats de refrigeració de la microelectrònica. L’objectiu principal d’aquesta tesi és desenvolupar un sistema de refrigeració de cel·les microfluídiques i avaluar el seu impacte en la microelectrònica i en els receptors fotovoltaics de concentració. El dispositiu de refrigeració desenvolupat està format per una matriu de cel·les microfluídiques, cadascuna de les quals és responsable de l’extracció del flux de calor local. El refrigerant es subministra a les cel·les de forma paral·lela mitjançant canals de subministrament i de recollida connectats als col·lectors. Per tant, cada cel·la té l’entrada de refrigerant fred independentment de la seva localització. La calor és extreta per cada cel·la, la qual pot contenir microcanals que milloren la transferència de calor i vàlvules autoadaptatives capaces d’ajustar el cabal a les seves necessitats de refrigeració. En l’etapa de disseny, la cel·la microfluidica MC6T és dissenyada i avaluada numèricament en un escenari de càrrega de calor no uniforme i variable en el temps, reduint el cabal en un 42.5 % i la caiguda de pressió en un 81.0 % comparat amb un dispositiu de microcanals sotmès a les mateixes condicions. La combinació de la reducció de cabal i la caiguda de pressió suposa una disminució de la potència mitjana de bombeig en un 89.1 % comparat amb un dispositiu de microcanals. Tanmateix també es millora la uniformitat de temperatura gràcies a l’ús de les vàlvules microfluídiques. Altrament, s’avalua numèricament l’impacte d’aquest nou dispositiu de refrigeració sobre els receptors fotovoltaics de concentració solar (CPV) de matriu densa. Segons la configuració elèctrica dels receptors i de la no uniformitat del perfil d’irradiació, l’increment de potència pot arribar a un 9.7 % comparat amb el mateix receptor CPV refrigerat amb microcanals. Un cop validat numèricament el concepte i després de la identificació i resolució dels reptes inherents al procediment de microfabricació dels dispositius autoadaptatius de refrigeració, es fabriquen els dispositius dissenyats per tal d’avaluar experimentalment el rendiment del sistema de cel·les microfluídiques, amb vàlvules autoadaptatives i sense. A més a més, s’aplica un algoritme de control que adapta el cabal total del dispositiu a les necessitats d’extracció d’aquest. Si es compara el nou disseny amb un dispositiu de microcanals convencionals amb cabal constant, la matriu de cel·les microfluidiques sense vàlvules redueix la potència de bombeig en un 83.7 % i presenta una millora del 10.8 % en uniformitat de temperatura. Tot i això, la matriu de cel·les amb vàlvules autoadaptatives redueix la potència de bombeig en un 74.7 %, al mateix temps que també millora la uniformitat de temperatura en un 31.7 %. Altrament, quan s’aplica l’algoritme de control de cabal al dispositiu de microcanals, la potència de bombeig requerida pels dispositius de cel·les microfluídiques amb vàlvules autoadaptatives i sense és, respectivament, del 15.5 % i del 45.6 % en comparació amb microcanals. En aquestes condicions, la uniformitat de temperatura de les cel·les microfluídiques sense vàlvula és semblant a la dels microcanals amb cabal controlat, però el dispositiu de cel·les amb vàlvules millora la uniformitat de temperatura en un 23.9 %.

Con el fin del escalamiento de Dennard, la potencia y la densidad de potencia requeridas por chip empiezan a aumentar. Si esta tendencia continuara, el consumo de energía sería prohibitivo tanto por criterios de eficiencia como para la gestión térmica. Para cumplir los criterios de eficiencia y gestión térmica la mejora de los chips se limitó restringiendo el número de núcleos y su frecuencia de funcionamiento. Esta tendencia implica la necesidad de una solución de refrigeración capaz de extraer un flujo de calor heterogéneo de alta densidad de potencia y variando en el tiempo, además de reducir el gradiente de temperatura que reduce la fiabilidad de la electrónica. Esta tesis se desarrolla en el marco del proyecto europeo Horizonte 2020 STREAMS (Smart Technologies for eneRgy Efficient Active cooling in advanced Microelectronics Systems), que tiene como objetivo desarrollar un dispositivo de refrigeración capaz de satisfacer las necesidades de refrigeración en la microelectrónica. El objetivo principal de esta tesis es desarrollar un sistema de refrigeración de celdas microfluídicas y evaluar su impacto en microelectrónica y en receptores fotovoltaicos de concentración. El dispositivo de refrigeración está formado por una matriz de celdas microfluídicas, cada una de las cuales es responsable de la extracción del flujo de calor local. El refrigerante se suministra a las celdas paralelamente mediante canales de suministro y recogida conectados a los colectores. Por lo tanto, cada celda tiene la entrada de refrigerante frío independientemente de su localización. El calor es extraído por cada celda la cual puede contener microcanales para mejorar la transferencia de calor y válvulas autoadaptativas capaces de adaptar el caudal de cada celda a sus necesidades de refrigeración. En la etapa de diseño, la celda microfluídica MC6T es diseñada y evaluada numéricamente en un escenario de carga de calor no uniforme y variable en el tiempo, reduciendo el caudal un 42.5 % y la caída de presión un 81.0 % comparado con un dispositivo de microcanales sometido a las mismas condiciones. La combinación de la reducción de caudal y caída de presión supone una reducción de la media de potencia de bombeo de un 89.1 % en comparación con microcanales, mientras se mejora la uniformidad de temperatura gracias al uso de las válvulas microfluídicas. En otro caso, se evalúa numéricamente el impacto de este nuevo dispositivo de refrigeración sobre los receptores fotovoltaicos de concentración solar (CPV) en matriz densa. Según la configuración eléctrica de los receptores y de la no uniformidad del perfil de irradiación, el incremento de potencia puede llegar a un 9.7 %, comparado con el mismo receptor CPV refrigerado con microcanales. Una vez validado numéricamente el concepto y tras la identificación y resolución de retos inherentes al procedimiento de microfabricación de los dispositivos autoadaptativos de refrigeración, se fabrican los dispositivos diseñados para evaluar experimentalmente el rendimiento del sistema de celdas microfluídicas, con y sin válvulas autoadaptativas. Además, se aplica un algoritmo de control que adapta el caudal total del dispositivo a las necesidades de extracción del dispositivo. Comparando con microcanales convencionales con caudal constante, la matriz de celdas microfluídicas sin válvulas reduce la potencia de bombeo en un 83.7 % y presenta una mejora del 10.8 % en uniformidad de temperatura. Sin embargo, la matriz de celdas con válvulas autoadaptativas reducen la potencia de bombeo en un 74.7 %, al tiempo que también mejora la uniformidad de temperatura en un 31.7 %. De lo contrario, cuando se aplica el algoritmo de control de caudal también al dispositivo de microcanalas, la potencia de bombeo requerida por los dispositivos de celdas microfluídicas con y sin válvulas autoadaptativas es, respectivamente, el 15.5 % y el 45.6 % comparado con microcanales. En estas condiciones, la uniformidad de temperatura de las celdas microfluídicas sin válvula es similar a la de los microcanales con caudal controlado, pero el dispositivo de celdas con válvulas mejora la uniformidad de temperatura en un 23.9%.

With the end of Dennard scaling, the power and the power density required by chips start to increase. If this trend were to continue, the microelectronics power consumption needed to satisfy efficiency requirements and for thermal management would be prohibitive. To meet the efficiency and thermal management requirements, the chip improvement is limited by restricting the number of cores and their operation frequency. This trend implies the need for a cooling solution that is able to extract the non-uniform and time-dependent high power density heat flux and reduce the temperature non-uniformity, which reduces the electronic reliability. This thesis is developed in the framework of the Horizon 2020 Project STREAMS (Smart Technologies for eneRgy Efficient Active cooling in advanced Microelectronics Systems), which aims to develop a cooling device that is able to satisfy the microelectronics cooling needs. The main objective of this thesis is to design a microfluidic cell cooling system and assess its impact on the microelectronics and concentrating photovoltaic receivers. The cooling device is formed by an array of microfluidic cells, each one responsible for removing the local heat flux. Coolant flow is fed in parallel to the cells by interdigitated cold and warm flow channels connected to manifolds. Each cell therefore has a cold inlet flow, irrespective of its location. Heat is removed by the flow through each cell, which can contain microchannels to enhance the heat transfer and self-adaptive valves capable of tailoring the flow rate of each cell to its cooling needs. In the design stage, the MC6T microfluidic cell is designed and numerically assessed under a non-uniform and time-dependent heat load scenario, reducing the flow rate by 42.5 % and the pressure drop by 81.0 % with respect to the microchannel cooling device under the same boundary conditions. The combination of both low flow rates and pressure drops implies an average pumping power reduction of 89.1 % in comparison to microchannels, while the temperature uniformity is improved by the use of the self-adaptive microfluidic valves. The impact of this novel cooling solution on the performance of dense array CPV receivers is numerically assessed. Depending on the electrical configuration and the non-uniformity of the illumination profile, the increase in power generation of the dense array CPV receiver can reach up to 9.7 %, compared with the same CPV receiver cooled by microchannels. Once the concept is validated numerically, and after identifying and resolving the challenges inherent in the microfabrication procedure of self-adaptive cooling devices, selected designs are fabricated in order to assess experimentally the performance of the self-adaptive microfluidic cell cooling device, with and without self-adaptive valves. A control algorithm tailors the total flow rate to the heat extraction needs. Compared to conventional microchannels with fixed flow rates, the microfluidic cell array without valves improves the pumping power by 83.7 % and improves a 10.8 % in terms of temperature uniformity. However, the array of microfluidic cells with self-adaptive valves reduces the pumping power by 74.7 %, while the temperature non-uniformity is reduced by 31.7 %. When applying the flow rate control algorithm to the microchannels, the pumping power needs of the array of microfluidic cells with and without self-adaptive valves are, respectively, 15.5 % and 45.6 %, compared to microchannels. In these conditions, the temperature uniformity of the microfluidic cell without self-adaptive valves presents a similar behaviour as the flow rate controlled microchannels, however the microfluidic cell with self-adaptive valves improves the temperature uniformity a 23.9 %.