Systemy chłodzenia układów elektronicznych z przemianą fazową pracujące w termodynamicznym cyklu Maisotsenki
Phase change electronic devices cooling systems based on the thermodynamic Maisotsenko cycle
Typ projektu: naukowo-badawczy
Słowa kluczowe: Chłodzenie układów elektronicznych cykl Maisotsenki
Słowa kluczowe (angielski): Electronic circuits cooling Maisotsenko cycle
Członkowie konsorcjum: Projekt nie był realizowany w ramach konsorcjum
Okres realizacji projektu: 16.01.2023 - 15.01.2026
Instytucja finansująca: Narodowe Centrum Nauki
Nazwa programu: Opus
Kierownik projektu: Bogusław Więcek
Wartość dofinansowania: 1 566 480,00 PLN
Wartość projektu: 1 566 480,00 PLN
Proponowanym celem naukowym projektu jest badanie układów chłodzenia obwodów elektronicznych opartych na termodynamicznym cyklu Maisotsenki, zwanego również technologią IREC (ang. Indirect Regenerative Evaporative Cooling). Celem proponowanych badań jest adaptacja istniejących rozwiązań IREC, zaproponowanie nowej geometrii IREC odpowiedniej do chłodzenia układów elektronicznych, zbudowanie badawczego systemu IREC, który mógłby mieć bezpośrednie zastosowanie w urządzeniach elektronicznych. Następnie celem jest zbadanie jego działania oraz zjawisk, które należy wziąć pod uwagę przy jej modelowaniu co doprowadzi do opracowania modelu lub modeli zaproponowanego układu chłodzenia. W 2021 roku ukazał się artykuł "Proposing the concept of mini Maisotsenko cycle cooler for electronic cooling purposes; experimental study". Jest to pierwszy i jak dotąd jedyny artykuł, w którym przedstawiono i zbadano system chłodzenia oparty na cyklu Maistotsenki w skali umożliwiającej chłodzenie układów elektronicznych. Proponowana geometria powinna umożliwiać bezpośrednie chłodzenie urządzeń elektronowych poprzez zintegrowaną zimną płytę, bez konieczności stosowania powietrza lub cieczy jako medium pośredniczącego. Bazując na rozszerzonym przeglądzie literatury, na dzień dzisiejszy nie badano ani nie proponowano takich rozwiązań, nawet teoretycznie. Ponadto w ramach proponowanych badań planuje się określenie granic technologii IREC chłodzenia urządzeń elektronicznych w szerokim zakresie temperatury powietrza wejściowego i wilgotności względnej z uwzględnieniem ewentualnego wpływu lepkości wilgotnego powietrza dla małych przekrojów kanałów. Badania takie nie były wcześniej prowadzone. Niezbędne jest przeprowadzenie dokładnych badań (teoretycznych i eksperymentalnych) zależności pomiędzy parametrami konstrukcyjnymi układu chłodzenia a zjawiskami, które należy uwzględnić przy jego modelowaniu. • Badanie i optymalizacja parametrów geometrycznych układu chłodzenia oraz identyfikacja kluczowych zjawisk fizycznych, które należy uwzględnić w modelowaniu • Badanie wpływu doboru materiałów wymiennika ciepła na jego działanie • Badanie i optymalizacja ogólnych charakterystyk układu chłodzenia (COP, ∆P, ɛtdp, etc.) • Projekt i/lub dobór układu wlotowego/wylotowego (wentylator, sprężarka, pompa itp.) • Identyfikacja kluczowych zjawisk fizycznych, które należy uwzględnić w modelowaniu, na podstawie testów układu chłodzącego Proponowany projekt badawczy ma być oparty na badaniach eksperymentalnych i symulacjach komputerowych. Fazy projektu są wymienione poniżej: • Modelowanie komputerowe 3D różnych geometrii urządzeń IREC, w oparciu o nową proponowaną konfigurację z płytą zimną i bez powietrza/cieczy jako medium pośredniczącego (ANSYS / COMSOL); wybór możliwie optymalnej geometrii • Modele kompaktowe urządzenia IREC, niefourierowski przepływ ciepła w urządzeniu IREC (zjawiska w materiale porowatym i zjawisko zmiany stanu skupienia), modelowanie z wykorzystaniem DPL (dual phase-lag). • Wybór tranzystorów BJT/MOSFET oraz zaprojektowanie i wykonanie serii rezystorów grubowarstwowych, które będą wykorzystywane jako urządzenie elektroniczne (źródło ciepła) chłodzone przez urządzenie IREC • Wybór i testy (odporność termiczna, zwilżalność, właściwości mechaniczne) materiałów, które mają być stosowane jako membrana oddzielająca kanały mokre oraz suche, materiał płyty zimnej i obudowy układu chłodzenia • Budowa urządzeń IREC do testów na podstawie wyników fazy 1-3 • Statyczne pomiary termowizyjne pracy urządzenia IREC, walidacja i kalibracja symulacji 3D z fazy 1 • Przejściowe pomiary termiczne pracy urządzenia IREC za pomocą kamery termowizyjnej i systemu T3Ster • Badania nad wpływem temperatury i wilgotności powietrza wlotowego na pracę układu chłodzenia i wydajność chłodzenia • Badania wpływu prędkości przepływu powietrza na wejściu i wyjściu układu chłodzenia na działanie i wydajność układu chłodzenia Do powyższych pomiarów zostanie użyta kamera termowizyjna oraz system T3Ster (transient thermal tester). Mierzony będzie wpływ parametrów powietrza wlotowego (zmiany temperatury i wilgotności) oraz prędkości przepływu powietrza. Układ doświadczalny do tych eksperymentów będzie opierał się na komorze klimatycznej, komorze do testów termicznych, sieci czujników temperatury/wilgotności, anemometrach oraz systemie sterowania i akwizycji danych. Na tym etapie projektu planowane jest również zastosowanie systemu osuszania gazu oraz zastąpienie powietrza wlotowego suchym azotem laboratoryjnym. Głównym celem tych etapów projektu jest poszerzenie wiedzy o zjawiskach fizycznych zachodzących w urządzeniu IREC podczas jego pracy, ich wpływie na działanie i wydajność układu chłodzenia oraz udoskonalenie opracowanych w ramach projektu modeli układów chłodzenia.
The proposed scientific goal of the project is the investigation of electronic circuits cooling systems based on the thermodynamic Maisotsenko cycle, called also Indirect Regenerative Evaporative Cooling (IREC) technology. The goal of the proposed research is to scale down and adapt exising IREC solutions, to propose a new IREC geometry suitable for electronics cooling, build a research IREC system that could be applicable directly for electronic devices and next, to investigate its behavior, the phenomena to be taken into account when modelling it and finally, to propose its model or models. In 2021, the article "Proposing the concept of mini Maisotsenko cycle cooler for electronic cooling purposes; experimental study" was published. It is the first and only paper so far, where a scaled down M-cycle cooling system was presented and investigated. The proposed geometry should allow to directly cool electreonic devices through an integrated cold plate, without the need of using air or liquid as an intrmediary medium. Base on an extended literature review, no such solutions have been studied or proposed as of today, even theoretically. Moreover, within the framework of the proposed research, it is planned to determine the limits of IREC technology for electronic devices cooling for a wide range range of input air temperature and relative humidity, including a possible impact of humid air viscosity for smaller channels cross-sections, something that has not been investigated previously. It is necessary to conduct a thorough study (theoretical and experimental) of the relationship between the design parameters of the cooler and the phenomena to be taken into account when modelling it. • Research and optimization of the geometric parameters of the cooler and identification of key physical phenomena to be taken into account in modelling: • Investigation of heat exchanger materials choice impact on its operation: • Study and optimization of the overall characteristics of the cooler (COP, ∆P, ɛtdp, etc.) • Design and/or selection of the required inlet/outlet system (fan, compressor, pump, etc.) • Based on the cooler tests, identification of key physical phenomena to be taken into account in modelling. The proposed research project is planned to be based on experimental research and computer simulations. Project phases are listed below: • 3D computer modeling of different IREC devices geometries, based on the new proposed configuration with a cold plate and no air/liquid as intermediary medium (ANSYS / COMSOL); choice of optimum feasible geometry • Compact modeling of the IREC device; non-Fourier heat transfer in the IREC device (porous material and phase change phenomena): modeling using the dual phase-lag (DPL) approach • Choice of BJT/MOSFET transistors and design and manufacturing of a series of thick-film resistors which will be used as anelectronic device (heat source) to be cooled by the IREC device • Choice and tests (thermal resistance, wettability, mechanical properties) of the materials to be used as membrane separating wet/dry channels, cold plate material and cooler housing • Manufacturing of IREC devices for tests, based on phase 1-3 results • Static thermographic measurements of IREC device operation; validation and calibration of the 3D simulations from phase 1 • Transient thermal measurements of IREC device operation using a thermographic camera and the T3Ster system • Research on inlet air temperature-humidity combinations impact on the cooler operation and cooling efficiency • Research on the cooler input-output airflow speed impact on the cooler operationand cooling efficiency For above measurements, a thermographic camera and the transient thermal tester T3Ster will be used. The impact of inlet air parameters (temperature-humidity combinations) and airflow speed will be measured. The experimental setup for those experiments will be based on a climatic test chamber, thermal test chamber, temperature/humidity sensors network, anemometers and a control and data logging system to be built. During that phase of the project there are also plans to use a gas dehumidification system and to replace the inlet air with laboratory grade dry nitrogen. The main goal of those phases of the project is to improve the knowledge of the physical phenomena occurring in the IREC device during its operation, their impact on the cooler operation and cooling efficiency and to improve the cooler models developed during the project.
Powrót