Experimental and numerical analysis of microstructured surfaces

Lo smaltimento di calore è uno degli aspetti più importanti per l’affidibilità di componenti elettronici. Ad oggi, l’aria è il più sicuro, economico e utilizzato fluido operativo in applicazioni di raffreddamento di componentistica elettronica. A causa delle sue scarse qualità di scambio termico, l’aria fluisce attraverso superficie estese, come alette piane, cilindriche e louvered, “offset strip fins” e “wire screens”, per aumentare la superficie di scambio termico e per creare turbolenza. Recentemente, le schiume metalliche sono state proposte come promettenti superfici estese per incrementare le prestazioni termiche del sistema di raffreddamento. Tuttavia, l’aria potrebbe non essere sufficiente nel caso in cui i flussi termici da asportare siano particolarmente alti e pertanto i sistemi bifase possono essere una soluzione attuabile. La vaporizzazione è il meccanismo di scambio termico con i maggiori coefficienti di scambio termico, pertanto può essere usato per dissipare elevati flussi termico e mantenere la temperatura di parete del dissipatore entro limiti che siano compatibili con quelli delle apparecchiature elettroniche. Superfici microstrutturate, come schiume metalliche e tubi microalettati, possono avere benefici nella vaporizzazione, cioè possono incrementare i siti di nucleazione delle bolle, anticipare l’ebollizione nucleata, aumentare il miscelamento tra la fase liquida e vapore, aumentare il flusso termico critico. Importanti sono anche gli aspetti ambientali associati a refrigeranti sintetici, situazione che richiede un miglioramento delle soluzioni tecniche attualmente impiegate. Recentemente, nuovi refrigeranti a basso impatto ambientale, in particolare l’R1234ze(E) e l’R1234yf, sono stati proposti come alternative al tradizionale R134a. Questa tesi di dottorato esplora l’uso di superfici microstrutturate in sistemi di raffreddamento. Sono state studiate sperimentalmente e numericamente schiume metalliche, alette piane e cilindriche durante la convezione forzata di aria. Inoltre,è stato sperimentalmente studiato il deflusso monofase e bifase (vaporizzazione) di refrigeranti in una schiuma metallica in rame e all’interno di un tubo microalettato. Il primo capitolo si focalizza sulla convezione forzata di aria attraverso schiume metalliche. Nove schiume in rame sono sperimentalmente studiate e dalle misure sperimentali vengono calcolati i coefficienti globali di scambio termico e le perdite di carico. Vengono discussi gli effetti dei parametri geometrici (altezza della schiuma, densità di pori e porosità) sul comportamento termico e idraulico di tali materiali. I punti sperimentali raccolti, insieme ad altre misure sperimentali precedentemente ottenute su schiume in alluminio, hanno permesso lo sviluppo di una correlazione per la stima dell’efficienza e del coefficiente di scambio termico. La convezione forzata di aria attraverso alette piane e cilindriche è discussa nel secondo capitolo. Sono state condotte simulazioni numeriche su differenti configurazioni geometriche di spessore, passo e altezze delle alette nel caso di alette piane, e di diametro, passo longitudinale e trasversale e altezza nel caso di alette cilindriche. Vengono riportati gli effetti delle caratteristiche geometriche sul comportamento termico e idraulico. Dai risultati numerici, sono state sviluppate quattro correlazioni per la stima del fattore j di Colburn e del fattore f di attrito per alette piane e cilindriche. Infine, è riportato un esempio di ottimizzazione di una superficie con alette piane. Il terzo capitolo propone un approccio numerico alla modellizazione della convezione forzata di aria in schiume metalliche. La reale struttura di quattro schiume in rame, i cui risultati sperimentali sono riportati nel primo capitolo, è ottenuta mediante immagini ottenute con la tecnica della microtomografia. Il deflusso di aria è quindi simulato con un software commerciale. I risultati numerici sulle perdite di carico e sui coefficienti di scambio termico sono quindi confrontati con i risultati sperimentali. Il dimensionamento e lo sviluppo di un nuovo impianto sperimentale per lo studio del fenomeno della vaporizzazione in superfici microstrutturate è riportato nel quarto capitolo. Viene presentato lo sviluppo mediante un codice numerico della sezione di prove, che alloggerà una schiuma metallica lunga 200 mm. Ogni componente dell’impianto è discusso in dettaglio. Infine vengono riportati i risultati della calibrazione dell’impianto. I risultati relativi alla vaporizzazione di refrigeranti all’interno di una schiumametallica sono presentati nel quinto capitolo. La schiuma metallica in rame è lunga 200 mm, larga 10 mm e alta 5 mm. Tre diversi refrigeranti sono studiati: R134a, R1234ze(E), and R1234yf. L’R1234ze(E) e l’R1234yf (GWP=6 e 4, rispettivamente) sono possibili sostituti dell’R134a (GWP=1400). Le prove sperimentali sono state condotte ad una temperatura di saturazione di 30 °C, che è un valore idoneo al caso di raffreddamento di componenti elettronici, in diverse condizioni operative, al fine di evidenziare gli effetti del titolo di vapore, della portata specifica e del flusso termico sulle performance termiche ed idrauliche. Nel sesto ed ultimo capitolo vengono riportati alcuni risultati sulla vaporizzazione di refrigeranti all’interno di tubo microalettato avente un diametro interno di 3.4 mm. Tre diversi refrigeranti sono studiati: R134a, R1234ze(E), and R1234yf. Come nel caso precedente, le prove sono state condotte ad una temperatura di saturazione di 30 °C in diverse condizioni operative, cioè a diverso titolo di vapore, portata specifica e flusso termico. I risultati sperimentali del coefficiente di scambio termico, del titolo di vapore all’inizio della crisi termica e delle perdite di carico sono confrontati con i valori stimati da alcune correlazioni empiriche proposte in letteratura