Thermo-hydrodynamics of closed loop pulsating heat pipes

Abstract

Thermal management of electronics is a contemporary issue which is increasingly gaining importance in line with the advances in packaging technology. Immediate and consistent multi-disciplinary research is needed to cater to the prevailing trends of net power and flux levels of upcoming microelectronics products. Material science, packaging concepts, fabrication technology and novel cooling strategies are some of the key areas requiring synchronal research for successful thermal management. Focusing on the latter area, this thesis attempts to describe the complex thermo-hydrodynamics of Closed Loop Pulsating Heat Pipes (CLPHPs) which are new entrants in the family of closed passive two-phase heat transfer systems. These apparently simple looking devices are extremely intriguing for theoretical and experimental investigations alike. It is rare to find a combination of such events and mechanisms, like bubble nucleation/collapse and agglomeration, bubble pumping action, pressure/temperature perturbations, flow regime changes, dynamic instabilities, metastable non-equilibrium conditions, flooding/bridging etc., all together contributing towards the thermal performance of a device. The thermal performance objective function is multi-dimensional and embodies major multi-disciplinary two-phase flow physics. To achieve the goal, five different experimental set-ups have been envisioned, fabricated and tested. The set-ups are designed for flow visualization (including videography and infra-red thermography) coupled with standard thermometry. Six major parameters have emerged as the primary influence parameters which affect the system dynamics. These include:  Internal diameter of the CLPHP tube,  Volumetric filling ratio of the working fluid,  Input heat flux,  Total number of turns,  Operational orientation and,  Thermo-physical properties of the working fluid. The thesis provides detailed discussion on the various design parameters. Apart from the multitude of geometrical, physical and operational variables, the performance is also strongly linked with the flow patterns existing inside the device. Subtle aspects of this two-phase flow dynamics and their interactions with the heat transfer characteristics have been highlighted leading to the formulation of primary design rules. Mathematical modeling of the device operation has also been successfully accomplished by applying two approaches which are quite diverse in nature, viz. (a) Semi-empirical modeling with non-dimensional groups, and (b) Modeling by artificial neural networks. The handicaps and problems of conventional modeling by ‘first principles’, e.g Navier-Stokes equation, are also scrutinized. At the end of this study program, although some nuances of the device operation still remain unexplored, it is believed that major advancement in the understanding of the thermo-hydrodynamics of CLPHPs has been accomplished. With the progress achieved so far, the prospects for this exemplary and unprecedented technology seems quite promising.

Das Thermalmanagement von Elektronikbauteilen ist ein Thema, welches aufgrund der Fortschritte in der Mikrosystemtechnik zunehmend an Bedeutung gewinnt. Multidisziplinäre Forschung ist notwendig, um dem vorherrschenden Trend zu immer höheren Leistungen und Wärmestromdichten in künftigen Mikroelektronikbauteilen Rechnung zu tragen. Materialforschung, neuartige modulare Konzepte, Herstellungs-technologien und Strategien in der Kühlung sind einige der Schlüsselbereiche, in denen Forschungsbedarf für ein erfolgreiches Thermalmanagement besteht. Im Mittelpunkt dieser Doktorarbeit steht der letztgenannte Bereich, die Beschreibung der komplexen Thermo-hydrodynamik von geschlossenen pulsierenden Wärmerohren (CLPHPs). Sie sind neu zur Familie der geschlossenen passiven 2-Phasen-Wärmeübertragungssysteme hinzugekommen. Diese auf den ersten Blick sehr einfach ausschauenden Bauteile sind sowohl für theoretische als auch für experimentelle Untersuchungen außerordentlich faszinierend. Es ist selten eine solche Kombination verschiedenster Mechanismen zu finden, wie Wachstum/Kollabieren und Agglomerieren von Blasen, Druck- und Temperaturstörungen, Änderungen im Strömungsmuster, dynamische Instabilitäten, metastabile Nichtgleichgewichtszustände, Flooding/Bridging, usw., die alle die thermische Leistungsfähigkeit des Bauteils beeinflussen. Die Zielfunktion der thermischen Leistungsfähigkeit ist mehrdimensional und beinhaltet komplexe Phänomene der 2-Phasen-Thermofluiddynamik. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden fünf unterschiedliche Experimente geplant, aufgebaut und getestet. Die experimentellen Aufbauten erlauben eine Visualisierung der Strömungsvorgänge (inklusive Videoaufzeichnungen und Infrarotthermographie) verbunden mit üblicher Temperaturmessung. Sechs Parameter wurden als Haupteinflussgrößen auf die Systemdynamik erkannt. Diese sind:  der Innendurchmesser der CLPHP  der volumetrische Füllgrad des Arbeitsfluids  die eingebrachte Wärmestromdichte  die Anzahl der Windungen  die Ausrichtung der CLPHP im Betrieb sowie  die thermophysikalischen Eigenschaften des Arbeitsfluids Diese Doktorarbeit beinhaltet eine ausführliche Diskussion der zahlreichen Auslegungsparameter. Abgesehen von der Vielzahl von geometrischen, physikalischen und Betriebsvariablen hängt die thermische Leistungsfähigkeit auch stark von den Strömungs-mustern innerhalb der CLPHP ab. Aspekte dieser 2-Phasenströmungsdynamik und ihrer Interaktion mit der Wärmeübergangscharakteristik wurden herausgearbeitet und in grundsätzlichen Auslegungsrichtlinien formuliert. Die mathematische Modellierung der Betriebszustände der CLPHP ist mit zwei unterschiedlichen Ansätzen erfolgreich bewerkstelligt worden. Zum einen mit einer halbempirischen Modellierung mit dimensionslosen Kennziffern und zum anderen mit künstlichen neuronalen Netzen. Die Nachteile und Probleme konventioneller Modellierungs-methoden, die auf grundlegenden Gleichungen (z.B. Navier-Stokes) aufbauen, sind ebenfalls eingehend untersucht worden. Wenngleich einige Teilaspekte des Betriebsverhaltens der CLPHP weiterhin nicht vollständig geklärt sind, so ist doch als Ergebnis dieser Forschungsarbeit ein großer Fortschritt im Verständnis der Thermohydrodynamik von CLPHP erzielt worden. Mit den bisher erzielten Ergebnissen erscheinen die Aussichten für diese einzigartige Technologie sehr vielversprechend.