Experimental investigation on pool boiling heat transfer over micro textured, additive manufactured surfaces, and impact of extended exposure to boiling heat transfer

Abstract

The ever-increasing population and rising living standards require the development of high-performance, efficient, and safe technologies. Compact thermal systems face challenges due to limited space availability, while waste heat reduction and efficient cooling become crucial. Traditional thermal management methods have already reached their limits, and alternative technologies utilizing phase-change materials, heat pipes, or miniature/mini chambers are required to overcome heat removal limitations and achieve effective cooling in compact systems. Pool boiling heat transfer offers high-performance cooling opportunities for thermal problems especially electronics limited with high heat fluxes, and have been extensively studied over the last eight decades. This sensitive cooling method is influenced by a vast number of parameters, while the interplay of these parameters introduces a significant level of intricacy, making accurate predictions challenging. The predictive expressions for a broader spectrum of operating conditions, fluid chemical composition, or even surface topography are still inefficient in order to forecast the fundamental heat transfer measures of critical heat flux (CHF) and heat transfer coefficient (HTC). Indeed, this study aims to enhance boiling heat transfer (BHT) by incorporating artificial cavities through microdrill manufacturing and additive manufactured (AM) microchannel surfaces. Additionally, the development of oxide layers and their impact on surface performance are investigated. The boiling performance of surfaces with micro-drilled artificial cavities is analyzed under different operating conditions. In addition, the study examines the effect of microchannel geometries, specifically rectangular, V-shape, and inverse V-shape channels fabricated using laser powder bed fusion, on BHT. The influence of surface roughness on heat transfer is compared between additive manufactured surfaces and conventionally polished surfaces. Oxide layer development and its effect on heat transfer are explored on copper substrates under various operating scenarios. In order to conduct the experiments, an in-house manufactured and fully automated boiling setup, which resist to high temperature and pressure was constructed. De-ionized (DI) water and 3M™ Novec™ hydrofluoroether (HFE-7100) Engineered Fluid were preferred as working liquids to be suitable for the cooling of electronic systems priorly. In this study, the tests were conducted at between 0 - 10 K subcooling temperatures and 1 - 1.5 bar pressures. Experimental analysis includes contact angle measurements, confocal microscopy, scanning electron microscopy, X-ray diffraction, and high-speed imaging for bubble formation. These investigations contribute to understanding and improving heat transfer performance in boiling systems.

Hızla artan nüfus ve yükselen yaşam standartları, yüksek performanslı, verimli ve güvenli teknolojilerin geliştirilmesini gerektirmektedir. Sınırlı alan bulunması nedeniyle küçük ölçüdeki termal sistemler performans zorluklarıyla karşılaşırken, enerji fazlalığını azaltma ve verimli soğutma teknolojileri önem kazanmaktadır. Geleneksel soğutma yöntemleri kapasitelerinin sınırlarına ulaşmış durumda olup, faz değişimi bulunduran sistemler, ısı boruları veya minyatür/mini sıvı hazneler gibi alternatif teknolojiler, küçük ölçüdeki sistemlerin ısı transfer sınırlamalarının üstesinden gelmesi ve etkili soğutma sağlaması için önem arz etmektedir. 80 yıldır fizikçiler ve mühendisler tarafından yüksek dikkatle incelenen kaynama ile ısı transferi, yüksek ısı akımlarına sahip özellikle elektronik sistemler için performanslı soğutma fırsatları sunar. Bu hassas soğutma yöntemi birçok parametreden etkilenirken, bu parametrelerin etkileşimi doğru tahminleri zorlaştırır. Geniş aralıktaki çalışma koşulları altında, sıvının kimyasal bileşimi veya yüzey şekilleri gibi tahminsel ifadelerin temel ısı transfer ölçüleri olan kritik ısı akışı (CHF) ve ısı transfer katsayısı (HTC) için hala etkili tahmin yapamadığı koşullarda bu çalışma, yapay oyukları oluşturan mikro matkap üretimi ve katmanlı imalat metodu (AM) ile üretilmiş mikrokanal yüzeylerine dahil ederek kaynama ısı transferini (BHT) geliştirmeyi amaçlamaktadır. Buna ek olarak, yüksek sıcaklıklar geçiş metalleri üzerinde oluşması muhtemel oksit tabakalarının gelişimi ve yüzey performansına etkisi incelenmektedir. Mikro matkaplarla delinmiş yapay boşluklara sahip yüzeylerin kaynama performansı analiz edilmektedir. Ayrıca, toz yatak füzyon birleştirme kullanılarak üretilen dikdörtgen, V şekli ve ters V şekli kanalların mikrokanal geometrilerinin kaynama ile ısı trasferi üzerindeki etkisi incelenmektedir. Yüzey pürüzlülüğünün ısı transferine etkisi, eklemeli üretilen yüzeyler ile geleneksel olarak cilalanmış yüzeyler arasında karşılaştırılmaktadır. Oksit tabakası oluşumu ve ısı transferine etkisi, çeşitli çalışma senaryolarında bakır numunelerde araştırılmaktadır. Deneylerin yapılabilmesi için kendi bünyemizde geliştirilmiş tam otomatik yüksek sıcaklık ve basınca dayanıklı kaynatma düzeneği yapılmıştır. Önceleri elektronik sistemlerin soğutulmasına uygun çalışma sıvıları olarak deiyonize (DI) su ve 3M™ Novec™ hidrofloroeter (HFE-7100) özel sıvısı tercih edildi. Bu çalışmada testler 0-10 K aşırı soğutma sıcaklıklarında ve 1-1,5 bar basınçlarda gerçekleştirilmiştir. Deneysel analizler, temas açısı ölçümleri, konfokal mikroskop ile görüntüleme, taramalı elektron mikroskopu ile görüntüleme, X-ışını difraksiyonu ile görüntüleme ve kabarcık oluşumunu saniyede yüksek hızlı görüntüleme gibi yöntemleri içermektedir. Bu çalışmalar, kaynama sistemlerinde ısı transfer performansını anlamak ve geliştirmek için katkıda bulunmaktadır.