Meso-scale cooling devices experimental and numerical heat transfer analysis

Abstract

Various thermal management strategies and related technologies are recently developed based on the specific needs, which they are designed to fulfill. Some of these technologies are muffin fans, synthetic jets, and piezoelectric fans. These three technologies are chosen based on the need to compare their core system of heat removing. The muffin fans are the small scale of the normal rotary fans which exploit a number of blades to produce a flow, which performs the cooling. Synthetic jets and the piezoelectric fans both use the oscillation created by a piezoelectric plate to establish a flow. The presence of an oscillating diaphragm in the synthetic jets simulates the breathing process which is done in the lungs of a human being. In the case of piezoelectric fans, the blade is being replaced with an oscillating cantilever beam which periodic movement generates a flow that eventually removes the heat. This study consists of various parts; in the first part, previously mentioned technologies are experimentally compared, in terms of their heat transfer characteristics. In order to test the technologies, an experimental system was designed and manufactured. The test system consists of two main compartments. The heat source and the cooling device; cooling devices are secured on a plexi fixture. This stand is adjustable so that the cooling device can operate in various distances. Fixtures are designed and manufactured to securely hold the devices in position, in order to avoid any extra oscillation during operation. The heat source of the test set up is a square copper heater, placed in front of the cooling technology, which is under the tests. Then, the effect of distance on the heat removal of these cooling devices are examined and reported by putting them at various distances. For the case of the muffin fan, it was observed that the heat transfer coefficient showed inverse relation with distance; higher distance exhibited low heat transfer and thus the fan was only applicable at close distances to the heater. For the synthetic jet, an optimum distance existed after which the heat transfer was not efficient. In the case of the piezoelectric fan, not only increase in the distance resulted on the low heat transfer coefficient but also the heat transfer coefficient depended on the deflection of the piezoelectric fan slab. The effect of slab deflection is studied by the use of two different materials, mylar and metallic substrate fans. The highest Nusselt number for the synthetic jet and the piezoelectric fan is around 60 while for the muffin fan this number is less than 20. The deflection of the piezoelectric slab is so crucial that in the case of the mylar slab the highest achieved heat transfer coefficient is 20 W/m2-K, while for the metallic fan it is approximately three times higher than mylar and it is about 58 W/m2-K. Beside the extensive experimental investigations, the piezoelectric fan is numerically modeled via FLUENT-ANSYS software in order to find the inaccessible results during experiments and better understanding of phenomena. The numerical results are in accordance with the experimental outcomes with a deviation of about 20 percent. The maximum velocity is found to be approximately 1.8 m/s. The flow is also being visualized by the use of the PIV imaging during the heat transfer characteristics examination of the piezoelectric fan. PIV imaging results shed light on side cooling that partially happens at the close distances. The phenomenon of the side cooling is captured after the movement analysis of more than 5000 frames of the operating maylar piezoelectric fan. It is seen that in the distance less than 5 mm there is no time for the formation of the vortex and thus the induced flow is deprived towards the sides. This means that while the heat source is coordinated in the centerline of the fan; the induced flow is cooling the heat source sides and not the heater itself. This is not desirable since the cooling efficiency is lowered at this state. Finally, a high-speed camera has also been used to capture the on spot behavior of the piezoelectric fan over the flow. With the frequency of 3000 frames per second of camera, the flow is captured by the use of a smoke pen. The vortex formation is seen within the various frequencies of the piezoelectric fan. The effect of deflection value is also captured by the sequences of the camera. The formed vortex radius is different in the case of different deflection values.

Son zamanlarda çeşitli termal yönetim stratejileri ve ilgili teknolojiler, özel ihtiyaçları yerine getirmek üzerine dayanarak geliştirilmektedir. Bu teknolojilerin bazıları muffin fanları, sentetik jetler ve piezoelektrik fanlardır. Bu üç teknoloji kendi çekirdek ısı giderim sistem karşılaştırma ihtiyacını baz alınarak seçilmiştir. Muffin fanları, normal döner fanların küçük ölçeğidirler ve Soğutma yapan bir akım üretmek için bir dizi bıçak kullanırlar. Sentetik jetleri ve piezoelektrik fanların ikisi de akım oluşturmak için bir piezoelektrik plaka tarafından oluşturulan salınımı kullanırlar. Sentetik Jetlerde salınımlı bir diyafram varlığı insanın akciğerinde yapılan nefes alma işlemini simule eder. Bıçak, Piezoelektrik fanlardaki periyodik hareketi sonucunda ısıyı gideren bir akış oluşturan salınımlı konsol ışını ile değiştiriliyor. Bu çalışma çeşitli bölümlerden oluşmaktadır, birinci bölümde, daha önce bahsedilen teknolojiler deneysel olarak, ısı transfer karakteristikleri bakımından karşılaştırılmıştır. Teknolojileri test etmek için deneysel bir sistem tasarlanıp ve üretilmiştir. Test sistemi iki ana bölmeden oluşur. Isı kaynağı ve soğutma cihazı; Soğutma cihazları bir plexi fikstüre sabitlenmiştir. Bu stand ayarlanabilir, böylece soğutma cihazı çeşitli mesafelerde çalışabilir. Fikstürler, çalışma esnasında ekstra salınımı önlemek için cihazları sabit tutacak şekilde tasarlanıp ve üretilmiştir. Testin kurulumun ısı kaynağı, testlerin altında olan soğutma teknolojisinin önüne yerleştirilen kare bir bakır ısıtıcıdır. Daha sonra uzaklığın bu soğutma cihazlarının ısı gidermesi üzerindeki etkisi, çeşitli mesafelere yerleştirilerek incelenir ve raporlanır Muffin fan durumunda, ısı transfer katsayısının mesafe ile ters ilişki gösterdiği, yüksek mesafenin düşük ısı transferi sergilediği ve bu nedenle fan ısıtıcıya yakın mesafelerde uygulanabileceği görülmüştür. Sentetik jetler için, ısı aktarımı etkili olmadıktan sonra optimum bir mesafe oluşur. Piezoelektrik fan durumunda, yalnızca düşük ısı aktarım katsayısı ile sonuçlanan mesafedeki artış değil, aynı zamanda, ısı aktarım katsayısı piezoelektrik fan levhasının dönmesine bağlıdır. Levhanın dönme etkisi, mylar ve metalik substrate fanları olmak üzere iki farklı malzeme kullanılarak incelenmiştir. Sentetik jet ve piezoelektrik fan için en yüksek Nusselt sayısı 60 civarındayken, muffin fanında bu sayı 20 den düşüktür. Piezoelektrik levhanın dönmesi o kadar önemlidir ki, mylar levhasında elde edilen en büyük ısı transferi eşdeğeri 20 W/m2-K dır, metalik fan için mylar'dan yaklaşık üç kat daha yüksektir ve yaklaşık 58 W/m2-K dır. Kapsamlı deneysel soruşturmaların yanı sıra, Deneyler sırasında erişilemeyen sonuçların bulunması ve olayların daha iyi anlaşılması için, , piezoelektrik fan, sayısal olarak FLUENT-ANSYS yazılımı ile modellenmiştir. Sayısal sonuçlar, yaklaşık yüzde 20 sapma ile deney sonuçları ile uyumludur. Maksimum hız Yaklaşık 1.8 m/s olduğu bulunmuştur. Akış, piezoelektrik fanın ısı transfer özellikleri incelemesi sırasında PIV görüntüleme yöntemiyle de görselleştirilmektedir. PIV görüntüleme sonuçları, kısmen yakın mesafelerde gerçekleşen yan soğutma açıklığa kavuşturmasına yol açıyor. Yan soğutma olayı, 5000'den fazla kare maylar piezoelektrik fanın hareket analizinden sonra ele geçiyor. 5 mm'den daha az uzaklığa vorteks oluşumu için zaman olmadığı ve dolayısıyla sonuçlanan akışın yanlara doğru yoksun olduğu görülmektedir. Bunun anlamı, ısı kaynağının fan merkez çizgisinde koordine edilmesine rağmen, sonuçlanan akış ısı kaynağının yanlarını soğutulup, Isıtıcının kendisinin soğutulmamasıdır, bu durum arzu edilmez çünkü bu durumda soğutma verimi düşürülür. Son olarak, yüksek hızlı bir kamera 'da piezoelektrik fanın akış üzerindeki nokta davranışını kaydetmek için kullanılmıştır. Kameranın saniyede 3000 kare frekansıyla akış bir duman kalemi kullanılarak kaydedilmiştir. Vorteks oluşumu piezoelektrik fanının çeşitli frekanslarında görülür. Dönme değerinin etkisi kameranın dizileri tarafından da kaydedilmiştir. Oluşan vorteks etki alanı, farklı dönme değerleri durumunda farklıdır.