Local heat transfer measurements and aspect ratio influence during flow boiling in microscale

Ébullition dans les micro canaux : influence du rapport d'aspect sur le transfert thermique local

Sofia Korniliou (1)

1 LAMIH - Laboratoire d'Automatique, de Mécanique et d'Informatique industrielles et Humaines - UMR 8201

Flow boiling in microchannels is a promising technology for cooling of small-scale devices such as electronic chips, power rectifiers, radar arrays, chemical microreactors that require dissipating heat fluxes of several MW m-2 while maintaining constant temperature at the surface. Although flow boiling in macroscale provides higher performance than single-phase or pool boiling heat transfer, the advantages in microscale have not been yet completely justified. This study aims to assist in the better understanding of some outstanding issues regarding flow instabilities, two-phase heat transfer mechanisms and early dryout that occur in microchannels while increasing their aspect ratios (α). Fully integrated and instrumented silicon multimicrochannel heat sinks of width-to-height aspect ratios from 0.3 to 3 and hydraulic diameters ℎ from 50 to 150 μm were developed in order to fully characterise their local heat transfer performance during flow boiling. Local wall temperature measurements were obtained from five thin nickel film temperature sensors with simultaneous pressure measurements and flow visualisation from the top. Uniform heating was achieved with a thin aluminium heater integrated at the back of the microchannels. The effect of , mass flux, inlet subcooling temperature and bubble dynamics on two-phase flow boiling local heat transfer coefficient and pressure drop were investigated for constant heat fluxes. Severe pressure and temperature fluctuations in excess of 250 °C were measured at high microchannels. The heat sinks with microchannels of = 1.5 and ℎ = 120 μm, achieved the maximum heat transfer performance. High spatial and temporal resolution wall temperature maps were obtained with advanced thermography technique, synchronised with simultaneous high-speed imaging and pressure measurements from integrated miniature piezoresistive pressure sensors inside a high aspect ratio (α= 22) transparent Polydimethylsiloxane (PDMS)-based microchannel of ℎ =192 μm. The aim was to produce accurate two-dimensional (2D) high spatial and temporal resolution two-phase heat transfer coefficient maps across the full domain of a single microchannel using FC-72 dielectric liquid. The novel PDMS based microchannel provided measurements in the vicinity of the wall due to the transparency of PDMS to midwave infrared radiation. Synchronised flow visualisation images were related with liquid-vapour distribution of the channel base and were correlated with the two-phase heat transfer coefficient maps in order to elucidate flow boiling instabilities, film thinning during bubble confinement and wetting / rewetting phenomena during annular flow pattern.

L’ébullition en micros canaux est une technique de refroidissement très prometteuse pour les composants en microélectronique. Ces derniers, de plus en plus miniaturisés, nécessitent souvent la dissipation de densités de flux importantes, pouvant atteindre quelques MW m-2 pour maintenir des températures acceptables. L’objet de cette étude est de mieux comprendre les instabilités des écoulements, le transfert thermique par changement de phase tout comme l’effet des rapports de forme (a) sur l’apparition de sites de nucléation à la surface de micro canaux. L’analyse des échanges convectifs locaux lors de l’ébullition a été réalisée dans le cas de micro canaux de rapport de forme allant de 0.3 à 3 et de diamètres hydrauliques allant de 50 à 150 μm. Le banc d’essai a été instrumenté de manière à pourvoir mesurer simultanément les températures de surface à l’aide capteurs en film mince de nickel, de capteurs de pressions instantanées et de caméra rapide pour la visualisation du phénomène d’ébullition. Le chauffage du fluide a été réalisé à l’aide du dépôt en couche mince d’un film résistif en aluminium directement appliqué à la surface des micro canaux. L’étude expérimentale a permis d’analyser les phénomènes de changement de phase par ébullition, du transfert thermique local ainsi que la chute de pression de l’écoulement. En particulier, le travail expérimental a permis de mettre en évidence les effets sur le transfert, du rapport de forma a, de la température de sous refroidissement du fluide à l’entrée des canaux et de la dynamique de formation et de grossissement des bulles. Des fluctuations importantes de pression et de températures ont été enregistrées pour des températures de surfaces avoisinant les 250 °C. Les micro canaux avec a= 1.5 et Dh =120 μm, correspondent à la configuration la plus performante. Les mesures par thermographie infrarouge (IR) combinées à la visualisation par caméra rapide et aux mesures des fluctuations de pressions par capteurs piézoresitifs, ont été réalisées dans le cas de canaux en Polydimethylsiloxane (PDMS) de grand rapport de forme (a = 22) et de diamètre hydraulique Dh =192 μm. L’objectif était d’identifier des cartographies bidimensionnelles et instationnaires de coefficients d’échanges convectifs dans le cas d’un micro canal utilisant un fluide diélectrique le FC -72. La double visualisation par thermographie infrarouge et par caméra CCD rapide a permis de corréler la dynamique de l’ébullition, et notamment le grossissement des bulles, l’asséchement et ou le mouillage des parois, aux coefficients d’échanges convectifs locaux.

Mots clés: Cooling

Mots clés: Refroidissement

Domaines: Thermique [physics.class-ph]

Sofia Korniliou. Local heat transfer measurements and aspect ratio influence during flow boiling in microscale. Thermics [physics.class-ph]. Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambresis; University of Edinburgh, 2018. English. ⟨NNT : 2018VALE0002⟩. ⟨tel-02375857⟩