Contribution to the comprehension of condensation phenomena inside a vapor chamber with integrated hollow fins
Contribution à la compréhension des phénomènes de condensation siégeant au sein d'une chambre de vapeur à ailettes creuses intégrées
Résumé
Vapor chambers are among the most efficient passive two-phase cooling devices. They are frequently used for thermal management of electronics and commonly combined with solid air-cooled finned heat sinks. In this work, a vapor chamber with integrated hollow fins is studied. This design lightens the cooling device and improves its performance thanks to the working fluid’s condensation inside the hollow fins. The effect of non-condensable gas inside condensers with hollow fins has been examined experimentally and theoretically using a numerical model. Furthermore, since external air-cooling limits the thermal performance of the device, the hollow fins diameter should be reduced in order to increase their number and the total heat transfer surface area. However, small diameters can lead to the formation of liquid plugs inside the fins, which deteriorates their performance. This phenomenon has been observed thanks to the manufacturing of transparent polymer condensers with hollow fins. Therefore, a trade-off must be found between external cooling optimization and condensation regimes, which should not hinder proper operation. Different ways of destabilizing liquid plugs and draining the condensate to the evaporator region have been explored using results from the literature, a numerical model and multiple experiments. Hollow fins with triangular cross-section seem appropriate to reduce the fin size while preventing retention of liquid. However, the achievable increase in the heat transfer surface area is only of about 15%. The results obtained with interconnected hollow fins are more promising. Indeed, interconnected fins with 2 mm inner diameter operate with water as the working fluid despite the formation of liquid plugs. It is not the case of a condenser with 5 mm inner diameter separated fins.
Les chambres de vapeur sont des systèmes de refroidissement diphasiques passifs et efficaces qui sont notamment utilisés dans le domaine de l’électronique. Elles sont généralement associées à un dissipateur à ailettes métallique refroidi par convection naturelle ou forcée. Dans ce mémoire, une chambre de vapeur à ailettes creuses intégrées est étudiée. Cette configuration permet un allègement du système et un gain en performance grâce à la condensation du fluide de travail à l’intérieur des ailettes. L’effet de la présence de gaz incondensables dans un condenseur à ailettes creuses est analysé expérimentalement et par une modélisation numérique. Par ailleurs, comme le refroidissement par convection limite les performances du système, une réduction du diamètre des ailettes est requise pour augmenter leur nombre et, ainsi, la surface d’échange totale. Un diamètre réduit peut toutefois entraîner la formation de bouchons de liquide au sein des ailettes et dégrader leurs performances. Ce phénomène a été visualisé grâce à la réalisation de condenseurs transparents en polymère à ailettes creuses. Il y a donc un compromis à trouver entre l’optimisation des performances en convection et le maintien d’un régime de condensation qui permette le bon fonctionnement du système. Différentes pistes ont été explorées à l’aide de résultats issus de la littérature, d’un modèle numérique et d’essais expérimentaux afin de déstabiliser les bouchons de liquide et de favoriser le drainage du condensat vers l’évaporateur. L’utilisation d’ailettes de section transversale triangulaire semble pertinente pour réduire leur taille en évitant la rétention de liquide, mais le gain réalisable sur la surface d’échange convective reste modeste (de l’ordre de 15 %). L’interconnexion entre les ailettes du condenseur donne des résultats plus prometteurs. En effet, des ailettes interconnectées de diamètre intérieur 2 mm fonctionnent avec l’eau comme fluide de travail malgré la formation de bouchons de liquide, ce qui n’est pas le cas d’un condenseur à ailettes indépendantes de diamètre 5 mm.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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