Advanced vapor compression cooling systems with spray and microchannels heat sinks for electronics thermal management

Abstract

O gerenciamento térmico é essencial para o funcionamento de dispositivos eletrônicos, garantindo operação confiável, segura e com vida útil prolongada. Até recentemente, tecnologias de resfriamento baseadas em convecção natural e forçada de ar e líquidos monofásicos atenderam às demandas térmicas de praticamente todas aplicações. Contudo, o aumento dos requisitos de potência, aliado à constante demanda por componentes mais compactos e leves, resultou em um aumento significativo no fluxo de calor envolvido, sem mudanças substanciais nos limites de temperatura de operação. Nessas condições, o fluxo de calor dissipado por dispositivos semicondutores pode exceder 1 kW/cm² em aplicações como sistemas de radar com sensores ativos, LEDs de alta potência, veículos elétricos, data centers, sistemas de telecomunicações e aeronaves militares tripuladas ou não. Diante desse cenário, os sistemas de refrigeração por compressão de vapor destacam-se como uma tecnologia promissora. Integrados a estratégias de resfriamento de elevado fluxo de calor, oferecem duas vantagens principais: alta condutância térmica no evaporador e independência da temperatura ambiente devido à capacidade de atingir temperaturas de evaporação abaixo do ambiente. Além disso, a utilização de fluidos refrigerantes dielétricos possibilita o resfriamento direto, reduzindo o consumo de energia elétrica e o volume da unidade de refrigeração. Esta tese de doutorado tem como objetivo investigar, de forma teórica e experimental, sistemas avançados de refrigeração por compressão de vapor para gerenciamento térmico de eletrônicos, utilizando estratégias de resfriamento com microcanais e spray como evaporadores. A tese está dividida em quatro partes principais. Inicialmente, desenvolveu-se um aparato experimental que permite a modularidade de componentes, flexibilidade na configuração do ciclo e robustez nos sistemas de controle e dispositivos de medição, para avaliar refrigerantes com baixo potencial de aquecimento global, R-600a e R-1234yf, como alternativas ao R-134a. Os testes, realizados com estratégia de atomização por spray, contemplaram uma ampla faixa de carga de refrigerante (de 20,0 a 143,6 g) e cargas térmicas aplicadas (de 25 a 290 W). Os resultados apresentam uma relação de compromisso entre os desempenhos de transferência de calor e o termodinâmico do sistema de refrigeração na escolha do refrigerante. Na segunda parte, o refrigerante R-1234yf, que penaliza o coeficiente de performance do sistema de refrigeração (com redução de 1,9 para 1,5), foi selecionado para avaliar o efeito do uso de um trocador de calor interno, combinado com um pós-aquecedor por efeito Joule, no condicionamento do refrigerante na entrada do compressor. Os resultados demonstram que o uso do trocador de calor interno melhora o coeficiente de performance (de 1,6 para 2,1) em detrimento do desempenho da transferência de calor (redução do coeficiente de transferência de calor de 44,3 para 35 kW/m²-K). A terceira parte da tese compara diretamente as estratégias de resfriamento por spray e microcanais, operando separadamente na mesma bancada experimental. Ambos os esquemas foram avaliados para uma ampla faixa de cargas térmicas (de 25 a 250 W) e carga de refrigerante (de 29,9 a 143,6 g). Os resultados mostram que ambas as estratégias sustentaram altos fluxos de calor na parede (de 3,9 a 39,1 W/cm²) com temperaturas de superfície reduzidas (inferiores a 70 ºC). Os resultados também indicam que cada esquema apresenta coeficientes de convecção máximos para diferentes cargas térmicas aplicadas, sugerindo que cada solução pode ser associada a dispositivos eletrônicos específicos para maximizar o desempenho do sistema de gerenciamento térmico. Na quarta parte da tese, ambas as estratégias de resfriamento foram integradas em um sistema de refrigeração por compressão de vapor com múltiplos estágios, operando com dois níveis de temperaturas de evaporação. Foi utilizado um separador líquido-vapor para otimizar o uso do excesso de líquido saindo do evaporador de alta pressão. Os resultados indicam que o ciclo avançado proposto gerencia uma carga térmica total de 375 W com temperaturas médias de superfície abaixo de 45 ºC e coeficiente de convecção de até 40,8 kW/m²-K para a estratégia de resfriamento por spray, o que representa uma redução de 9,2% em relação à mesma estratégia operando individualmente com trocador de calor interno e um aumento de 7,8% em relação ao ciclo sem trocador de calor interno. Este trabalho define um procedimento experimental e uma base de comparação justa para a análise das estratégias de resfriamento e os ciclos avaliados. Foram realizados e apresentados procedimentos de calibração e validação, bem como desenvolvida uma bancada experimental auxiliar para estabelecer métricas de comparação. Os testes experimentais foram analisados com base em parâmetros de transferência de calor (coeficiente de transferência de calor, temperatura da superfície aquecida, eficiência de resfriamento e fluxo de calor máximo aplicado) e métricas de desempenho do sistema, como coeficiente de performance e temperaturas de evaporação.

Abstract: Thermal management is crucial for any electronic device to ensure reliable and safe operation with an extended lifespan. Until recently, cooling technologies utilizing both natural and forced convection of air and single-phase liquids have met the thermal management requirements for virtually all application fields. However, increasing power requirements, coupled with the constant demand for more compact and lighter components, have led to a significant increase in dissipated heat flux without substantially altering their operational temperature limits. This trend is particularly pronounced in semiconductor devices, where localized heat fluxes can exceed 1 kW/cm² in high-performance applications, such as active sensor radar systems, high-power LEDs, electric vehicles, data centers, telecommunications, and military aircraft. Managing such extreme heat flux levels necessitates advanced cooling strategies capable of maintaining efficient heat dissipation without compromising system compactness and energy efficiency. Due to the increasing heat flux values, various high-heat flux cooling schemes combined with a wide range of cooling system alternatives have been explored in the literature. Among these, vapor compression refrigeration systems have emerged as a promising active cooling technology, offering the dual benefits of high thermal conductance in the evaporator and independence from ambient temperature due to their ability to achieve below-ambient evaporation temperatures. Additionally, this technology enables direct cooling when using dielectric refrigerants, thereby reducing electrical power consumption and cooling unit volume. Therefore, this PhD thesis aims to investigate, both theoretically and experimentally, advanced vapor compression refrigeration systems for electronics thermal management using parallel microchannel and spray cooling schemes as evaporators. The thesis is divided into four main parts. Initially, the advanced cooling loop designed for modularity of components, flexibility in cycle configuration, and robustness of control systems and measurement devices is devised to assess low-GWP (global warming potential) refrigerants, R-600a and R-1234yf, as alternatives to R-134a. These tests are conducted with a spray atomization strategy for a wide range of refrigerant charges (from 20.0 to 143.6 g) and applied heat loads (from 25 to 290 W). The results indicate a trade-off between the heat transfer performance and the thermodynamic performance of the refrigeration system while selecting the refrigerant alternative. In the second part of the study, R-1234yf, which penalizes the COP (coefficient of performance) of the refrigeration system with a reduction from 1.9 to 1.5, is selected to evaluate the effect of including an internal heat exchanger to assist a Joule-effect post-heater in conditioning the refrigerant at the inlet of compressor. The results indicate a trade-off between the heat transfer performance and the thermodynamic performance of the refrigeration system, as the use of the internal heat exchanger increases the COP (from 1.6 to 2.1) to the detriment of the heat transfer performance (from 44.3 to 35 kW/m²-K) in the spray cooling scheme. The third part of the thesis concentrates on directly comparing the spray cooling scheme with a parallel microchannel cooling scheme operating separately in the same experimental facility. Both high-heat flux cooling schemes were assessed for a wide range of applied heat loads (from 25 to 250 W) and refrigerant charges (from 29.9 to 143.6 g). The cooling schemes were able to sustain high wall heat fluxes (from 3.9 to 39.1 W/cm²) with reduced surface temperature (lower than 70 ºC). The results also indicate that both cooling scheme have maximum convection coefficients at different applied heat loads, indicating each solution could be coupled with dedicated heated devices that maximize thermal performance. The fourth part of the study integrate both cooling schemes in a multistage vapor compression refrigeration system to operate with high- and low-pressure evaporation temperatures, making use of liquid-vapor separator to enhance the use of the excess liquid exiting the high-heat flux heat sinks. The results indicate the proposed advanced cooling cycle can manage a total applied heat load of 375 W with average surface temperatures below 45 ºC and a convection coefficient of up to 40.8 kW/m²-K for the spray cooling scheme, representing a reduction of 9.2% compared with the same cooling scheme operating individually with the internal heat exchanger and an increase of 7.8% for the cycle without the internal heat exchanger. Although a highest wall heat flux achieved in this study was 46.12 W/cm², the findings underscore the critical role of refrigerant selection, cooling scheme and cycle configurations, and mass flow rate in determining operational limits. This experimental work provides a structured experimental framework for direct comparison between refrigerants, cooling schemes and cycle configurations. Calibration and validation procedures were rigorously conducted, alongside the development of an auxiliary test facility, ensuring a robust metric for evaluating high-heat-flux cooling solutions. The experimental tests were evaluated based on steady-state analyses of heat transfer parameters, namely the heat transfer coefficient, heated surface temperature, cooling efficiency and maximum applied heat flux, as well as system performance metrics, such as COP and evaporation temperatures.