Numerical Studies of Thermal Management of Multiple Electronic Devices Using Metal Foam Heat Sinks

Abstract

У дослідженні запропоновано радіатори з металевої піни (MFHS) для теплового керування електронними пристроями. Металеві піни – це матеріали для покращення ефективності теплопередачі радіаторів завдяки їх унікальним характеристикам, таким як велике співвідношення площі поверхні до об'єму та їх складна форма, яка сприяє змішуванню та конвекції. Проведено чисельні дослідження перехідної теплогідравлічної поведінки та ефективності процесу охолодження електронних пристроїв за допомогою MFHS. Фізична модель складається з конвективного ламінарного потоку повітря всередині каналу, оснащеного кількома потужними електронними пристроями, що охолоджуються MFHS. MFHS складається з трьох пластинчастих радіаторів, які виготовлені з алюмінієвої піни з пористістю 0,95 і проникністю 1,65×10 – 7 м2. Основа радіатора виготовлена з твердого алюмінію. Для розв’язання базових рівнянь використовується програмне забезпечення Comsol. Численні результати показують, що теплова продуктивність MFHS більша, ніж у звичайного радіатора за тих самих умов експлуатації, а теплова поведінка електронних пристроїв, що охолоджуються MFHS, стабільно зберігається при допустимих температурах. Перевірка чисельних результатів вказує на високу узгодженість з експериментальними даними з максимальною відносною похибкою 3 %.

In this study, metal foam heat sinks (MFHS) are proposed for thermal management of electronic devices. Metal foams are excellent candidates for improving the heat transfer performance of heat sinks due to their unique characteristics such as the large surface area to volume ratio and their complex form, which favors mixing and convection. Numerical investigations of the transient thermal-hydraulic behavior and performance of the cooling process of electronic devices by MFHS are carried out. The physical model consists of a convective laminar air flow inside a channel equipped with multiple power electronic devices cooled by MFHS. MFHS consist of three plate fin heat sinks which are made of aluminum foam with a porosity of 0.95 and a permeability of 1.65 × 10 – 7 m2, and the heat sink base is made of aluminum solid. Comsol software is used to solve the governing equations. Numerical results reveal that the thermal performance of MFHS is larger than that of a conventional heat sink and a clear channel under the same operating conditions, and the thermal behavior of electronic devices cooled by MFHS is stable and maintained at admissible temperatures. The validation of the numerical results shows perfect agreement with the experimental data with a maximum relative error of 3 %.