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Si3N4 Manifold Microchannels Cooling System for High Heat Flux Electronic Applications

微通道 材料科学 热流密度 压力降 热阻 热导率 计算机冷却 电子设备冷却 沸腾 传热系数 机械工程 热力学 传热 散热片 机械 复合材料 物理 纳米技术 电子设备和系统的热管理 工程类
作者
Yue Qiu,Chirag R. Kharangate,Jennifer Carter,James McGuffin-Cawley
标识
DOI:10.1109/itherm54085.2022.9899560
摘要

The increasing energy dissipation in more compact and powerful electronic systems has led to extreme high heat fluxes which call for more effective thermal management solutions. [1] One innovative cooling strategy to meet the dissipation demand is two-phase cooling utilizing manifold-microchannels, it can achieve high heat transfer while maintaining low pressure drops in comparison to conventional two-phase microchannels. For electronics cooling in extreme environment, Si3N4-based ceramic is an ideal substrate due to its high thermal conductivity, low elastic modulus, and sufficient strength and toughness. In this study, a reduced order thermal-fluidic analysis of Si3N4 manifold-microchannel for two-phase boiling flows is conducted for dissipating up to 1 kW of heat from a 1 cm 2 heated area on a compact Si3N4 sample. The effect of manifold-microchannel geometry parameters on pressure drop and heat resistance are investigated. The performances of different type of working fluids are also compared, including R134a, R1234yf, R1234ze(E), R245fa, and R1233zd, FC72, and HFE7100. The proposed manifold-microchannels with R134a as the working fluid can achieve low pressure drop ~20 kPa and low thermal resistance ~0.06 K/W with a mass flow rate requirement of 9~ 13 g/s for a heat flux of 1 kW/cm 2 .
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