Numerical Study of Heat Transfer in Phase Change Material: Application to Cooling Management

of Protruding Electronic Components

 

Etude Numérique des Transferts de Chaleur lors

de la Fusion d’un Matériau à Changement de Phase : Application au Refroidissement de Composants Electroniques Protubérants

 

M. Faraji, H. El Qarnia*

Université Cadi Ayyad, Faculté des Sciences Semlalia, département de physique,

Laboratoire de mécanique des fluides et d’énergétique, B.P 2390, Marrakech, Maroc

* Corresponding author. E-mail: elqarnia@ucam.ac.ma ,  farajimustapha@yahoo.fr

Received: 16 January 2008; revised version accepted:15 September 2008

 

Abstract

     The aim of the present work is to study numerically the thermal performance of a phase change material based heat sink used for cooling management of protruding substrate-mounted electronic chips. The advantage of this cooling strategy is that the phase change materials (PCMs) are able to absorb a high amount of generated heat without using fan. This proposed strategy is convenient for situations where the cooling by forced convection with ambient air is not practical, case for electronic devices used by firefighter or in spatial applications. A (2D) mathematical model based on the energy, mass and momentum conservation equations is developed for the proposed heat sink. Several numerical simulations were conducted to analyze the effects of the substrate thermal conductivity, the relative position and the thickness of the modules on the efficiency of the proposed cooling strategy. A variation in the substrate conductivity considerably affects the temperatures of components and the amount of melt. Solid/liquid interface shape and position depend closely to substrate conductivity. The working time of electronics is improved when the components are positioned at the bottom of the enclosure. Increasing modules thickness enhances the cooling effectiveness of electronic components placed at the top of the enclosure.

 

Keywords: Cooling protruding electronics; Phase change material; Latent heat storage; Extreme environment.

 

Résumé

     Dans le présent travail, on étudie les transferts thermiques lors de la fusion d’un matériau à changement de phase (MCP) utilisé pour dissiper la chaleur générée au sein des composants électroniques (sources de chaleur) protubérants, placés sur un substrat vertical. L’avantage d’utiliser cette stratégie de refroidissement est que les matériaux à changement de phase (MCP) sont capables d’absorber une importante quantité de chaleur générée par les circuits intégrés, sans utiliser de ventilateur. Cette stratégie proposée est pratique pour des situations où le refroidissement par convection forcée de l’air ambiant n’est pas pratique, comme c’est le cas pour les appareils électroniques utilisés par les pompiers et ceux utilisés pour des applications spatiales. Un modèle mathématique (2D), basé sur les équations de conservation de la masse, de l’énergie et de la quantité de mouvement, est développé pour le puits de chaleur proposé. Plusieurs simulations numériques ont été effectuées pour analyser l’effet de la conductivité thermique du substrat, de la position relative et de l’épaisseur des composants électroniques sur l’efficacité du refroidisseur. Les températures des composants électroniques, la quantité du MCP fondue, la forme et la position du front de fusion sont sensibles à la variation de la conductivité thermique du substrat. Les résultats de simulation montrent que la durée de fonctionnement sécurisé des composants électroniques subit une nette amélioration lorsque les sources de chaleur sont placées en bas de la cavité. Les résultats montrent aussi que l’accroissement de l’épaisseur du composant électronique réduit la température de celui-ci, lorsqu’il est placé en haut de la cavité.

 

Mots clés: Refroidissement; Composant électroniques protubérants; Stockage de chaleur latent; Environnement extrémal.


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