مروری جامع بر استفاده از مواد تغییر فاز دهنده در خنک سازی بردهای الکترونیکی

نوع مقاله : مقاله مروری

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران

2 دانشیار، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران

3 استادیار، پژوهشگاه فضایی ایران، تهران، ایران

چکیده

دستگاه­های الکترونیکی با کاربردهای متنوع و وسیعی که این روزها پیدا کرده­اند، برای داشتن عمر طولانی­تر و عملکرد ایمن­تر، باید زیر دمای بحرانی کار کنند. بنابراین لازم است گرمای مازاد تولید شده در آنها به طور مناسبی از این دستگاه­ها خارج شود. اخیراً، استفاده از مواد تغییر فاز دهنده (PCM) به عنوان یکی از روش­های موثر برای حذف گرما از وسایل الکترونیکی مورد توجه قرارگرفته است. اما علیرغم ظرفیت بالای ذخیره سازی انرژی در PCMها، رسانایی گرمایی پایین آ­ن­ها به عنوان یک عامل محدود کننده برای استفاده از این مواد می­باشد. بنابراین، تحقیقات فعلی بر بهبود عملکرد گرمایی PCM با استفاده از تقویت کننده رسانایی گرمایی (TCE) متمرکز شده است. پره­های فلزی، نانوذرات مخلوط شده با PCM و فوم­های فلزی، به عنوان تقویت کننده رسانایی گرمایی استفاده می­شوند در این مقاله، مطالعات مختلفی در مورد روش­های مورد استفاده در بهبود عملکرد PCM برای خنک سازی اجزای الکترونیکی تحت بار گرمایی ثابت مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته است.  

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] اشرفی م.، محمدیون ح.، دیبایی م.ح.، محمدیون م.، بهبود عملکرد گردآور خورشیدی و افزایش بهره وری انرژی خورشید با بکارگیری مواد تغییر فازی، مجله مهندسی مکانیک دانشگاه تبریز، د. 51، ش. 1، ص 29-38، 1400.
[2] Naghibi Z., Carriveau R., Ting D.S.K., Improving clean energy greenhouse heating with solar thermal energy storage and phase change materials, Energy Storage, Vol.2, NO.1,2020.
 [3] رستمیان ف.، اعتصامی ن.، حقگو م.، کنترل دمای برد الکترونیکی با بکارگیری چاه گرمایی حاوی ماده تغییر فاز دهنده استئاریک اسید، مجله مهندسی مکانیک دانشگاه تبریز، 1399.
[4] پاکدامان س.، سید افقهی س.، حسن زاده م.، تهیه میکروکپسول هگزادکان-ملامین فرمالدهید  به عنوان ماده تغییرفازدهنده و اعمال آن بر پارچه پنبه ای برای تولید لباس های خنک کننده، مجله پژوهش­های کاربردی در شیمی، ش. 2، ص 60-53، 1398.
[5] پناهی ر.، مواد تغییر فازدهنده و استفاده آنها در جهت صرفه‌جویی انرژی در ساختمان، نشریه علمی مطالعات مهندسی، ش.36، ص 47-61، 1397.
[6] سلگی ا.، محمدکاری ب.، فیاض ر.، حسینی ب.،, طاهری ه.، افزایش عملکرد تهویه شبانه در ساختمان های اداری با استفاده از مواد تغییر فازدهنده، نمونه موردی: شهر یزد, مجله معماری و شهرسازی آرمان شهر، ش.17، ص53-62، 1395.
[7] آل‌حسینی ا.، جعفری م.، جلوگیری از افزایش دمای محصولات غذایی بسته‌بندی شده در زنجیره سرد با استفاده از مواد جاذب انرژی حرارتی، فصلنامه علمی علوم و فنون بسته بندی, ش. 39، ص 18-27، 1398.
[8] Ohkawara H., Kitagawa T., Fukushima N., Ito T., Sawa Y., Yoshimine T., A newly developed container for safe, easy, and cost-effective overnight transportation of tissues and organs by electrically keeping tissue or organ temperature at 3 to 6 C. In: Transplantation proceedings: Elsevier, pp. 855-858, 2012.
[9] Ukrainczyk N., Kurajica S., Šipušić J., Thermophysical comparison of five commercial paraffin waxes as latent heat storage materials, Chemical and biochemical engineering quarterly, Vol. 24, No. 2, pp129-137., 2010.
[10] Mofijur M., Mahlia T.M.I., Silitonga A.S., Ong H.C., Silakhori M., Hasan M.H., Putra N., Rahman S., Phase change materials (PCM) for solar energy usages and storage: an overview, Energies, Vol.12, No. 16, 2019.
[11] Wilson J., Gobble C., Chickos J., Vaporization, sublimation, and fusion enthalpies of some saturated and unsaturated long chain fatty acids by correlation gas chromatography, Journal of Chemical & Engineering Data, Vol. 60, No. 1, pp. 202-212, 2015.
[12] معین جهرمی م.، رحمانیان س.، برزگرلو کوهی ص.، تحلیل اثر هندسه جاذب حرارتی با بکارگیری مبردهای نانوسیال و مواد تغییر فاز دهنده میکروکپسوله بر عملکرد پنل های حرارتی،  مجله مهندسی مکانیک دانشگاه تبریز، 1399.
[13] Agyenim F., Hewitt N., Eames P., Smyth M., A review of materials, heat transfer and phase change problem formulation for latent heat thermal energy storage systems (LHTESS). Renewable and sustainable energy reviews, Vol. 14, No.2, pp.615-628, 2010.
[14] Sami S., Etesami N., Thermal characterization of obtained microencapsulated paraffin under optimal conditions for thermal energy storage. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, Vol. 130, No. 3, pp. 1961-1971, 2017.
[15] Sami S., Sadrameli S., Etesami N., Thermal properties optimization of microencapsulated a renewable and non-toxic phase change material with a polystyrene shell for thermal energy storage systems. Applied Thermal Engineering, Vol.130, pp.1416-1424, 2018.
[16] Sami S., Etesami N., Improving thermal characteristics and stability of phase change material containing TiO2 nanoparticles after thermal cycles for energy storage. Applied Thermal Engineering; Vol.124, pp. 346-352, 2017.
[17] Khodadadi J., Fan L., Babaei H., Thermal conductivity enhancement of nanostructure-based colloidal suspensions utilized as phase change materials for thermal energy storage: a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol.24, pp. 418-444, 2013.
[18] Kothari R., Sahu S.K., Kundalwal S.I., Mahalkar P., Thermal performance of phase change material–based heat sink for passive cooling of electronic components: An experimental study, International Journal of Energy Research, Vol. 45, No. 4, pp. 5939-5963, 2021.
[19] Leong K.Y., Chew S.P., Gurunathan B.A., K.K. Ahmad, H.C. Ong, An experimental approach to investigate thermal performance of paraffin wax and 1-hexadecanol based heat sinks for cooling of electronic system, International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 109, 2019.
[20] Tan F., Tso C., Cooling of mobile electronic devices using phase change materials. Applied thermal engineering, Vol.24, No.2-3, pp.159-169, 2004.
[21] Yang Y-T., Wang Y-H., Numerical simulation of three-dimensional transient cooling application on a portable electronic device using phase change material. International Journal of thermal sciences, Vol. 51, pp.155-162, 2012.
[22] Wirtz R., Swanson K., Yaquinto M., Thermal energy storage thermal response model with application to thermal management of high power-density hand-held electronics. Journal of Electronic Packaging, Vol. 134, No. 1, 2012.
[23] Ge H., Liu J., Keeping smartphones cool with gallium phase change material. Journal of heat transfer; Vol. 135, No.5, 2013.
[24] Maxa J., Novikov A., Nowottnick M., Thermal peak management using organic phase change materials for latent heat storage in electronic applications. In: Materials: Multidisciplinary Digital Publishing Institute, pp. 31, 2018.
[25] Abhat A., Low temperature latent heat thermal energy storage: heat storage materials. Solar energy, Vol. 30, No.4, pp. 313-332, 1983.
[26] Henze R.H., Humphrey J.A., Enhanced heat conduction in phase-change thermal energy storage devices. International journal of heat and mass transfer; Vol. 24, No. 3, pp.459-474, 1981.
[27] Kandasamy R., Wang X-Q., Mujumdar A.S., Transient cooling of electronics using phase change material (PCM)-based heat sinks. Applied thermal engineering, Vol. 28, No. 8-9, pp. 1047-1057, 2008.
[28] Nayak K., Saha S., Srinivasan K., Dutta P., A numerical model for heat sinks with phase change materials and thermal conductivity enhancers. International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 49, No. 11-12, pp. 1833-1844, 2006.
[29] Marri G.K., Srikanth R., Balaji C., Effect of phase change and ambient temperatures on the thermal performance of a solid-liquid phase change material-based heat sinks, Journal of Energy Storage, Vol. 30, 2020.
[30] Fok S., Shen W., Tan F., Cooling of portable hand-held electronic devices using phase change materials in finned heat sinks. International Journal of Thermal Sciences, Vol. 49, No.1, pp. 109-117, 2010.
[31] Setoh G., Tan F., Fok S., Experimental studies on the use of a phase change material for cooling mobile phones. International Communications in Heat and Mass Transfer; Vol.37, No. 9, pp. 1403-1410, 2010.
[32] Wu W., Zhang G., Ke X., Yang X., Wang Z., Liu C., Preparation and thermal conductivity enhancement of composite phase change materials for electronic thermal management. Energy Conversion and Management, Vol. 101, pp. 278-284, 2015.
[33] Hosseinizadeh S., Tan F., Moosania S., Experimental and numerical studies on performance of PCM-based heat sink with different configurations of internal fins. Applied Thermal Engineering, Vol. 31, No. 17-18, pp. 3827-3838, 2011.
[34] Baby R., Balaji C., Experimental investigations on phase change material based finned heat sinks for electronic equipment cooling. International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 55, No. 5-6, pp. 1642-1649, 2012.
[35] Alimohammadi M., Aghli Y., Alavi E.S., Sardarabadi M., Passandideh-Fard M. Experimental investigation of the effects of using nano/phase change materials (NPCM) as coolant of electronic chipsets, under free and forced convection. Applied Thermal Engineering, Vol. 111, pp. 271-279, 2017.
[36] Arshad A., Ali H.M., Khushnood S., Jabbal M., Experimental investigation of PCM based round pin-fin heat sinks for thermal management of electronics: effect of pin-fin diameter. International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 117, pp. 861-872, 2018.
[37] Kalbasi R., Afrand M., Alsarraf J., Tran M.-D., Studies on optimum fins number in PCM-based heat sinks, Energy, Vol.171, pp. 1088-1099, 2019.
[38] Baby R., Balaji C., Thermal optimization of PCM based pin fin heat sinks: an experimental study. Applied Thermal Engineering, Vol. 54, No. 1, pp.65-77, 2013.
[39] Jaya Krishna D., Operational time and melt fraction based optimization of a phase change material longitudinal fin heat sink. Journal of Thermal Science and Engineering Applications, Vol. 10, No. 6, 2018.
[40] Mahmoud S., Tang A., Toh C., Raya A-D., Soo S.L., Experimental investigation of inserts configurations and PCM type on the thermal performance of PCM based heat sinks. Applied energy, Vol. 112, pp. 1349-1356, 2013.
[41] Mosavi A., Mehdizadeh H., Abbasian-Naghneh S., Kalbasi R., Karimipour A., Cheraghian G., Incorporation of horizontal fins into a PCM-based heat sink to enhance the safe operation time, Applied Sciences, Vol. 10, No. 18, 2020.
[42] Sathe T., Dhoble A., Thermal analysis of an inclined heat sink with finned PCM container for solar applications, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 144, 2019.
[43] Taghilou M., Khavasi E., Thermal behavior of a PCM filled heat sink: The contrast between ambient heat convection and heat thermal storage, Applied Thermal Engineering, Vol.174, 2020.
[44] همتی ر.، ویسی ف.، حدیدی ب.، بررسی تجربی سیستم مدیریت حرارتی منبع تغذیه با استفاده از مواد تغییر فازدهنده، مجله مهندسی و مدیریت انرژی، ش. 1، ص۹۲-۹۹، 1399.
[45] Ali H.M., Ashraf M.J., Giovannelli A., Irfan M., Irshad T.B., Hamid H.M., Thermal management of electronics: an experimental analysis of triangular, rectangular and circular pin-fin heat sinks for various PCMs. International Journal of Heat and Mass Transfer; Vol.123, pp. 272-284, 2018.
[46] Arshad A., Jabbal M., Sardari P.T., Bashir M.A., Faraji H., Y. Yan, Transient simulation of finned heat sinks embedded with PCM for electronics cooling, Thermal Science and Engineering Progress, Vol.18, 2020.
[47] S. Rukh, R.A. Pasha, M.A. Nasir, Heat transfer enhancement of round pin heat sinks using N-eicosane as PCM: an experimental study, Heat and Mass Transfer, Vol.55, No. 2, pp. 309-325,2019.
[48] Pakrouh R., Hosseini M.J., Ranjbar A.A., A parametric investigation of a PCM-based pin fin heat sink. Mech Sci; Vol.6, No.1, pp. 65-73, 2015.
[49] Levin P.P., Shitzer A., Hetsroni G., Numerical optimization of a PCM-based heat sink with internal fins. International Journal of Heat and Mass Transfer; Vol. 61, pp.638 -645, 2013.
[50] Wang X-Q., Yap C., Mujumdar A.S., A parametric study of phase change material (PCM)-based heat sinks. International Journal of Thermal Sciences, Vol. 47, No. 8, pp.1055-1068, 2008.
[51] Jaworski M., Thermal performance of heat spreader for electronics cooling with incorporated phase change material. Applied Thermal Engineering, Vol. 35, pp. 212-219, 2012.
[52] Ye W-B., Zhu D-S., Wang N., Numerical simulation on phase-change thermal storage/release in a plate-fin unit. Applied Thermal Engineering, Vol. 31, No.17-18, pp. 3871-3884, 2011.
[53] Ye W-B, Zhu D-S, Wang N. Fluid flow and heat transfer in a latent thermal energy unit with different phase change material (PCM) cavity volume fractions. Applied thermal engineering, Vol. 42, pp.49-57, 2012.
[54] Rostamizadeh M., Khanlarkhani M., Sadrameli S.M., Simulation of energy storage system with phase change material. Energy and Buildings, Vol. 49, pp.419-422, 2012.
[55] Hu J., Hu R., Luo X., Phase change material-based heat sinks and its geometry optimization for heat transfer enhancement. pp. 876-881, 2014.
[56] Sivapragasam A., Duraisamy S., Raman M., Experimental investigation on thermal performance of plate fin heat sinks with nano PCM, Thermal Science, Vol. 24, pp.437-446, 2020.
[57] Zarma I., Ahmed M., Ookawara S., Enhancing the performance of concentrator photovoltaic systems using Nanoparticle-phase change material heat sinks, Energy Conversion and Management, Vol. 179, pp. 229-242, 2019.  
[58] Fan L-W., Zhu Z-Q., Zeng Y., Xiao Y-Q., Liu X-L., Wu Y-Y., Transient performance of a PCM-based heat sink with high aspect-ratio carbon nanofillers. Applied Thermal Engineering, Vol. 75, pp. 532-540, 2015.
[59] Abdelrahman H., Wahba M., Refaey H., Moawad M., Berbish N., Performance enhancement of photovoltaic cells by changing configuration and using PCM (RT35HC) with nanoparticles Al2O3, Solar Energy, Vol.177, pp. 665-671, 2019
[60] Farzanehnia A., Khatibi M., Sardarabadi M., Passandideh-Fard M., Experimental investigation of multiwall carbon nanotube/paraffin-based heat sink for electronic device thermal management. Energy conversion and management, Vol.179, pp.314-325, 2019.
[61] Phillips M.R., Green C.E., Cola B.A., Numerical and Experimental Investigation of Vertically Aligned Carbon Nanotube-Phase Change Material Composites for Thermal Management of Electronics. In: 2018 17th IEEE Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems (ITherm): IEEE, pp. 141-146, 2018.
[62] Hamza F., Mustapha F., Effect of Nanoparticles Insertion on Heat Storage Efficiency in a Phase Change MaterialEmbedded and Intelligent Systems. pp. 1-5, 2019.
[63] Harish S., Orejon D., Takata Y., Kohno M., Thermal conductivity enhancement of lauric acid phase change nanocomposite with graphene nanoplatelets. Applied thermal engineering, Vol. 80, pp. 205-211, 2015.
[64] Babapoor A., Karimi G., Thermal properties measurement and heat storage analysis of paraffin nanoparticles composites phase change material: Comparison and optimization. Applied Thermal Engineering, Vol.90, pp.945-951, 2015.
[65] Şahan N., Fois M., Paksoy H., Improving thermal conductivity phase change materials—A study of paraffin nanomagnetite composites. Solar Energy Materials and Solar Cells, Vol. 137, pp. 61-67, 2015.
[66] Kothari R., Sahu S.K., Kundalwal S.I., Mahalkar P., Thermal performance of phase change material–based heat sink for passive cooling of electronic components: An experimental study, International Journal of Energy Research, Vol. 45, No. 4, pp. 5939-5963, 2021.
 [67] Lafdi K., Mesalhy O., Elgafy A., Merits of employing foam encapsulated phase change materials for pulsed power electronics cooling applications. Journal of Electronic Packaging, Vol. 130, No. 2, 2008.
[68] Ali H.M., Experimental study on the thermal behavior of RT-35HC paraffin within copper and Iron-Nickel open cell foams: energy storage for thermal management of electronics, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 146 2020.
[69] Qu Z., Li W., Wang J., Tao W., Passive thermal management using metal foam saturated with phase change material in a heat sink. International communications in heat and mass transfer; Vol. 39, No.10, pp. 1546-1549, 2012.
[70] Baby R., Balaji C., Experimental investigations on thermal performance enhancement and effect of orientation on porous matrix filled PCM based heat sink. International Communications in Heat and Mass Transfer; Vol.46, pp. 27-30, 2013.
[71] Chintakrinda K., Weinstein R.D., Fleischer A.S., A direct comparison of three different material enhancement methods on the transient thermal response of paraffin phase change material exposed to high heat fluxes. International Journal of Thermal Sciences, Vol. 50, No. 9, pp. 1639-1647, 2011.