Modelling and optimisation of metal foam integrated heat exchangers for power electronics cooling
Modélisation et optimisation d'échangeurs de chaleur intégrés en mousse métallique pour le refroidissement de l'électronique de puissance
Résumé
Several decades ago, power electronics (PE) emerged as an important discipline in the world of electrical engineering. Thanks to regular technological advancements, namely the use of "wide band gap" materials for semiconductors, PE devices have become more compact and efficient, but this has unfortunately resulted in a reduced thermal management. Thus, as a collaborated effort between G2Elab, LEGI and SIMAP, this work has studied the use of metal foam as a novel heat exchanger used in a forced-convection cooling system that can be integrated into PE modules for superior cooling. Metal foams are lightweight, have low densities, high specific surface areas, an open-celled structure and good thermal properties. They are typically categorised by their porosity (ε), their pore density (PPI, pores per inch) and by the diameter of the solid fibres (df). The advantages to heat transfer arise from the possibility of an increased specific surface area over other heat exchangers, such as microchannels, and from the tortuous microstructure that generates flow turbulence and improves convective transfers within the coolant. Thermal performances were modelled by developing an analytical model that considered the heat exchangers as a network of resistances in series. This was achieved by simplifying the LTNE equations that govern energy transfer through the solid a fluid phases. The model was initially compared with numerical simulations and experimental results from the scientific literature, where it performed well. As an additional level of validation, an experimental test bench was designed and assembled in-house. Thermal performances was ascertained by using thermocouples to measure the temperature profile of the solid and fluid phases, and hydraulic properties were found by measuring the pressure drop across the heat exchangers. Analytical and experimental results agreed well with each other, deviating on average by less than 10%. The model was then used to optimise the foams physical properties in order to produce a heat exchanger that maximises thermal performances whilst minimising the required hydraulic power. The results show that for a pressure drop of 50kPa, the thermal resistance of a metal foam heat exchanger is 0.127 K/W. Metal foams are thus a viable heat exchanger material and the model proposed in this work can be used as a quick and inexpensive means of performance optimisation.
Il y a plusieurs décennies, l'électronique de puissance (PE) est devenue une discipline importante dans le monde de l'électrotechnique.Grâce aux progrès technologiques réguliers, à savoir l'utilisation de matériaux à "wide band gap" pour les semi-conducteurs, les dispositifs PE sont devenus plus compacts et efficaces, mais cela a malheureusement entraîné une gestion thermique réduite. Ainsi, dans le cadre d'un effort collaboratif entre G2Elab, LEGI et SIMAP, ce travail a étudié l'utilisation de la mousse métallique comme nouvel échangeur de chaleur utilisé dans un système de refroidissement à convection forcée qui peut être intégré dans des modules PE pour un refroidissement supérieur. Les mousses métalliques sont légères, ont de faibles densités, des surfaces spécifiques élevées, une structure à cellules ouvertes et de bonnes propriétés thermiques. Ils sont typiquement classés par leur porosité (ε), leur densité de pores (PPI, pores par pouce) et par le diamètre des fibres solides (df). Les avantages du transfert de chaleur proviennent de la possibilité d'une surface spécifique accrue par rapport à d'autres échangeurs de chaleur, tels que des microcanaux, et de la microstructure tortueuse qui génère des turbulences d'écoulement et améliore les transferts de convection dans le fluide de refroidissement. Les performances thermiques ont été modélisées en développant un modèle analytique qui considérait les échangeurs de chaleur comme un réseau de résistances en série. Ceci a été réalisé en simplifiant les équations LTNE qui régissent le transfert d'énergie à travers les phases solide et fluide. Le modèle a été initialement comparé aux simulations numériques et aux résultats expérimentaux de la littérature scientifique, où il a bien fonctionné. Comme niveau supplémentaire de validation, un banc d'essai expérimental a été conçu et assemblé in-house. Les performances thermiques ont été vérifiées en utilisant des thermocouples pour mesurer le profil de température des phases solide et fluide, et les propriétés hydrauliques ont été trouvées en mesurant la chute de pression à travers les échangeurs de chaleur. Les résultats analytiques et expérimentaux concordaient bien les uns avec les autres, s'écartant en moyenne de moins de 10%. Le modèle a ensuite été utilisé pour optimiser les propriétés physiques des mousses afin de produire un échangeur de chaleur qui maximise les performances thermiques tout en minimisant la puissance hydraulique requise. Les résultats montrent que pour une perte de charge de 50 kPa, la résistance thermique d'un échangeur de chaleur en mousse métallique est de 0,127 K/W. Les mousses métalliques sont donc un matériau d'échangeur de chaleur viable et le modèle proposé dans ce travail peut être utilisé comme un moyen rapide et peu coûteux d'optimisation des performances.
Origine : Version validée par le jury (STAR)