Thermo-hydrodynamics of closed loop pulsating heat pipes

Thermal management of electronics is a contemporary issue which is increasingly gaining importance in line with the advances in packaging technology. Immediate and consistent multi-disciplinary research is needed to cater to the prevailing trends of net power and flux levels of upcoming microelectronics products. Material science, packaging concepts, fabrication technology and novel cooling strategies are some of the key areas requiring synchronal research for successful thermal management. Focusing on the latter area, this thesis attempts to describe the complex thermo-hydrodynamics of Closed Loop Pulsating Heat Pipes (CLPHPs) which are new entrants in the family of closed passive two-phase heat transfer systems. These apparently simple looking devices are extremely intriguing for theoretical and experimental investigations alike. It is rare to find a combination of such events and mechanisms, like bubble nucleation/collapse and agglomeration, bubble pumping action, pressure/temperature perturbations, flow regime changes, dynamic instabilities, metastable non-equilibrium conditions, flooding/bridging etc., all together contributing towards the thermal performance of a device. The thermal performance objective function is multi-dimensional and embodies major multi-disciplinary two-phase flow physics. To achieve the goal, five different experimental set-ups have been envisioned, fabricated and tested. The set-ups are designed for flow visualization (including videography and infra-red thermography) coupled with standard thermometry. Six major parameters have emerged as the primary influence parameters which affect the system dynamics. These include:  Internal diameter of the CLPHP tube,  Volumetric filling ratio of the working fluid,  Input heat flux,  Total number of turns,  Operational orientation and,  Thermo-physical properties of the working fluid. The thesis provides detailed discussion on the various design parameters. Apart from the multitude of geometrical, physical and operational variables, the performance is also strongly linked with the flow patterns existing inside the device. Subtle aspects of this two-phase flow dynamics and their interactions with the heat transfer characteristics have been highlighted leading to the formulation of primary design rules. Mathematical modeling of the device operation has also been successfully accomplished by applying two approaches which are quite diverse in nature, viz. (a) Semi-empirical modeling with non-dimensional groups, and (b) Modeling by artificial neural networks. The handicaps and problems of conventional modeling by ‘first principles’, e.g Navier-Stokes equation, are also scrutinized. At the end of this study program, although some nuances of the device operation still remain unexplored, it is believed that major advancement in the understanding of the thermo-hydrodynamics of CLPHPs has been accomplished. With the progress achieved so far, the prospects for this exemplary and unprecedented technology seems quite promising. Das Thermalmanagement von Elektronikbauteilen ist ein Thema, welches aufgrund der Fortschritte in der Mikrosystemtechnik zunehmend an Bedeutung gewinnt. Multidisziplinare Forschung ist notwendig, um dem vorherrschenden Trend zu immer hoheren Leistungen und Warmestromdichten in kunftigen Mikroelektronikbauteilen Rechnung zu tragen. Materialforschung, neuartige modulare Konzepte, Herstellungs-technologien und Strategien in der Kuhlung sind einige der Schlusselbereiche, in denen Forschungsbedarf fur ein erfolgreiches Thermalmanagement besteht. Im Mittelpunkt dieser Doktorarbeit steht der letztgenannte Bereich, die Beschreibung der komplexen Thermo-hydrodynamik von geschlossenen pulsierenden Warmerohren (CLPHPs). Sie sind neu zur Familie der geschlossenen passiven 2-Phasen-Warmeubertragungssysteme hinzugekommen. Diese auf den ersten Blick sehr einfach ausschauenden Bauteile sind sowohl fur theoretische als auch fur experimentelle Untersuchungen auserordentlich faszinierend. Es ist selten eine solche Kombination verschiedenster Mechanismen zu finden, wie Wachstum/Kollabieren und Agglomerieren von Blasen, Druck- und Temperaturstorungen, Anderungen im Stromungsmuster, dynamische Instabilitaten, metastabile Nichtgleichgewichtszustande, Flooding/Bridging, usw., die alle die thermische Leistungsfahigkeit des Bauteils beeinflussen. Die Zielfunktion der thermischen Leistungsfahigkeit ist mehrdimensional und beinhaltet komplexe Phanomene der 2-Phasen-Thermofluiddynamik. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden funf unterschiedliche Experimente geplant, aufgebaut und getestet. Die experimentellen Aufbauten erlauben eine Visualisierung der Stromungsvorgange (inklusive Videoaufzeichnungen und Infrarotthermographie) verbunden mit ublicher Temperaturmessung. Sechs Parameter wurden als Haupteinflussgrosen auf die Systemdynamik erkannt. Diese sind:  der Innendurchmesser der CLPHP  der volumetrische Fullgrad des Arbeitsfluids  die eingebrachte Warmestromdichte  die Anzahl der Windungen  die Ausrichtung der CLPHP im Betrieb sowie  die thermophysikalischen Eigenschaften des Arbeitsfluids Diese Doktorarbeit beinhaltet eine ausfuhrliche Diskussion der zahlreichen Auslegungsparameter. Abgesehen von der Vielzahl von geometrischen, physikalischen und Betriebsvariablen hangt die thermische Leistungsfahigkeit auch stark von den Stromungs-mustern innerhalb der CLPHP ab. Aspekte dieser 2-Phasenstromungsdynamik und ihrer Interaktion mit der Warmeubergangscharakteristik wurden herausgearbeitet und in grundsatzlichen Auslegungsrichtlinien formuliert. Die mathematische Modellierung der Betriebszustande der CLPHP ist mit zwei unterschiedlichen Ansatzen erfolgreich bewerkstelligt worden. Zum einen mit einer halbempirischen Modellierung mit dimensionslosen Kennziffern und zum anderen mit kunstlichen neuronalen Netzen. Die Nachteile und Probleme konventioneller Modellierungs-methoden, die auf grundlegenden Gleichungen (z.B. Navier-Stokes) aufbauen, sind ebenfalls eingehend untersucht worden. Wenngleich einige Teilaspekte des Betriebsverhaltens der CLPHP weiterhin nicht vollstandig geklart sind, so ist doch als Ergebnis dieser Forschungsarbeit ein groser Fortschritt im Verstandnis der Thermohydrodynamik von CLPHP erzielt worden. Mit den bisher erzielten Ergebnissen erscheinen die Aussichten fur diese einzigartige Technologie sehr vielversprechend.