Tesis:
Research and industrial development of innovative electrode configurations for electrokinetic cooling devices
- Autor: COGOLLO DE CADIZ, Mar
- Título: Research and industrial development of innovative electrode configurations for electrokinetic cooling devices
- Fecha: 2022
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: INGENIERIA MECANICA
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/70314/
- Director/a 1º: DÍAZ LANTADA, Andrés
- Director/a 2º: PUAGO MARTÍNEZ, Héctor
- Resumen: In the last decades, several industrial areas have focused on developing more compact electronic components. As a consequence, there is a growing need for microelectronic devices, whose high degree of integration and minimal dimensions lead to extremely lightweight and efficient products and engineering systems. However, an excessive heat generation is inherent to the mentioned requirements and advantages, which directly affects the reliability, performance and cost of electronic devices.For these reasons, it is necessary that these technological advances are enhanced by means of refrigeration systems, which can be considered critical for industrial progress in several areas. Electronic cooling systems have normally resorted to using fans, heat sinks or heatpipes. These conventional systems have been accepted until now because they constitute a mature, cheap and efficient technologies. However, despite being highly efficient systems, the great advance in microelectronics requires new refrigeration systems that are capable of transferring this amount of heat to maintain the lifespan and performance of the components. In addition, the growth of microelectronics involves that new systems be small and quiet enough. Currently, the aerospace sector, due to the incorporation of a large number of on-board electronic circuits, faces important and steadily increasing heat dissipation challenges, which can affect reliability and safety, if not adequately managed. Therefore, the flawless operation of cooling systems is key to an improvement in the overall performance of flying systems. The central aim of this PhD Thesis is the research and industrial development of alternative and advanced refrigeration technologies and systems based on electro-fluid-dynamics principles applied to cooling devices. Electro-fluid-dynamics (EFD), also known as electro-hydrodynamics (EHD) and electrokinetics, is a field of study dealing with the dynamics of electrically charged fluids, with the movements of ionized particles and molecules and with their interactions with surrounding fluids and solids. Normally, in EFD technologies, the application of a high electric field generates the formation of non-thermal plasma that instigates the creation of reactive species, which are guided in the direction of the electric field. This produces a flow called “ionic wind”, which can be used for heat dissipation, among other applications. The driving hypothesis considers EFD systems as a possible solution to current problems in traditional refrigeration systems. In this research work, innovative electrodes and electrode configurations are researched and industrially developed. Two EFD system configurations are designed, implemented, tested, analysed and optimized, one based on a wire-to-plane (TRAID) geometry and one based on a wire-to-two-parallel plane (EMBID) geometry. Different studies are performed to characterize, model and optimize the performance of these systems, combining both experimental and computational methods. First, the devices are evaluated using a high voltage electrical characterization bench, where the characteristic voltage-current curves (CVCCs) are obtained. Thermal and dynamic analyses are also carried out, in different cycles and operating conditions, to verify the potential of these devices in terms of refrigerating capabilities. At the same time, a 1D and 2D computational studies of the multiphysics of EFD phenomena are analysed to correlate the experimental data and optimize the studied technologies through modeling. Finally, reliability and viability studies are developed to determine the useful life of these systems and to approach industrialisation. This PhD Thesis has been funded by “CEDRION C.T.I. S.L” and by the “Consejería de Investigación y Educación”, now “Consejería de Ciencia, Universidades e Innovación", through an industrial doctoral scholarship and related research project within the “Programa de Doctorados Industriales, Comunidad Autónoma de Madrid”, reference: IND2017/IND-7799, carried out together with Universidad Politécnica de Madrid. ----------RESUMEN---------- En las últimas décadas, diversas áreas de la industria se han centrado en el desarrollo de componentes electrónicos más compactos. Como consecuencia, existe una creciente necesidad de dispositivos microelectrónicos, cuyo alto grado de integración y dimensiones mínimas conducen a productos y sistemas de ingeniería extremadamente ligeros y eficientes. Sin embargo, una generación excesiva de calor es inherente a los requisitos y ventajas mencionados, lo que afecta directamente a la fiabilidad, el rendimiento y el costo de los dispositivos electrónicos. Por estas razones, es necesario que estos avances tecnológicos se potencen mediante sistemas de refrigeración, que pueden considerarse críticos para el avance industrial en varias áreas. Los sistemas de refrigeración electrónica normalmente han recurrido al uso de ventiladores, disipadores de calor o caloductos. Estos sistemas convencionales han sido aceptados hasta ahora porque constituyen una tecnología madura, barata y eficiente. Sin embargo, a pesar de ser sistemas altamente competentes, el gran avance en microelectrónica requiere nuevos sistemas de enfriamiento que sean capaces de transferir esta cantidad de calor para mantener la vida útil y el rendimiento de los componentes. Además, el crecimiento de la microelectrónica implica que los nuevos sistemas sean lo suficientemente pequeños y silenciosos. Actualmente, el sector aeroespacial, debido a la incorporación de un gran número de circuitos electrónicos embarcados, se enfrenta a importantes y cada vez mayores desafíos de disipación de calor, que pueden afectar a la fiabilidad y la seguridad si no se gestionan adecuadamente. Por lo tanto, el funcionamiento impecable de los sistemas de refrigeración es clave para una mejora en el rendimiento general de los sistemas integrados. El objetivo central de esta tesis doctoral es la investigación y el desarrollo industrial de tecnologías y sistemas de refrigeración alternativos y avanzados basados en principios electro-fluido-dinámicos aplicados a los dispositivos de refrigeración. La electrodinámica de fluidos (EDF), también conocida como electro-hidrodinámica (EHD) y electrocinética, es un campo de estudio que se ocupa de la dinámica de fluidos cargados eléctricamente, con los movimientos de partículas y moléculas ionizadas y con sus interacciones con fluidos y sólidos circundantes. Normalmente, en las tecnologías EDF, la aplicación de un elevado campo eléctrico genera la formación de plasma no térmico que induce la creación de especies reactivas, que se guían en la dirección del campo eléctrico. Esto produce un flujo llamado "viento iónico", que se puede utilizar para la transferencia de calor, entre otras aplicaciones. La hipótesis de conducción considera los sistemas EFD como una posible solución a los problemas actuales en los sistemas de refrigeración tradicionales. En este trabajo de investigación, se estudian y desarrollan industrialmente electrodos innovadores y configuraciones de electrodos. Se diseñan, implementan, prueban, analizan y optimizan dos configuraciones del sistema EDF, una basada en una geometría de cable a plano (TRAID) y otra basada en una geometría de cable a dos planos paralelos (EMBID). Se realizan diferentes estudios para caracterizar, modelar y optimizar el rendimiento de estos sistemas, combinando métodos experimentales y computacionales. En primer lugar, los dispositivos se evalúan mediante un banco de caracterización eléctrica de alta tensión, donde se obtienen las curvas características de tensión-corriente (CVCCs). También se realizan análisis aerodinámicos y térmicos, en diferentes ciclos y condiciones de funcionamiento, para verificar el potencial de estos dispositivos en términos de capacidades de refrigeración. Al mismo tiempo, se analizan estudios computacionales 1D y 2D de la multifísica de los fenómenos EFD para correlacionar los datos experimentales y optimizar las tecnologías estudiadas a través del modelado. Finalmente, se desarrollan estudios de fiabilidad y viabilidad para determinar la vida útil de estos sistemas y abordar la industrialización. Esta tesis doctoral ha sido financiada por "CEDRION C.T.I. S.L" y la Consejería de Investigación y Educación, ahora "Consejería de Ciencia, Universidades e Innovación", a través de una beca de doctorado industrial y proyecto de investigación dentro del "Programa de Doctorados Industriales, Comunidad Autónoma de Madrid", referencia: IND2017/IND-7799, realizado conjuntamente con la Universidad Politécnica de Madrid.