Learning Centre

Suitability of a thermosyphon heat exchanger for cooling of power electronic components

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Jauhonen, Roman
dc.contributor.author Rumpunen, Anna
dc.date.accessioned 2015-05-13T07:56:22Z
dc.date.available 2015-05-13T07:56:22Z
dc.date.issued 2015-03-23
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/15963
dc.description.abstract The development of power electronics continuously increases their power density and therefore creates challenges for their cooling. Conventional cooling methods, such as heatsinks, are no longer able to cope with the cooling of high heat densities, and therefore, new cooling methods are needed. Two-phase compact thermosyphon (COTHEX) cooling allows the cooling of higher heat densities without having to resort to using pumps. The standard COTHEX technology, however, cannot replace heatsinks due to their structure because it does not match with the cuboid shape of a heatsink. This thesis focuses on designing a thermosyphon concept for power electronics cooling that can replace a heatsink without the need to redesign the products in which they are installed. In this thesis, three thermosyphon based cooling elements were designed, and their structures were optimized to provide as effective cooling as possible with thermal simulation. The thermal performances of the optimized elements and a conventional heatsink of same size were then compared to determine the solution which most effectively transfers heat. The best thermosyphon cooling method was selected, and its features were studied in more detail. The most suitable thermosyphon cooling element substantially improved the cooling of the power electronic device, semiconductor, compared to a conventional heatsink of the same size. The selected thermosyphon construction was able to cool more effectively than the conventional heatsink at higher heat loads, higher surrounding temperatures and with lower air flows. The construction generates lower pressure drop and therefore allows higher air flow rates pass the finned structure of the cooling element. The coolant circulation enables stable heat distribution to the whole area of the baseplate in which the semiconductor is attached. Thus, thermosyphon technology provides heat transfer at the baseplate at a constant temperature, which offers many benefits. For example, even temperature distribution has a positive effect on the aging of semiconductor chips. This thesis developed a new thermosyphon type and analysed its thermal performance. The new thermosyphon gave such positive results that it is highly recommended to replace conventional heatsinks with thermosyphon technology in power electronics cooling. en
dc.description.abstract Tehoelektroniikan tehointensiteetti kasvaa jatkuvasti tekniikan kehittyessä mikä luo paineita tehoelektroniikan jäähdytykselle. Nykyisenä jäähdytysteknologiana käytetyt ripajäähdytteiset jäähdytyslevyt eivät enää kykene jäähdyttämään tarpeeksi tehokkaasti tehoelektronisia komponentteja ja siksi tarvitaan uusia jäähdytysmetodeja. Kompaktit faasimuutoslämmönvaihtimet (COTHEX) eli termosifonit mahdollistavat tehokkaamman jäähdytyksen ilman pumppuja. Jo käytössä oleva termosifonitekniikka ei kuitenkaan suoraan sovellu korvaamaan nykyisiä jäähdytyslevyjä, koska niiden muoto eroaa vahvasti suorakulmaisen särmiön muotoisista jäähdytyslevyistä. Tässä työssä suunnitellaan sellainen termosifonikonsepti tehoelektroniikan jäähdyttämiseen, joka voi korvata jäähdytyslevyn ilman että tuotetta, jonka sisälle se on asetettu, pitää muotoilla vahvasti uudelleen. Työhön ideoitiin kolme erilaista termosifonitekniikalla toimivaa jäähdytyselementtiä ja niiden rakenne optimoitiin lämpöteknisesti lämpösimulointiohjelmien avulla. Optimoitujen jäähdytyselementtien ja samankokoisen jäähdytyslevyn jäähdytystehoja verrattiin keskenään, jotta löydettäisiin tehokkain tapa siirtää lämpöä pois tehoelektronisesta komponentista. Paras termosifonitekniikalla toimiva elementti valittiin voittajakonseptiksi ja sen lämmönsiirrollisia piirteitä tutkittiin tarkemmin. Elementti paransi tehoelektronisen komponentin, puolijohdemoduulin, jäähdytystä merkittävästi, kun sitä verrattiin samankokoiseen jäähdytyslevyyn. Valittu termosifonirakenne jäähdytti paremmin niin korkeammissa lämpökuormissa ja ympäristön lämpötiloissa, kuin matalammissa jäähdytysilmamäärissä. Se tuottaa vähemmän vastapainetta ja siten päästää enemmän ilmaa lauhduttimen läpi perinteiseen jäähdytyslevyyn verrattuna. Termosifonin jäähdytysnesteen kierto mahdollistaa tasaisemman lämmön jakautumisen pohjalevyyn, johon puolijohdemoduuli on kiinnitettynä. Siten lämpötilajakauma pohjalevyssä on myös tasaisempi, mikä on todella toivottavaa puolijohteita käytettäessä. Termosifonitekniikan mahdollistama tasaisempi lämpötilajakauma pohjalevyssä esimerkiksi lisää puolijohteen käyttöikää. Tässä tutkimuksessa keksittiin uusi termosifonirakenne ja sen jäähdytyskykyä tutkittiin. Se tuotti merkittäviä parannuksia puolijohteiden lämmönsiirrossa, joten on hyvin suositeltavaa soveltaa lämpösifonitekniikkaa tehoelektroniikan jäähdytyksessä jäähdytyslevyjen korvaamiseksi. fi
dc.format.extent 102 + 1
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.title Suitability of a thermosyphon heat exchanger for cooling of power electronic components en
dc.title Faasimuutoslämmönvaihtimen soveltuvuus tehoelektroniikkakomponenttien jäähdytykseen fi
dc.type G2 Pro gradu, diplomityö en
dc.contributor.school Insinööritieteiden korkeakoulu fi
dc.subject.keyword thermosyphon en
dc.subject.keyword power electronics en
dc.subject.keyword cooling en
dc.subject.keyword phase transition en
dc.subject.keyword heatsink en
dc.subject.keyword heat exchanger en
dc.identifier.urn URN:NBN:fi:aalto-201505132622
dc.programme.major Energiatekniikka fi
dc.programme.mcode K3007 fi
dc.type.ontasot Master's thesis en
dc.type.ontasot Diplomityö fi
dc.contributor.supervisor Ahtila, Pekka
dc.programme Energia- ja LVI-tekniikan koulutusohjelma fi
local.aalto.openaccess yes
dc.rights.accesslevel openAccess
local.aalto.idinssi 51264
dc.type.publication masterThesis
dc.type.okm G2 Pro gradu, diplomityö


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse