Transport and mixing enhancement in fluid-thermal microsystems

En esta tesis se investiga de forma experimental el transporte pasivo de magnitudes físicas en micro-sistemas con carácter de inmediata aplicación industrial, usando métodos innovadores para mejorar la eficiencia de los mismos optimizando parámetros críticos del diseño o encontrar nuevos destinos de posible aplicación. Parte de los resultados obtenidos en estos experimentos han sido publicados en revistas con un índice de impacto tal que pertenecen al primer cuarto del JCR. Primero de todo se ha analizado el efecto que produce en un intercambiador de calor basado en micro-canales el hecho de dejar un espacio entre canales y tapa superior para la interconexión de los mismos. Esto genera efectos tridimensionales que mejoran la exracción de calor del intercambiador y reducen la caída de presión que aparece por el transcurso del fluido a través de los micro-canales, lo que tiene un gran impacto en la potencia que ha de suministrar la bomba de refrigerante. Se ha analizado también la mejora producida en términos de calor disipado de un micro-procesador refrigerado con un ampliamente usado plato de aletas al implementar en éste una cámara de vapor que almacena un fluido bifásico. Se ha desarrollado de forma paralela un modelo numérico para optimizar las nuevas dimensiones del plato de aletas modificado compatibles con una serie de requerimientos de diseño en el que tanto las dimensiones como el peso juegan un papel esencial. Por otro lado, se han estudiado los fenomenos fluido-dinámicos que aparecen aguas abajo de un cuerpo romo en el seno de un fluido fluyendo por un canal con una alta relación de bloqueo. Los resultados de este estudio confirman, de forma experimental, la existencia de un régimen intermedio, caracterizado por el desarrollo de una burbuja de recirculación oscilante entre los regímenes, bien diferenciados, de burbuja de recirculación estacionaria y calle de torbellinos de Karman, como función del número de Reynolds del flujo incidente. Para la obtención, análisis y post-proceso de los datos, se ha contado con la ayuda de un sistema de Velocimetría por Imágenes de Partículas (PIV). Finalmente y como adición a este último punto, se ha estudiado las vibraciones de un cuerpo romo producidas por el desprendimiento de torbellinos en un canal de alta relación de bloqueo con la base obtenida del estudio anterior. El prisma se mueve con un movimiento armónico simple para un intervalo de números de Reynolds y este movimiento se transforma en vibración alrededor de su eje a partir de un ciero número de Reynolds. En relación al fluido, el régimen de desprendimiento de torbellinos se alcanza a menores números de Reynolds que en el caso de tener el cuerpo romo fijo. Uniendo estos dos registros de movimientos y variando la relación de masas entre prisma y fluido se obtiene un mapa con diferentes estados globales del sistema. Esto no solo tiene aplicación como método para promover el mezclado sino también como método para obtener energía a partir del movimiento del cuerpo en el seno del fluido. Abstract In this thesis, experimental research focused on passive scalar transport is performed in micro-systems with marked sense of industrial application, using innovative methods in order to obtain better performances optimizing critical design parameters or finding new utilities. Part of the results obtained in these experiments have been published into high impact factor journals belonged to the first quarter of the Journal Citation Reports (JCR). First of all the effect of tip clearance in a micro-channel based heat sink is analyzed. Leaving a gap between channels and top cover, letting the channels communicate each other causes three-dimensional effects which improve the heat transfer between fluid and heat sink and also reducing the pressure drop caused by the fluid passing through the micro-channels which has a great impact on the total cooling pumping power needed. It is also analyzed the enhancement produced in terms of dissipated heat in a micro-processor cooling system by improving the predominantly used fin plate with a vapour chamber based heat spreader which contains a two-phase fluid inside. It has also been developed at the same time a numerical model to optimize the new fin plate dimensions compatible with a series of design requirements in which both size and wight plays a very restrictive role. On the other hand, fluid-dynamics phenomena that appears downstream of a bluff body in the bosom of a fluid flow with high blockage ratio has been studied. This research experimentally confirms the existence of an intermediate regime characterized by an oscillating closed recirculation bubble intermediate regime between the steady closed recirculation bubble regime and the vortex shedding regime (Karman street like regime) as a function of the incoming flow Reynolds number. A particle image velocimetry technique (PIV) has been used in order to obtain, analyze and post-process the fluid-dynamic data. Finally and as an addition to the last point, a study on the vortexinduced vibrations (VIV) of a bluff body inside a high blockage ratio channel has been carried out taking advantage of the results obtained with the fixed square prism. The prism moves with simple harmonic motion for a Reynolds number interval and this movement becomes vibrational around its axial axis after overcoming at definite Reynolds number. Regarding the fluid, vortex shedding regime is reached at Reynolds numbers lower than the previous critical ones. Merging both movement spectra and varying the square prism to fluid mass ratio, a map with different global states is reached. This is not only applicable as a mixing enhancement technique but as an energy harvesting method.

Thermal, stress, and traps effects in AlGaN/GaN HEMTs

GaN y AlN son materiales semiconductores piezoeléctricos del grupo III-V. La heterounión AlGaN/GaN presenta una elevada carga de polarización tanto piezoeléctrica como espontánea en la intercara, lo que genera en su cercanía un 2DEG de grandes concentración y movilidad. Este 2DEG produce una muy alta potencia de salida, que a su vez genera una elevada temperatura de red. Las tensiones de puerta y drenador provocan un stress piezoeléctrico inverso, que puede afectar a la carga de polarización piezoeléctrica y así influir la densidad 2DEG y las características de salida. Por tanto, la física del dispositivo es relevante para todos sus aspectos eléctricos, térmicos y mecánicos. En esta tesis se utiliza el software comercial COMSOL, basado en el método de elementos finitos (FEM), para simular el comportamiento integral electro-térmico, electro-mecánico y electro-térmico-mecánico de los HEMTs de GaN. Las partes de acoplamiento incluyen el modelo de deriva y difusión para el transporte electrónico, la conducción térmica y el efecto piezoeléctrico. Mediante simulaciones y algunas caracterizaciones experimentales de los dispositivos, hemos analizado los efectos térmicos, de deformación y de trampas. Se ha estudiado el impacto de la geometría del dispositivo en su auto-calentamiento mediante simulaciones electro-térmicas y algunas caracterizaciones eléctricas. Entre los resultados más sobresalientes, encontramos que para la misma potencia de salida la distancia entre los contactos de puerta y drenador influye en generación de calor en el canal, y así en su temperatura. El diamante posee une elevada conductividad térmica. Integrando el diamante en el dispositivo se puede dispersar el calor producido y así reducir el auto-calentamiento, al respecto de lo cual se han realizado diversas simulaciones electro-térmicas. Si la integración del diamante es en la parte superior del transistor, los factores determinantes para la capacidad disipadora son el espesor de la capa de diamante, su conductividad térmica y su distancia a la fuente de calor. Este procedimiento de disipación superior también puede reducir el impacto de la barrera térmica de intercara entre la capa adaptadora (buffer) y el substrato. La muy reducida conductividad eléctrica del diamante permite que pueda contactar directamente el metal de puerta (muy cercano a la fuente de calor), lo que resulta muy conveniente para reducir el auto-calentamiento del dispositivo con polarización pulsada. Por otra parte se simuló el dispositivo con diamante depositado en surcos atacados sobre el sustrato como caminos de disipación de calor (disipador posterior). Aquí aparece una competencia de factores que influyen en la capacidad de disipación, a saber, el surco atacado contribuye a aumentar la temperatura del dispositivo debido al pequeño tamaño del disipador, mientras que el diamante disminuiría esa temperatura gracias a su elevada conductividad térmica. Por tanto, se precisan capas de diamante relativamente gruesas para reducer ele efecto de auto-calentamiento. Se comparó la simulación de la deformación local en el borde de la puerta del lado cercano al drenador con estructuras de puerta estándar y con field plate, que podrían ser muy relevantes respecto a fallos mecánicos del dispositivo. Otras simulaciones se enfocaron al efecto de la deformación intrínseca de la capa de diamante en el comportamiento eléctrico del dispositivo. Se han comparado los resultados de las simulaciones de la deformación y las características eléctricas de salida con datos experimentales obtenidos por espectroscopía micro-Raman y medidas eléctricas, respectivamente. Los resultados muestran el stress intrínseco en la capa producido por la distribución no uniforme del 2DEG en el canal y la región de acceso. Además de aumentar la potencia de salida del dispositivo, la deformación intrínseca en la capa de diamante podría mejorar la fiabilidad del dispositivo modulando la deformación local en el borde de la puerta del lado del drenador. Finalmente, también se han simulado en este trabajo los efectos de trampas localizados en la superficie, el buffer y la barrera. Las medidas pulsadas muestran que tanto las puertas largas como las grandes separaciones entre los contactos de puerta y drenador aumentan el cociente entre la corriente pulsada frente a la corriente continua (lag ratio), es decir, disminuir el colapse de corriente (current collapse). Este efecto ha sido explicado mediante las simulaciones de los efectos de trampa de superficie. Por su parte, las referidas a trampas en el buffer se enfocaron en los efectos de atrapamiento dinámico, y su impacto en el auto-calentamiento del dispositivo. Se presenta también un modelo que describe el atrapamiento y liberación de trampas en la barrera: mientras que el atrapamiento se debe a un túnel directo del electrón desde el metal de puerta, el desatrapamiento consiste en la emisión del electrón en la banda de conducción mediante túnel asistido por fonones. El modelo también simula la corriente de puerta, debida a la emisión electrónica dependiente de la temperatura y el campo eléctrico. Además, también se ilustra la corriente de drenador dependiente de la temperatura y el campo eléctrico. ABSTRACT GaN and AlN are group III-V piezoelectric semiconductor materials. The AlGaN/GaN heterojunction presents large piezoelectric and spontaneous polarization charge at the interface, leading to high 2DEG density close to the interface. A high power output would be obtained due to the high 2DEG density and mobility, which leads to elevated lattice temperature. The gate and drain biases induce converse piezoelectric stress that can influence the piezoelectric polarization charge and further influence the 2DEG density and output characteristics. Therefore, the device physics is relevant to all the electrical, thermal, and mechanical aspects. In this dissertation, by using the commercial finite-element-method (FEM) software COMSOL, we achieved the GaN HEMTs simulation with electro-thermal, electro-mechanical, and electro-thermo-mechanical full coupling. The coupling parts include the drift-diffusion model for the electron transport, the thermal conduction, and the piezoelectric effect. By simulations and some experimental characterizations, we have studied the device thermal, stress, and traps effects described in the following. The device geometry impact on the self-heating was studied by electro-thermal simulations and electrical characterizations. Among the obtained interesting results, we found that, for same power output, the distance between the gate and drain contact can influence distribution of the heat generation in the channel and thus influence the channel temperature. Diamond possesses high thermal conductivity. Integrated diamond with the device can spread the generated heat and thus potentially reduce the device self-heating effect. Electro-thermal simulations on this topic were performed. For the diamond integration on top of the device (top-side heat spreading), the determinant factors for the heat spreading ability are the diamond thickness, its thermal conductivity, and its distance to the heat source. The top-side heat spreading can also reduce the impact of thermal boundary resistance between the buffer and the substrate on the device thermal behavior. The very low electrical conductivity of diamond allows that it can directly contact the gate metal (which is very close to the heat source), being quite convenient to reduce the self-heating for the device under pulsed bias. Also, the diamond coated in vias etched in the substrate as heat spreading path (back-side heat spreading) was simulated. A competing mechanism influences the heat spreading ability, i.e., the etched vias would increase the device temperature due to the reduced heat sink while the coated diamond would decrease the device temperature due to its higher thermal conductivity. Therefore, relative thick coated diamond is needed in order to reduce the self-heating effect. The simulated local stress at the gate edge of the drain side for the device with standard and field plate gate structure were compared, which would be relevant to the device mechanical failure. Other stress simulations focused on the intrinsic stress in the diamond capping layer impact on the device electrical behaviors. The simulated stress and electrical output characteristics were compared to experimental data obtained by micro-Raman spectroscopy and electrical characterization, respectively. Results showed that the intrinsic stress in the capping layer caused the non-uniform distribution of 2DEG in the channel and the access region. Besides the enhancement of the device power output, intrinsic stress in the capping layer can potentially improve the device reliability by modulating the local stress at the gate edge of the drain side. Finally, the surface, buffer, and barrier traps effects were simulated in this work. Pulsed measurements showed that long gates and distances between gate and drain contact can increase the gate lag ratio (decrease the current collapse). This was explained by simulations on the surface traps effect. The simulations on buffer traps effects focused on illustrating the dynamic trapping/detrapping in the buffer and the self-heating impact on the device transient drain current. A model was presented to describe the trapping and detrapping in the barrier. The trapping was the electron direct tunneling from the gate metal while the detrapping was the electron emission into the conduction band described by phonon-assisted tunneling. The reverse gate current was simulated based on this model, whose mechanism can be attributed to the temperature and electric field dependent electron emission in the barrier. Furthermore, the mechanism of the device bias via the self-heating and electric field impact on the electron emission and the transient drain current were also illustrated.

Variable-density jet flows induced by concentrated sources of momentum and energy

The planar and axisymmetric variable-density flows induced in a quiescent gas by a concentrated source of momentum that is simultaneously either a source or a sink of energy are investigated for application to the description of the velocity and temperature far fields in laminar gaseous jets with either large or small values of the initial jet-to-ambient temperature ratio. The source fluxes of momentum and heat are used to construct the characteristic scales of velocity and length in the region where the density differences are of the order of the ambient density, which is slender for the large values of the Reynolds number considered herein. The problem reduces to the integration of the dimensionless boundary-layer conservation equations, giving a solution that depends on the gas transport properties but is otherwise free of parameters. The boundary conditions at the jet exit for integration are obtained by analysing the self-similar flow that appears near the heat source in planar and axisymmetric configurations and also near the heat sink in the planar case. Numerical integrations of the boundary-layer equations with these conditions give solutions that describe accurately the velocity and temperature fields of very hot planar and round jets and also of very cold plane jets in the far field region where the density and temperature differences are comparable to the ambient values. Simple scaling arguments indicate that the point source description does not apply, however, to cold round jets, whose far field region is not large compared with the jet development region, as verified by numerical integrations

High power beam dump project for the accelerator prototype LIPAc: Cooling design and analysis

En el campo de la fusión nuclear y desarrollándose en paralelo a ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), el proyecto IFMIF (International Fusion Material Irradiation Facility) se enmarca dentro de las actividades complementarias encaminadas a solucionar las barreras tecnológicas que aún plantea la fusión. En concreto IFMIF es una instalación de irradiación cuya misión es caracterizar materiales resistentes a condiciones extremas como las esperadas en los futuros reactores de fusión como DEMO (DEMOnstration power plant). Consiste de dos aceleradores de deuterones que proporcionan un haz de 125 mA y 40 MeV cada uno, que al colisionar con un blanco de litio producen un flujo neutrónico intenso (1017 neutrones/s) con un espectro similar al de los neutrones de fusión [1], [2]. Dicho flujo neutrónico es empleado para irradiar los diferentes materiales candidatos a ser empleados en reactores de fusión, y las muestras son posteriormente examinadas en la llamada instalación de post-irradiación. Como primer paso en tan ambicioso proyecto, una fase de validación y diseño llamada IFMIFEVEDA (Engineering Validation and Engineering Design Activities) se encuentra actualmente en desarrollo. Una de las actividades contempladas en esta fase es la construcción y operación de una acelarador prototipo llamado LIPAc (Linear IFMIF Prototype Accelerator). Se trata de un acelerador de deuterones de alta intensidad idéntico a la parte de baja energía de los aceleradores de IFMIF. Los componentes del LIPAc, que será instalado en Japón, son suministrados por diferentes países europeos. El acelerador proporcionará un haz continuo de deuterones de 9 MeV con una potencia de 1.125 MW que tras ser caracterizado con diversos instrumentos deberá pararse de forma segura. Para ello se requiere un sistema denominado bloque de parada (Beam Dump en inglés) que absorba la energía del haz y la transfiera a un sumidero de calor. España tiene el compromiso de suministrar este componente y CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas) es responsable de dicha tarea. La pieza central del bloque de parada, donde se para el haz de iones, es un cono de cobre con un ángulo de 3.5o, 2.5 m de longitud y 5 mm de espesor. Dicha pieza está refrigerada por agua que fluye en su superficie externa por el canal que se forma entre el cono de cobre y otra pieza concéntrica con éste. Este es el marco en que se desarrolla la presente tesis, cuyo objeto es el diseño del sistema de refrigeración del bloque de parada del LIPAc. El diseño se ha realizado utilizando un modelo simplificado unidimensional. Se han obtenido los parámetros del agua (presión, caudal, pérdida de carga) y la geometría requerida en el canal de refrigeración (anchura, rugosidad) para garantizar la correcta refrigeración del bloque de parada. Se ha comprobado que el diseño permite variaciones del haz respecto a la situación nominal siendo el flujo crítico calorífico al menos 2 veces superior al nominal. Se han realizado asimismo simulaciones fluidodinámicas 3D con ANSYS-CFX en aquellas zonas del canal de refrigeración que lo requieren. El bloque de parada se activará como consecuencia de la interacción del haz de partículas lo que impide cualquier cambio o reparación una vez comenzada la operación del acelerador. Por ello el diseño ha de ser muy robusto y todas las hipótesis utilizadas en la realización de éste deben ser cuidadosamente comprobadas. Gran parte del esfuerzo de la tesis se centra en la estimación del coeficiente de transferencia de calor que es determinante en los resultados obtenidos, y que se emplea además como condición de contorno en los cálculos mecánicos. Para ello por un lado se han buscado correlaciones cuyo rango de aplicabilidad sea adecuado para las condiciones del bloque de parada (canal anular, diferencias de temperatura agua-pared de decenas de grados). En un segundo paso se han comparado los coeficientes de película obtenidos a partir de la correlación seleccionada (Petukhov-Gnielinski) con los que se deducen de simulaciones fluidodinámicas, obteniendo resultados satisfactorios. Por último se ha realizado una validación experimental utilizando un prototipo y un circuito hidráulico que proporciona un flujo de agua con los parámetros requeridos en el bloque de parada. Tras varios intentos y mejoras en el experimento se han obtenido los coeficientes de película para distintos caudales y potencias de calentamiento. Teniendo en cuenta la incertidumbre de las medidas, los valores experimentales concuerdan razonablemente bien (en el rango de 15%) con los deducidos de las correlaciones. Por motivos radiológicos es necesario controlar la calidad del agua de refrigeración y minimizar la corrosión del cobre. Tras un estudio bibliográfico se identificaron los parámetros del agua más adecuados (conductividad, pH y concentración de oxígeno disuelto). Como parte de la tesis se ha realizado asimismo un estudio de la corrosión del circuito de refrigeración del bloque de parada con el doble fin de determinar si puede poner en riesgo la integridad del componente, y de obtener una estimación de la velocidad de corrosión para dimensionar el sistema de purificación del agua. Se ha utilizado el código TRACT (TRansport and ACTivation code) adaptándalo al caso del bloque de parada, para lo cual se trabajó con el responsable (Panos Karditsas) del código en Culham (UKAEA). Los resultados confirman que la corrosión del cobre en las condiciones seleccionadas no supone un problema. La Tesis se encuentra estructurada de la siguiente manera: En el primer capítulo se realiza una introducción de los proyectos IFMIF y LIPAc dentro de los cuales se enmarca esta Tesis. Además se describe el bloque de parada, siendo el diseño del sistema de rerigeración de éste el principal objetivo de la Tesis. En el segundo y tercer capítulo se realiza un resumen de la base teórica así como de las diferentes herramientas empleadas en el diseño del sistema de refrigeración. El capítulo cuarto presenta los resultados del relativos al sistema de refrigeración. Tanto los obtenidos del estudio unidimensional, como los obtenidos de las simulaciones fluidodinámicas 3D mediante el empleo del código ANSYS-CFX. En el quinto capítulo se presentan los resultados referentes al análisis de corrosión del circuito de refrigeración del bloque de parada. El capítulo seis se centra en la descripción del montaje experimental para la obtención de los valores de pérdida de carga y coeficiente de transferencia del calor. Asimismo se presentan los resultados obtenidos en dichos experimentos. Finalmente encontramos un capítulo de apéndices en el que se describen una serie de experimentos llevados a cabo como pasos intermedios en la obtención del resultado experimental del coeficiente de película. También se presenta el código informático empleado para el análisis unidimensional del sistema de refrigeración del bloque de parada llamado CHICA (Cooling and Heating Interaction and Corrosion Analysis). ABSTRACT In the nuclear fusion field running in parallel to ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) as one of the complementary activities headed towards solving the technological barriers, IFMIF (International Fusion Material Irradiation Facility) project aims to provide an irradiation facility to qualify advanced materials resistant to extreme conditions like the ones expected in future fusion reactors like DEMO (DEMOnstration Power Plant). IFMIF consists of two constant wave deuteron accelerators delivering a 125 mA and 40 MeV beam each that will collide on a lithium target producing an intense neutron fluence (1017 neutrons/s) with a similar spectra to that of fusion neutrons [1], [2]. This neutron flux is employed to irradiate the different material candidates to be employed in the future fusion reactors, and the samples examined after irradiation at the so called post-irradiative facilities. As a first step in such an ambitious project, an engineering validation and engineering design activity phase called IFMIF-EVEDA (Engineering Validation and Engineering Design Activities) is presently going on. One of the activities consists on the construction and operation of an accelerator prototype named LIPAc (Linear IFMIF Prototype Accelerator). It is a high intensity deuteron accelerator identical to the low energy part of the IFMIF accelerators. The LIPAc components, which will be installed in Japan, are delivered by different european countries. The accelerator supplies a 9 MeV constant wave beam of deuterons with a power of 1.125 MW, which after being characterized by different instruments has to be stopped safely. For such task a beam dump to absorb the beam energy and take it to a heat sink is needed. Spain has the compromise of delivering such device and CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas) is responsible for such task. The central piece of the beam dump, where the ion beam is stopped, is a copper cone with an angle of 3.5o, 2.5 m long and 5 mm width. This part is cooled by water flowing on its external surface through the channel formed between the copper cone and a concentric piece with the latter. The thesis is developed in this realm, and its objective is designing the LIPAc beam dump cooling system. The design has been performed employing a simplified one dimensional model. The water parameters (pressure, flow, pressure loss) and the required annular channel geometry (width, rugoisty) have been obtained guaranteeing the correct cooling of the beam dump. It has been checked that the cooling design allows variations of the the beam with respect to the nominal position, being the CHF (Critical Heat Flux) at least twice times higher than the nominal deposited heat flux. 3D fluid dynamic simulations employing ANSYS-CFX code in the beam dump cooling channel sections which require a more thorough study have also been performed. The beam dump will activateasaconsequenceofthe deuteron beam interaction, making impossible any change or maintenance task once the accelerator operation has started. Hence the design has to be very robust and all the hypotheses employed in the design mustbecarefully checked. Most of the work in the thesis is concentrated in estimating the heat transfer coefficient which is decisive in the obtained results, and is also employed as boundary condition in the mechanical analysis. For such task, correlations which applicability range is the adequate for the beam dump conditions (annular channel, water-surface temperature differences of tens of degrees) have been compiled. In a second step the heat transfer coefficients obtained from the selected correlation (Petukhov- Gnielinski) have been compared with the ones deduced from the 3D fluid dynamic simulations, obtaining satisfactory results. Finally an experimental validation has been performed employing a prototype and a hydraulic circuit that supplies a flow with the requested parameters in the beam dump. After several tries and improvements in the experiment, the heat transfer coefficients for different flows and heating powers have been obtained. Considering the uncertainty in the measurements the experimental values agree reasonably well (in the order of 15%) with the ones obtained from the correlations. Due to radiological reasons the quality of the cooling water must be controlled, hence minimizing the copper corrosion. After performing a bibligraphic study the most adequate water parameters were identified (conductivity, pH and dissolved oxygen concentration). As part of this thesis a corrosion study of the beam dump cooling circuit has been performed with the double aim of determining if corrosion can pose a risk for the copper beam dump , and obtaining an estimation of the corrosion velocitytodimension the water purification system. TRACT code(TRansport and ACTivation) has been employed for such study adapting the code for the beam dump case. For such study a collaboration with the code responsible (Panos Karditsas) at Culham (UKAEA) was established. The work developed in this thesis has supposed the publication of three articles in JCR journals (”Journal of Nuclear Materials” y ”Fusion Engineering and Design”), as well as presentations in more than four conferences and relevant meetings.