Experimental and numerical investigation of dynamic phase change materials on finned heat sinks: combined effect of fin geometry and applied thermal load

Phase change materials (PCMs) are promising solutions for transient thermal management due to their high latent heat of fusion. However, in conventional PCM-based systems, the progressive growth of the liquid layer during melting increases the thermal resistance between the heat source and the phase-change interface, limiting heat transfer performance over time. Dynamic phase change materials (dynPCMs) address this limitation by applying an external load to the solid PCM, promoting the continuous drainage of the melted phase and maintaining a thin liquid layer close to the heated surface. In this framework, both the operating conditions and the geometry of the heat transfer surface play a key role in determining the thermal response of the system. This thesis presents an experimental and numerical investigation of a dynPCM thermal management system using Rubitherm RT55 and copper heat sinks with three surface configurations, aimed at evaluating the combined effects of heating power, applied load, and fin geometry on thermal behavior. Experimental results show that finned surfaces generally reduced operating temperatures compared to the flat configuration although their relative performance depended on the load and power applied. In particular, increasing the applied load tends to favor the configuration with fewer fins and larger spacing, highlighting the non-trivial interplay between fin arrangement, melt-layer behavior, and external forcing. To support the experimental observations, a numerical model was developed to reproduce the thermal response of the different configurations under the investigated conditions. The combined experimental and numerical approach adopted in this work provides insight into the coupled effects of fin arrangement and applied load, offering useful design guidelines for compact latent-heat thermal management applications.

I materiali a cambiamento di fase (PCMs) rappresentano una soluzione promettente per la gestione termica transitoria grazie all’elevato calore latente di fusione. Tuttavia, nei sistemi convenzionali basati su PCM, la progressiva crescita dello strato liquido durante la fusione aumenta la resistenza termica tra la sorgente di calore e l’interfaccia di cambiamento di fase, limitando nel tempo le prestazioni di trasferimento termico. I materiali a cambiamento di fase dinamici (dynPCMs) affrontano questa limitazione mediante l’applicazione di un carico esterno sul PCM solido, favorendo il drenaggio continuo della fase fusa e mantenendo sottile lo strato liquido in prossimità della superficie riscaldata. In questo contesto, sia le condizioni operative sia la geometria della superficie di scambio termico svolgono un ruolo fondamentale nel determinare la risposta termica del sistema. Questa tesi presenta uno studio sperimentale e numerico di un sistema di gestione termica basato su dynPCM, utilizzando la paraffina commerciale RUBITHERM RT55 e tre configurazioni di superfici in rame, con l’obiettivo di valutare gli effetti combinati della potenza termica, del carico applicato e della geometria delle alette sul comportamento termico del sistema. I risultati sperimentali mostrano che le superfici alettate consentono generalmente di ottenere temperature di esercizio inferiori rispetto alla configurazione piana, sebbene le loro prestazioni relative dipendano dal carico e dalla potenza applicati. In particolare, l’aumento del carico applicato tende a favorire la configurazione caratterizzata da un minor numero di alette e da una maggiore spaziatura tra di esse, evidenziando la complessa interazione tra disposizione delle alette, comportamento dello strato liquido e carico esterno. A supporto delle osservazioni sperimentali, è stato sviluppato un modello numerico in grado di riprodurre la risposta termica delle diverse configurazioni nelle condizioni investigate. L’approccio integrato sperimentale e numerico adottato in questo lavoro consente di approfondire gli effetti combinati della disposizione delle alette e del carico applicato, fornendo indicazioni utili per la progettazione di sistemi compatti di gestione termica basati sull’accumulo di calore latente.