Elektronik elemanların soğutulmasında mini kanallı blok içinde sıvı akışkan uygulamasının performans analizi

Abstract

Elektronik ekipmanların çalışma performansını olumsuz etkileyen fazla ısının atılması gelişen teknoloji, artan güç ve küçülen boyutlar dolayısıyla önemli bir teknolojik problemdir. Bu kapsamda mini kanallı sıvı soğutmalı soğutucu bloklar üzerine araştırma çalışmaları giderek artmaktadır. Soğutucu blokların yüksek ısı transferi performansına sahip olması beklenirken işletim maliyetleri açısından basınç düşümünün en az seviyede olması istenmektedir. Bu durum soğutucu bloğun tasarımında geometrik yapının istenen performans kriterlerine göre optimizasyonunu gerektirmektedir. Bu çalışmada 100 W/cm2 ısı akısı üreten bir yonganın soğutulması için kullanılacak 20 mm x 20 mm taban yüzey alanına sahip mini kanallı su soğutmalı bir bloğun tasarımında yüksek ısı transferi ve düşük basınç kayıpları için üç farklı malzeme ile laminer ve türbülanslı akış koşulları altında optimizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Çalışmada Taguchi ortogonal matrisinden yararlanılarak farklı malzemeler ve farklı kanal boyutlarında tasarlanan mini kanallı soğutucunun performansı Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) kullanılarak hesaplanmıştır. Optimizasyon değerlendirme ölçütü olarak basınç kaybı ve tabanda oluşan maksimum sıcaklığın en düşük olması göz önünde bulundurulmuştur. Her iki ölçütün birlikte değerlendirilmesi için Çok Yanıtlı Taguchi Analizinden yararlanılmıştır. Sıcaklık ve basınç kaybı değerlerine farklı ağırlık değerleri verilerek bulunan sonuçlar karşılaştırılmış ve yorumlanmıştır. Ayrıca bu yönteme ek olarak yeni bir değerlendirme formu geliştirilmiştir. Bu tez Tübitak tarafından desteklenen 5160107 numaralı proje kapsamındaki çalışmalardan hazırlanmıştır.

Excessive heat dissipation which adversely affects the working performance of electronic equipment, is an important technological problem due to developing liquidcooled mini-channel cooling blocks are gradually increasing. While it is expected that the cooling blocks is desired to have high heat transfer performance with a minimum pressure drop in terms of operating costs. This requires optimization of the geometric structure in the design of the cooling block according to the desired performance criteria. In this study, the design of a mini-channel water cooled block with a base surface area of 20 mm x 20 mm to be used for cooling a chip producing 100 W/cm2 heat flux, has been optimized under laminar and turbulent flow conditions with three different materials for high heat transfer and low pressure losses. The performance of the mini-channel cooling block, which is designed with different materials and different channel dimensions by utilizing the Taguchi orthogonal matrix, was investigated by using Computational Fluid Dynamics (CFD). As a criterion, the pressure loss and the maximum temperature at the base were taken into consideration. Since both criteria were taken into consideration, Multi Response Taguchi Analysis was used in the optimization. Temperature and pressure loss values were evaluated and optimized by the use of different weight values. In addition, a new assessment form was developed in addition to this method. This thesis is prepared from the studies within the scope of project number 5160107 supported by Tubitak.