Faz değiştiren madde-ilaveli ısı alıcılarla elektronik cihazların soğutulması
Electronics cooling using the phase change material-based heat sinks
Yazar: MUSTAFA YUSUF YAZICI
Danışman: DOÇ. DR. METE AVCI
Karadeniz Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Faz değiştiren madde (FDM)-ilaveli soğutma sistemleri, zaman bağımlı (sabit ısıl yük) veya periyodik ısıl yük altında çalışan elektronik ekipmanların termal kontrolü için önemli bir alternatif halini almıştır. Bu çalışmada, FDM - ilaveli ve -ilavesiz bir ısı alıcının termal performansı farklı eğim açıları (θ = 0° - 90°), kanatçık sayıları (n = 0 - 5) ve kanatçık genişlik oranları (S = 1 - 0) için sabit ısıl güç altında (16 W) deneysel olarak incelenmiştir. FDM olarak, n-eicosane kullanılmıştır. Isı alıcı düzenlemelerinin termal performans değerlendirmesi sıcaklık değişimleri ve katı/sıvı arayüzey ilerlemesi üzerinden sunulmuştur. FDM-ilavesiz ısı alıcı düzenlemeleri için güvenilir çalışma sürelerinin açısal konumdan bağımsız olarak kanatçık sayısının artışıyla önemli düzeyde iyileştiği (t = 2  6dk.); ancak, uygulama açısından yetersiz olduğu belirlenmiştir. FDM-ilaveli ısı alıcı düzenlemesi için ise, konum açısı, kanatçık sayısı ve kanatçık genişlik oranın FDM içerisindeki katı/sıvı arayüz ilerleme hızı ve ısı geçiş mekanizması ve çalışma süresi üzerinde önemli değişimlere neden olduğu gösterilmştir. n = 0 için konum açısının artışıyla (θ = 0° - 90°) çalışma süreleri % 553, θ = 0° için ise kanatçık sayısının (n = 1 - 5) artışıyla güvenilir çalışma süresi % 590 düzeyinde artmaktadır. Termal performans açısından, S = 1(sabit kesit) durumuna ait optimum konum açısı ve kanatçık sayısı, sırasıyla, θ = 60° ve n = 3 olarak belirlenmiştir. Kanatçık genişlik oranının azalmasıyla (n = 3, S = 1 - 0) güvenilir çalışma sürelerinin % 15 düzeyinde arttığı ve S = 1 ve n = 5 durumu ile aynı güvenilir çalışma süresi seviyesine ulaşıldığı ortaya konulmuştur.

Abstract:
Phase change material (PCM) – based cooling systems is a promising alternative for thermal management of electronic equipment subjected to transient (constant heat load) or periodic heat loads. In this study, the thermal performance of a heat sink with and without PCM depending several design parameters, namely, inclination angle (θ = 0° - 90°), fin number (n = 0 - 5), fin width ratio (S = 1 - 0) are investigated experimentally under a constant value of the heat load (16 W). PCM namely n-eicosane is adopted. Temperature history and solid-liquid interface positions are recorded to evaluate thermal performance of heat sink configurations. For heat sink arrangements without PCM, it is obtained that reliable operating time significantly enhances with an increase in the number of fins  independently of inclination angle, but it is insufficient for practice (t = 2  6 min.)For the PCM-based heat sink arrangement, it is found that the inclination angle, fin number and fin geometry cause important changes on the solid/liquid interface velocity and heat transfer mode within PCM domain and the operating time. With increasing inclination angle (θ = 0° - 90°) for n = 0, the reliable operating times increased by 553 %, and for the θ = 0°, the operating time augmented with 590 % increase with the increasing number of fins (n = 0 - 5). In the sense of thermal performance, the optimal inclination angle and the number of fin for the case of S = 1 (constant section) are found θ = 60° and n = 3, respectively. It is also revealed that reliable operating time increased by 15 % with the decrease of the fin widths' ratio (n = 3, S = 1 - 0), which is at the same level for S = 1 and n = 5 case.