Ticari araçların yüksek akım güç devreleri içinpasif soğutucu tasarımı ve termal performans analizi
Passive cooler design and thermal performance analysis for high current power circuits of commercial vehicles
Yazar: HAMDİ YILDIZ
Danışman: DOÇ. DR. ZEKERİYA PARLAK
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Elektronik cihazların çağımızdaki hızlı gelişimi ve yaygın kullanımı, teknolojik ilerlemenin bir yansıması olarak öne çıkmaktadır. Özellikle endüstriyel sektörlerden tüketici elektroniğine kadar geniş bir yelpazede yaygınlaşan yüksek güç gerektiren elektronik devreler, bu gelişmenin önemli bir itici gücü haline gelmiştir. Bu devreler, enerji dönüşümü, kontrolü ve iletimi gibi kritik işlevleri yerine getirirler ve modern teknolojik altyapının temel taşlarından birini oluştururlar.
Yüksek güç gerektiren elektronik devrelerden birisi olan DC-DC dönüştürücüler, bir elektrik enerjisi dönüştürücüsü türüdür ve doğru akım (DC) kaynağından gelen elektrik enerjisini farklı bir gerilim seviyesine dönüştürürler. Bu dönüşüm işlemi genellikle bir gerilim seviyesinden daha yüksek veya daha düşük bir gerilim seviyesine gerçekleştirilir.
Bu dönüştürücüler, elektronik cihazlarda, endüstriyel donanımlarda, güneş enerjisi sistemlerinde, elektrikli araçlarda ve birçok diğer uygulamada yaygın olarak kullanılır. Örneğin, bir aküden gelen düşük gerilimli bir güç kaynağının, yüksek gerilimli bir cihaza veya devreye uygun hale getirilmesi için kullanılabilirler. Benzer şekilde, bir güneş paneli tarafından üretilen enerjinin, ev elektrik sistemine veya pil sistemlerine uygun gerilim seviyelerine dönüştürülmesi için de kullanılabilirler.
DC-DC dönüştürücüler, verimli enerji dönüşümü sağlamak için tasarlanır ve genellikle elektrik devrelerinin verimliliğini artırmak, güç kaynaklarını optimize etmek ve elektrikli sistemlerin performansını iyileştirmek için kullanılırlar. Bu dönüştürücüler, elektrik enerjisinin farklı gerilim seviyelerine dönüştürülmesi gerektiğinde önemli bir rol oynarlar ve modern elektronik cihazların işlevselliğini ve performansını desteklerler. Ancak, bu elektronik devrelerin sağlıklı, güvenilir ve etkin bir şekilde çalışabilmesi için sadece elektriksel tasarım yeterli değildir; aynı zamanda termal yönetim de hayati bir öneme sahiptir.
Elektronik bileşenlerin, belirli bir sıcaklık aralığında çalışması, cihazların performansı, güvenilirliği ve kullanım ömrü açısından kritik bir faktördür. Kontrolsüz bir şekilde artan sıcaklıklar, bileşenlerin fonksiyonlarını yerine getirebilme yeteneklerini olumsuz etkileyebilir ve hatta hasar görmelerine yol açabilir. Dolayısıyla, elektronik cihazların termal yönetimi, bileşenlerin sıcaklığını kontrol altında tutarak, istenmeyen ısınma sorunlarını önlemeyi amaçlar. Termal yönetim stratejileri, devrelerin çalışma sıcaklıklarını optimize etmek ve aşırı ısınma durumlarında uygun soğutma sağlamak için çeşitli teknikler kullanır. Bunlar arasında ısı emiciler, fanlı soğutucular, termal ara yüz malzemeleri ve çevresel hava akışının düzenlemesi gibi çözümler bulunmaktadır. Bu tekniklerin kullanımı, elektronik cihazların belirli sıcaklık sınırları içinde kalmasını sağlayarak, uzun ömürlü ve güvenilir çalışmalarını garanti altına alır.
Sonuç olarak, yüksek güç gerektiren elektronik devrelerin güvenilir ve etkin bir şekilde işlev görmesi için uygun termal yönetim stratejilerinin benimsenmesi, teknolojik ilerlemenin sürdürülebilirliği açısından hayati öneme sahiptir. Bu nedenle, elektronik cihazların tasarımı ve üretimi aşamasında termal yönetim stratejilerine odaklanmak, günümüzün karmaşık ve yoğun kullanılan elektronik sistemlerinin başarılı bir şekilde işlemesini sağlamak bir zorunluluktur.
Bu tez çalışması, ticari araçların yüksek akım güç devreleri için pasif soğutucu tasarımı ve termal performans analizini kapsamaktadır. Çalışmanın temel amacı, yüksek akım taşıyan devrelerin ısıl yönetimini optimize ederek, sistemlerin performans ve güvenilirliğini artırmaktır. Bu doğrultuda, elektronik cihazların soğutulması için kullanılan pasif soğutucuların tasarımı ve bu tasarımların termal performanslarının analiz edilmesi hedeflenmiştir. Mevcut soğutma yöntemlerinin yetersiz kaldığı durumlar incelenmiş ve daha etkin çözümler geliştirilmiştir.
Çalışmanın ilk aşamasında, elektronik bileşenlerin çalışma koşulları, çevresel faktörler ve güç elektroniği üzerine kapsamlı bir literatür taraması yapılmıştır. Termal yönetim kavramı ve önemi ele alınarak, elektronik cihazların ısıl yönetiminin, devrelerin belirli sıcaklık aralıklarında çalışmasını sağlamak ve aşırı ısınma durumlarında uygun soğutma sağlamak için çeşitli teknikler kullanıldığı belirtilmiştir. Bu teknikler arasında ısı alıcıları, fan soğutmalı ısı alıcıları, termal ara yüz malzemeleri ve çevresel hava akışının düzenlenmesi bulunur. Isı emicilerin tasarımı ve çalışma prensipleri üzerinde durulmuş, ısının mekanizması, Fourrier Kanunu, ısı iletim katsayısı ve Newton'un soğutma yasası gibi temel ısıl prensipleri açıklanmıştır.
Bu kapsamda, hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) temel denklemleri, süreklilik denklemi, Navier-Stokes denklemleri ve enerji denklemi incelenmiştir. Tasarım süreci, elektronik performans bilgileri ve tasarım kriterleri belirlenerek devam etmiştir. Pasif soğutucunun tasarımı için öncelikle ısı emici tasarımı yapılmış ve yan kapak ile üst kapak tasarımları oluşturulmuştur. Prototip üretimi için 6060 serisi Alüminyum alaşımından tel erozyon yöntemiyle yüksek doğrulukta bir ısı emici prototipi üretilmiştir. Elektronik kart için belirlenen ebatlarda bir ön prototip üretimi gerçekleştirilmiş, yan ve üst kapaklar için silikon kalıplama yöntemi kullanılmıştır.
Tez kapsamında yapılan çalışmalar arasında ısı emici tasarımı, prototip üretimi, HAD analizleri ve deneysel testler yer almaktadır. Isı emiciler, termal performansı artıracak şekilde tasarlanmış ve optimize edilmiştir. Yüksek doğrulukta prototipler üretilmiş ve bu prototipler üzerinden termal performans testleri gerçekleştirilmiştir. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) kullanılarak ısı transferi ve akış analizleri yapılmış, tasarımların etkinliği değerlendirilmiştir. Üretilen prototipler üzerinde deneysel testler yapılmış ve test sonuçları analiz edilmiştir.
Deneysel ve HAD analiz sonuçları, DC dönüştürücünün kritik bölgelerinde yüksek sıcaklıkların oluştuğunu ve bu durumun cihazın güvenilirliğini etkileyebileceğini göstermiştir. Özellikle ısı emici yüzeyindeki yüksek sıcaklık, cihazın soğutulması gerektiğini vurgulamaktadır. Üst kapak bölgesindeki sıcaklık farklılıkları ise, soğutma stratejilerinin gözden geçirilmesi gerektiğini ortaya koymuştur. Sonuç olarak, cihazın termal yönetim sisteminin optimize edilmesi ve daha etkin soğutma çözümlerinin uygulanması gerektiği belirlenmiştir. Bu doğrultuda, ısı emici yüzeyinin genişletilmesi, daha etkin malzemelerin kullanılması ve cihazın iç bileşenlerinin yeniden konumlandırılması gibi önerilerde bulunulmuştur. Bu önerilerin uygulanması ile cihazın termal performansının artırılması ve daha güvenilir bir kullanım sağlanması hedeflenmektedir.
Bu tez çalışması, ticari araçların yüksek akım güç devreleri için pasif soğutucu tasarımı ve termal performans analizi konusuna önemli katkılar sağlamış olup, bu alanda gelecekte yapılacak çalışmalara da rehberlik edecek niteliktedir. Çalışma kapsamında elde edilen bulgular, ticari araçlarda kullanılan elektronik bileşenlerin daha verimli ve güvenilir bir şekilde soğutulmasına yönelik yeni tasarım yaklaşımlarının geliştirilmesine olanak tanımaktadır. Bu sayede, ticari araçların elektronik sistemlerinin ömrü uzatılmakta ve performansı artırılmaktadır. Tez çalışmasının sonuçları, ticari araç endüstrisi ve güç elektroniği alanında faaliyet gösteren araştırmacılar ve mühendisler için önemli bilgiler sunmaktadır.
Sonuç olarak, bu tez çalışması, ticari araçların yüksek akım güç devrelerinde kullanılacak etkili bir pasif soğutucu tasarımı sunmaktadır. Geliştirilen soğutucu, devrelerin termal performansını artırarak, sistemlerin güvenilirliğini ve verimliliğini sağlamaktadır. Çalışmanın sonuçları, elektronik cihazların tasarım ve üretim aşamalarında uygun termal yönetim stratejilerinin benimsenmesinin önemini vurgulamaktadır. Bu sayede, günümüzün karmaşık ve yoğun kullanılan elektronik sistemlerinin başarılı bir şekilde çalışması sağlanabilir. Tez, gelecekte yapılacak çalışmalar için bir temel oluşturmakta ve mevcut sistemlerin iyileştirilmesine yönelik önemli katkılar sunmaktadır

Abstract:
The rapid development and widespread use of electronic devices in our era stand out as a reflection of technological advancement. High-power electronic circuits, which have become widespread across a broad spectrum from industrial sectors to consumer electronics, have become a significant driving force behind this development. These circuits perform critical functions such as energy conversion, control, and transmission, forming one of the fundamental pillars of modern technological infrastructure.
One of the high-power electronic circuits, DC-DC converters, are a type of electrical energy converter that transform electrical energy from a direct current (DC) source to a different voltage level. This conversion process is typically carried out from one voltage level to a higher or lower voltage level.
These converters are widely used in electronic devices, industrial equipment, solar energy systems, electric vehicles, and many other applications. For example, they can be used to convert the low-voltage power source from a battery to a suitable high-voltage level for a device or circuit. Similarly, they are also used to convert the energy generated by a solar panel to voltage levels suitable for household electrical systems or battery systems.
DC-DC converters are designed to provide efficient energy conversion and are commonly used to enhance the efficiency of electrical circuits, optimize power sources, and improve the performance of electrical systems. These converters play a crucial role when it is necessary to convert electrical energy to different voltage levels, supporting the functionality and performance of modern electronic devices. However, for these electronic circuits to operate healthily, reliably, and efficiently, electrical design alone is not sufficient; thermal management is also of critical importance.
The operation of electronic components within a specific temperature range is a critical factor for the performance, reliability, and lifespan of devices. Uncontrolled temperature increases can negatively affect the ability of components to perform their functions and even lead to damage. Therefore, the thermal management of electronic devices aims to prevent undesirable heating issues by keeping the temperature of components under control. Thermal management strategies use various techniques to optimize the operating temperatures of circuits and provide adequate cooling in cases of overheating. These solutions include heat sinks, fan-cooled heat sinks, thermal interface materials, and the regulation of ambient airflow. The use of these techniques ensures that electronic devices remain within specific temperature limits, guaranteeing long-term and reliable operation.
In conclusion, the adoption of appropriate thermal management strategies is vital for the reliable and efficient functioning of high-power electronic circuits, ensuring the sustainability of technological advancement. Therefore, focusing on thermal management strategies during the design and production stages of electronic devices is essential for the successful operation of today's complex and heavily used electronic systems.
This thesis work encompasses the design of passive coolers and thermal performance analysis for high-current power circuits in commercial vehicles. The primary aim of the study is to optimize the thermal management of high-current carrying circuits, thereby enhancing the performance and reliability of the systems. In this context, the design of passive coolers used for cooling electronic devices and the analysis of the thermal performance of these designs are targeted. Situations where existing cooling methods are inadequate have been examined, and more effective solutions have been developed.
In the first phase of the study, a comprehensive literature review was conducted on the operating conditions of electronic components, environmental factors, and power electronics. The concept and importance of thermal management were addressed, highlighting that thermal management of electronic devices uses various techniques to ensure that circuits operate within specific temperature ranges and provide adequate cooling in cases of overheating. These techniques include heat sinks, fan-cooled heat sinks, thermal interface materials, and the regulation of ambient airflow. The design and operating principles of heat sinks were focused on, and fundamental thermal principles such as the mechanism of heat, Fourier's Law, thermal conductivity coefficient, and Newton's law of cooling were explained.
In this context, the fundamental equations of computational fluid dynamics (CFD), continuity equation, Navier-Stokes equations, and energy equation were examined. The design process continued by determining the electronic performance data and design criteria. For the design of the passive cooler, a heat sink design was first made, and side and top cover designs were created. For prototype production, a high-precision heat sink prototype was produced from the 6060 series aluminum alloy using the wire erosion method. A preliminary prototype was produced in the determined dimensions for the electronic board, and silicone molding was used for the side and top covers.
The studies conducted within the scope of the thesis include heat sink design, prototype production, CFD analyses, and experimental tests. The heat sinks were designed and optimized to enhance thermal performance. High-precision prototypes were produced, and thermal performance tests were conducted on these prototypes. Heat transfer and flow analyses were performed using computational fluid dynamics (CFD), and the effectiveness of the designs was evaluated. Experimental tests were conducted on the produced prototypes, and the test results were analyzed.
Experimental and CFD analysis results showed that high temperatures occurred in the critical areas of the DC converter, which could affect the reliability of the device. The high temperature on the heat sink surface especially emphasized the need for cooling the device. The temperature differences in the top cover area revealed that the cooling strategies needed to be reviewed. Consequently, it was determined that the thermal management system of the device needed to be optimized, and more effective cooling solutions needed to be applied. Recommendations such as expanding the heat sink surface, using more effective materials, and repositioning the internal components of the device were made. The implementation of these recommendations aims to enhance the thermal performance of the device and ensure more reliable operation. This thesis work has made significant contributions to the design of passive coolers and thermal performance analysis for high-current power circuits in commercial vehicles, providing guidance for future studies in this field. The findings obtained within the scope of the study enable the development of new design approaches for the more efficient and reliable cooling of electronic components used in commercial vehicles. Thus, the lifespan and performance of the electronic systems in commercial vehicles are extended. The results of the thesis provide important information for researchers and engineers working in the commercial vehicle industry and power electronics field.
In conclusion, this thesis presents an effective passive cooler design to be used in high-current power circuits of commercial vehicles. The developed cooler enhances the thermal performance of the circuits, ensuring the reliability and efficiency of the systems. The results of the study emphasize the importance of adopting appropriate thermal management strategies during the design and production stages of electronic devices. In this way, the successful operation of today's complex and heavily used electronic systems can be ensured. The thesis forms a basis for future studies and makes significant contributions to the improvement of existing systems.