Sürtünme karıştırma kaynağı ile üretilen sıvı kanallarında tolerans açıklığının ısı transferi ve akış karakteristiklerine etkisinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of the effect of tolerance clearance on heat transfer and flow characteristics in liquid channels manufactured by friction stir welding
Yazar: AHMET ŞAHİN ŞEN
Danışman: DOÇ. DR. ÖZGEN AÇIKGÖZ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Isı akısı = Heat flux ; Soğuk plaka = Cold plate ; Soğutma sistemleri = Cooling systems ; Sürtünme karıştırma kaynağı = Friction stir welding

Özet:
Elektronik soğutmada, ısı atan elemanların boyutlarının küçülmesi ve birim alan başına düşen ısı yükünün artması nedeniyle, her iki tarafında ısı yükü olan sıvı soğutmalı kompakt soğuk plakaların kullanımı oldukça yaygın hale gelmiştir. Bu nedenle, ısıl performansa ve yapısal bütünlüğe bağlı olarak soğuk plakaların tasarımı önemli hale gelmektedir. Sürtünme Karıştırma Kaynağı (FSW) imalatındaki basitliği ve düşük maliyeti nedeniyle son yıllarda, yüksek basınç altında çalışan sıvı kullanılan soğuk plakaları için sıklıkla tercih edilen bir üretim tekniğidir. FSW ile üretilen soğuk plakada alt ve üst kanatçıklar arasında tolerans boşluğu bırakılmaktadır. Bu çalışmada, 0 mm - 1 mm arası kanatçık açıklığına sahip, 3 mm ve 5 mm kanal yüksekliği olan ve 0,8 mm, 1,2 mm, 1,6 mm kanatçık kalınlığına sahip FSW ile üretilebilecek yapıda toplam 66 adet kanal kesiti modellenmiştir. Bu modeller Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yazılımında 270 ≤ Re ≤ 670 ana giriş aralığında, zorlu şartlarda kullanıma uygun soğutma sıvısı Etilen Glikol-Su (EGW) karışımı için çözdürülerek basınç düşümü, termal direnç ve ısı transferi katsayısı gibi değerler incelenmiştir. Günümüzde FSW ile üretimde çok dikkat edilmeyen bir parametre olan, alt ve üst kanatçıklar arasında bırakılan boşluk toleransının etkileri ve önemi ortaya koyulmuştur. Alt ve üst kanatçıklar arası mesafenin 0,1 mm ve 0,2 mm olması durumunda, basınç düşümü hiç boşluk olmamasından daha yüksek olmuştur. Modellerin %98'i için en düşük termal direnci gösteren açıklık mesafesi 0,4 mm ve 0,5 mm olmuştur. Bu değerin rastgele olarak seçilmemesi gerektiği ve özellikle seri bağlı soğuk plakaların olduğu sistemler için ısı kuyusu tasarımında mutlaka göz önüne alınması gerektiği sonucuna ulaşılmıştır.

Abstract:
In electronic cooling, the use of liquid-cooled compact cold plates with heat load on both sides has become quite common due to the reduction in the size of the heat sink elements and the increase in the heat load per unit area. Therefore, the design of cold plates becomes essential depending on the thermal performance and structural integrity. Friction Stir Welding (FSW) is a frequently preferred production technique for cold plates operating under high pressure, due to its simplicity and low cost in manufacturing. A tolerance gap is left between the lower and upper fins in the cold plate produced with FSW. In this study, a total of 66 duct sections were modeled, which can be produced with an FSW with fin clerance between 0 mm-1 mm, channel heights of 3 mm and 5 mm, blade thicknesses of 0.8 mm, 1.2 mm, 1.6 mm. Values such as pressure drop, thermal resistance, and heat transfer coefficient were investigated by dissolving these models for Ethylene Glycol-Water (EGW) mixture, a coolant suitable for use in harsh conditions, in the 270 ≤ Re ≤ 670 main-inlet range in the Computational Fluid Dynamics (CFD) software. Today, a parameter that is not paid much attention to in production with FSW, the effects and importance of the gap tolerance left between the lower and upper fins are revealed. If the distance between the lower and upper fins was 0.1 mm and 0.2 mm, the pressure drop was higher than when there was no gap. The aperture distances showing the lowest thermal resistance were 0.4 mm and 0.5 mm for 98% of the models. It has been concluded that this value should not be chosen randomly and should be taken into account in the design of the heat sink, especially for systems with cold plates connected in series.