Elektronik çiplerin kabarcıklı kaynamada nano akışkanlar ile soğutulmasının araştırılması
Investigation of cooling electronic chips with nanofluids in nucleate boiling
Yazar: ONUR AĞMA
Danışman: PROF. DR. SEBİHA YILDIZ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Havuz kaynaması = Boiling pool ; Nanoakışkanlar = Nanofluids

Özet:
Günümüz teknolojisinde elektronik çip gibi yetenekli elektronik komponentlerin 
artan ısıl yükleriyle beraber soğutulmaları önemli bir husus olarak ortaya 
çıkmaktadır. Elektronik çip gibi ısı üreten cihazların yüzeylerinden ısıyı kontrollü 
bir şekilde uzaklaştırmak ve bu cihazların sıcaklığını güvenli bir seviyede tutmak 
için havuz kaynaması sistemi kullanılmaktadır. Literatürde yapılan çalışmalarda 
akışkan olarak, saf ve nano akışkanların havuz kaynamasında kullanıldığı
görülmüştür. Kaynama ısı transferinde nano akışkanların saf akışkanlara göre daha 
yüksek ısı transferi sağlayabilmesi nedeniyle, bu çalışmada nano akışkanlar
kullanılmasına karar verilmiştir. Havuz kaynamasının incelenebilmesi için uygun 
bir deney sistemi kurulmuştur. Isıtılan bakır bir yüzeyde kabarcıklı havuz 
kaynaması, ultra saf su ve baz akışkanı saf su olan nano akışkanlar ile atmosferik 
basınçta gerçekleştirilmiştir. Bakır – su, bakır – alümina (Al2O3)-su ve bakır –
karbon nanotüp-su yüzey akışkan çifti olarak seçilmiştir. İlk olarak saf su ile 
kabarcıklı kaynama ısı transferi deneysel olarak araştırılmış ve sonuçlar literatürde 
yer alan korelasyonlar ile karşılaştırılmıştır. Deneysel sonuçların korelasyon 
sonuçları ile uyumlu çıkması neticesinde nano akışkanlar ile deneysel çalışmalara 
başlanmıştır. Nano akışkan hazırlamak amacıyla iki farklı nano parçacık seçilmiştir. 
Bunlar; alümina (Al2O3) ve çok katmanlı karbon nanotüp'tür. Al2O3-su nano 
akışkanı ağırlıkça %0,01, %0,1, %0,5 ve %1 konsantrasyonlarda olmak üzere dört
farklı şekilde hazırlanmıştır. Karbon nanotüp su nano akışkanı ağırlıkça %0,001,
%0,01 ve %0,1 konsantrasyonlarında üç farklı şekilde hazırlanmıştır. Al2O3 - su 
nano akışkanı ile yapılmış kabarcıklı kaynama deneysel çalışmalarında saf suya 
göre maksimum %29 ısı transferi katsayısı artışı görülmüştür. Karbon nanotüp-su 
nano akışkanı kabarcıklı kaynama ısı transferi katsayısında saf suya göre
maksimum %50 artış sağlamıştır. Regresyon analizi yapılarak Al2O3-su ve karbon 
nanotüp-su nano akışkanlarının kabarcıklı havuz kaynamasında ısı akısı hesabı için 
iki ayrı korelasyon geliştirilmiştir. Bu korelasyonlar yaklaşık %95 hassasiyetle 
deneysel verilere uyumludur.

Abstract:
In today's technology, the cooling of capable electronic components such as 
electronic chips, along with their increasing thermal loads, has emerged as a 
significant concern. Some studies aimed at controlled heat removal from the 
surfaces of devices generating heat, like electronic chips, and maintaining their 
temperature at a safe level, utilize a pool boiling system. According to the studies 
conducted in the literature, it has been observed that both pure fluids and nanofluids 
are used as the working fluid. Due to the higher heat transfer capabilities of 
nanofluids in boiling heat transfer compared to pure fluids, this study decided to 
investigate nanofluids. To examine pool boiling, an appropriate experimental 
system has been set up. Nucleate pool boiling on a heated copper surface was 
conducted at atmospheric pressure with ultra-pure water and nanofluids consisting 
of water as the base fluid. The copper-water, copper-alumina (Al2O3)-water, and 
copper-carbon nanotube-water were chosen as the surface-fluid pairs. Firstly, 
nucleate boiling heat transfer with pure water was experimentally investigated and 
the results were compared with the correlations available in the literature. As the 
experimental results were found to be consistent with the correlation results, 
experimental studies with nanofluids were started. Two different nanoparticles 
were selected to prepare the nanofluids. These are alumina (Al2O3) and multi-
walled carbon nanotubes. The Al2O3-water nanofluid was prepared in four different 
concentrations by weight: 0.01%, 0.1%, 0.5%, and 1%. The carbon nanotube-water 
nanofluid was prepared in three different concentrations by weight: 0.001%, 0.01%, 
and 0.1%. In the nucleate boiling experimental studies conducted with Al2O3-water 
nanofluid, a maximum increase of 29% in the heat transfer coefficient was observed 
compared to pure water. The carbon nanotube-water nanofluid provided a
maximum increase of 50% in the nucleate boiling heat transfer coefficient 
compared to pure water. Regression analysis was performed, and two separate 
correlations were developed for the heat flux calculation in nucleate pool boiling 
with Al2O3-water and carbon nanotube-water nanofluids. These correlations are 
compatible with the experimental data with approximately 95% accuracy.