Buhar odası yaklaşımı ile uzay uygulamalarında elektronik soğutma performans analizi
Performance analysis of electronic cooling in space with vapor chamber approach
Yazar: BURAK BODUR
Danışman: PROF. DR. ABUZER ÖZSUNAR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Isı = Heat ; Radyasyon = Radiation ; Vakum = Vacuum ; İletkenlik = Conductivity

Özet:
Son yıllarda, yüksek güç tüketimine sahip elektronik ekipmanlar geliştirilmiştir. Elektronik ekipmanlardaki artan güç, ekipmandan uzaklaştırılması gereken yüksek ısı yüklerinin ortaya çıkmasına sebep olmuştur. Özellikle küçük alana yoğunlaşan ve sıcak noktalar oluşmasına sebep olan konular ekipmanlar için büyük bir problem teşkil etmektedir. Bu soruna üretilen çözümlerden biri buhar odası sistemleridir. Buhar odası sistemi faz değişim malzemesi sayesinde yüksek ısıl iletkenlik sağlamaktadır. Faz değişim malzemesinin iki eksende kullanılması buhar odasını ısı yayıcı bir araç haline getirmektedir. Buhar odası performansının geleneksel yüksek ısıl iletkenliğe sahip bakır ve alüminyum gibi malzemelerle karşılaştırıldığı akademik çalışmalar bulunmaktadır. Elektronik ekipmanlar üzerinde buhar odası ile yapılan çalışmaların birçoğu yer çekimi kuvveti ve atmosferik koşullar altında yürütülmektedir. Bu sistemlerde ısıyı sistemden uzaklaştırmak ve yaymak için konveksiyon ve radyasyon ısı transfer yolları kullanılır. Fakat burada baskın ısı uzaklaştırma yöntemi konveksiyondur. Bu çalışmada buhar odası performansı sadece radyasyon ile ısının pasif olarak uzaklaştırılabildiği uzay sistemleri için ısıl olarak analiz edilmiştir. ANSYS ICEPACK paket programı ile yer sabit yörüngedeki bir uyduda yer alan yıldızizler ekipmanının ürettiği ısı incelenmiş ve buhar odası sistemi ile yıldızizlerden yayılan bu ısının uzaklaştırılması durumu analiz edilmiştir. Analiz sonuçları uygun bir tasarıma sahip ısı kuyusu kullanılarak buhar odası sistemi vasıtasıyla yıldızizlerin çalışma sıcaklıkları arasında kalabildiğini ortaya koymuştur. Buna ek olarak buhar odasının uzay ortamında bakır gibi malzemelerden her iki eksende daha yüksek ısıl iletkenlik sağladığı görülmüştür. Buhar odası yüzeyinin bakıra kıyasla daha izortermal bir ortam sunması ısı kuyusunun daha efektif çalışmasını sağlamıştır.

Abstract:
In recent years, electronic equipment that is consuming much power is developed. Rising power in electronic equipment leads to revealing high heat loads that need to be removed from the equipment. Especially issues that concentrate on a small area and cause hot spots reveal a big problem for the equipment. One of the solutions is vapor chamber systems. Vapor chamber systems provide high thermal conductivity with phase change material. Because of using phase change material lining two axes, vapor chamber is called heat spreader device. There are many academic studies about vapor chamber performance by comparing traditional high conductivity materials like copper and aluminum. Many studies with vapor chamber are conducted on electronic devices under gravity force and atmospheric condition. Convection and radiation heat transfer modes are used in order to spread and remove heat from these systems. However, dominant heat transfer mode in these systems is convection. In this study, vapor chamber performance is thermally analyzed only for space systems where heat can be passively removed by radiation. With the ANSYS ICEPACK package program, the heat produced by star tracker equipment on a satellite in geostationary orbit is examined and the situation of removing this heat emitted from the star tracker by the vapor chamber system is analyzed. Because of space vacuum conditions, radiating heat transfer mode is the only way to remove the heat from star tracker. Analysis results show that star tracker temperature can remain in between working temperatures with proper heat sink design. Moreover, vapor chamber provides higher heat conductivity in both axes than usual material like copper in space environment. Heat sink is more efficient with vapor chamber because of presenting more isothermal surface than copper ones.