Isı alıcılarda elektrosprey soğutma analizi
Electrospray cooling analysis of heat sinks
Yazar: ABDÜSSAMED KABAKUŞ
Danışman: PROF. DR. KENAN YAKUT
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Amaç: Mikro işlemciler, elektromekanik sistemler ve devre elemanlarının soğutulması, ekonomik ömürlerini uzatmak ve performanslarını artırmak için hayati öneme sahiptir. Elektrosprey soğutma metodu, kolay kullanıma sahip oluşu, sprey damlacıklarının yönetilebilir oluşu, düşük debilerde etkin soğutma sağlaması sebebiyle kullanışlı bir yöntemdir. Bu çalışmada işlemcilerin optimum çalışma sıcaklık aralığında (45-100 ℃) termal yönetiminin sağlanabilmesi için elektrosprey soğutma deney düzeneği kurulmuştur. Deney şartları tam buharlaşma meydana gelecek şekilde belirlenmiştir. Elektrosprey soğutmada kanatçık etkisinin ve optimum ısı alıcı geometrisinin belirlenmesi amacıyla deneyler yapılmıştır. Ayrıca farklı akışkanların, nozul çapının ve nozul sayısının elektrosprey soğutma performansına etkileri araştırılmıştır. Geleneksel sprey soğutma ANSYS Fluent ile modellenerek elektrosprey soğutma ile karşılaştırılmıştır.
Yöntem: Bu amaçlar doğrultusunda kurulan elektrosprey deney düzeneği ile farklı debilerde (0,1-0,2-0,3-0,7 ml/dk), nozul çaplarında (20-25-30 G), nozul sayısında (tekli ve çiftli nozul), gerilimlerde (3,4-4,4-5,4-8 kV), akışkanlarla (aseton-etanol-su) elektrosprey oluşumu sağlanarak tasarımı yapılan 27 adet ısı alıcı ile deneyler yapılmıştır. Sprey karakteristiklerinin belirlenebilmesi için sprey görüntüleri alınarak elektrosprey modları belirlenmiştir. 
Bulgular: Optimum çalışma sıcaklığını sağlayan ısı akılarında, tasarlanan 27 adet ısı alıcı ile yapılan deneyler sonucu en etkin soğutmanın 3 mm kanat yüksekliği, 3 mm kanat genişliği ve 3 mm kanatlar arası mesafeye sahip olan Kare-18 ısı alıcıda gerçekleştiği belirlenmiştir. Kare-18 ısı alıcı üzerinde yapılan deneylerde tekli nozulla oluşturulan spreyin, çiftli nozulla oluşturulan spreye göre daha etkin soğutma sağladığı belirlenmiştir. Ayrıca nozul çapı azaldıkça soğutma performansının iyileştiği görülmüştür. 0,2 ml/dk debi, 4,4 kV gerilim, 20 G nozul çapı ve 20 mm nozul- ısı alıcı mesafenin optimum çalışma sıcaklığını yakalamada yeterli olduğu belirlenmiştir. Gerilimin ve akışkan debisinin artışının soğutma üzerine olumlu etkileri olduğu gözlemlenmiştir. 
Sonuç: Aynı şartlarda düzlem plakaya göre optimum kanatçıklı ısı alıcıda  (Kare-18) kanatçık iyileştirme oranı %15 artmıştır. Tekli ve çiftli nozullarda en etkili soğutma 30 G nozul çapında elde edilmiştir. Soğutucu akışkanın buharlaşma sıcaklığı, yüzey gerilimi, dielektrik sabitinin yanı sıra buharlaşma entalpisininde oldukça etkili bir parametre olduğu görülmüştür. Etanol ve asetonun tam buharlaşma gerçekleşen düşük ısı akılarında etkili olduğu, suyun tam buharlaşma gerçekleşen yüksek ısı akılarında aseton ve etanolden daha iyi soğutma performansı gösterdiği belirlenmiştir.  Aynı şartlarda elektrosprey soğutma, geleneksel sprey soğutmaya göre yaklaşık %15 daha iyi performans göstermiştir.

Abstract:
Purpose: Cooling of microprocessors, electromechanical systems and circuit components is of vital importance to extend their economic life and increase their performance. The electrospray cooling method is a useful method because it is easy to use, spray droplets are manageable, and it provides effective cooling at low flow rates. In this study, an electrospray cooling experimental system was established to ensure the thermal management of the processors in the optimum operating temperature range (45-100 ℃). The experimental conditions were determined in such a way that full evaporation occurs. In electrospray cooling, experiments were carried out to determine the fin effect and optimum heat sink geometry. In addition, the effects of different fluids, nozzle diameter and number of nozzles on electrospray cooling performance were investigated. Traditional spray cooling was modeled with ANSYS Fluent and compared with electrospray cooling.
Method: With the electrospray experiment setup established for these purposes, electrospray was created at different flow rates (0,1-0,2-0,3-0,7 ml/min), nozzle diameters (20-25-30 G), number of nozzles (single and double nozzles), fluids (ethanol, acetone, water), voltages (3,4-4,4-5,4-8 kV) and experiments were carried out with 27 designed heat sinks. In order to see the effect of spray formation on cooling, spray images were taken and electrospray modes were determined.
Findings: As a result of the experiments carried out with 27 heat sinks designed for the heat fluxes that provide the optimum working temperature, it was determined that the most effective cooling took place in the Square-18 heat sink, which has a 3 mm fin height, 3 mm fin width and 3 mm fin distance. As a result of the experiments carried out on the Square-18 heat sink, it was determined that the spray created with a single nozzle provided more effective cooling than the spray created with a double nozzle. It was also seen that as the nozzle diameter decreased, the cooling performance improved. It was determined that 0,2 ml/min flow rate, 4,4 kV voltage, 20 G nozzle diameter and 20 mm nozzle-heat sink distance were sufficient to achieve the optimum operating temperature. It has been observed that the increase in voltage and fluid flow rate has positive effects on cooling.
Results: Under the same conditions, the fin enhancement ratio increased by 15% in the optimum finned heat sink (Square-18) compared to the plane plate. The most effective cooling in single and double nozzles was achieved with a nozzle diameter of 30 G. It was seen that the evaporation enthalpy of the refrigerant, together with the refrigerant temperature, surface tension, and dielectric constant, is a highly effective parameter. It was determined that ethanol and acetone were effective in low heat fluxes where full evaporation occurred, and water showed better cooling performance than acetone and ethanol at high heat fluxes where complete evaporation occurred. nder the same conditions, electrospray cooling performed about 10% better than conventional spray cooling.