Elektronik bileşenlerin çapraz akış etkisindeki çarpan jet ile soğutulmasının deneysel incelenmesi
Experimental investigation of electronics cooling with impinging jet and crossflow
Yazar: MEHMET SAĞLAM
Danışman: PROF. DR. ORHAN AYDIN
Karadeniz Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Çarpan jetler; metallerin tavlanması, gaz türbin kanatlarının soğutulması ve yoğun işlem kapasitesine sahip yüksek miktarda ısı üreten elektronik sistemlerin soğutulması gibi çeşitli uygulamalarda sıklıkla kullanılmaktadır. Farklı ısıl yüklere sahip birçok bileşeni üzerinde barındıran elektronik baskı devre kartlarının uzun süre güvenli bir şekilde çalışabilmeleri için elektronik bileşenlerin uygun bir yöntemle soğutulması gerekmektedir. Yüksek ısı üreten bileşenlerin bölgesel olarak çarpan jetler ile diğer bileşenlerin ise kanal akışı (çapraz akış) ile soğutulması konvansiyonel kanal akışı ile soğutmaya alternatif olarak önerilmektedir. Bu tez kapsamında, elektronik bir bileşenin havanın sınırlandırılmış türbülanslı çarpan jet akışı ve kanal çapraz akış ile soğutulması durumunda, farklı jet lüle geometrileri, lüle en-boy oranları, jet/çapraz akış hız oranları ve jet-hedef bileşen mesafeleri için deneysel incelemeler gerçekleştirilmiştir. İlgili parametrelerin akış ve ısı transferi üzerindeki etkileri irdelenerek sunulmuştur. Çarpan jetlerin konvensiyonel kanal akışına kıyasla daha iyi soğutma performansı sağladığı, hız oranının 5 değerinden küçük olduğu durumlarda çapraz akışın jet akış gelişimini etkilediği görülmüştür. Lüle geometrisinde yapılan değişimlerin hedef yüzeydeki ısı transferi üzerinde etkili olduğu ve düşük AR değerlerine sahip lülelerin daha az sapma göstermelerinden ötürü aynı şartlar altındaki dairesel lüleye kıyasla %20-%50 oranında ısı transferini iyileştirdiği bulgusuna varılmıştır.

Abstract:
Impinging jets are frequently used in various applications such as annealing of metals, cooling of gas turbine blades and cooling of electronic systems that produce high amounts of heat. Electronic printed circuit boards contain multiple parts with different thermal loads and to ensure long-term safe operation, it is crucial to cool the electronic components with an appropriate cooling method. Cooling of high heat dissipating components with local impinging jets and cooling of other components with channel flow (crossflow) is an alternative to conventional channel flow cooling. Within the scope of this thesis, experimental investigations have been carried out for different jet nozzle geometries, nozzle aspect ratios, jet/crossflow velocity ratios and jet to target component distances for electronics cooling with confined turbulent impinging air jet and crossflow. The effects of the described parameters on the flow and heat transfer are examined and presented. It is observed that impinging jets provide better cooling performance compared to conventional channel flow, and crossflow affects jet flow development when the velocity ratio is less than 5. It is found that changes in the nozzle geometry are effective on the heat transfer from the target surface and nozzles with low AR values improve heat transfer by 20% - 50% compared to circular nozzles under the same conditions due to lesser deflection.