Bilgisayarlarda kullanılan sıvı soğutma sistemlerinin tasarımı, analizi ve deneysel optimizasyonu
Design, analysis and experimental optimization of liquid cooling systems used in computers
Yazar: FURKAN ÖZSARI
Danışman: PROF. DR. ULVİ ŞEKER
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışma kapsamında, bilgisayarlarda kullanılan sıvı soğutma sistemlerinin bileşenleri olan mikro kanatçık ve akış odasının sonlu hacimler analiz yöntemi ile akış analizleri yapılarak optimum parametrelere uygun tasarımın prototip üretiminin yapılması ve testler ile doğrulanması hedeflenmiştir. Bu hedefe ulaşabilmek için mikro kanatçık ve akış odasının ticari bir yazılım ile üç boyutlu tasarımları yapılmış ve analiz ortamına aktarılmıştır. Mikro kanatçık bileşeni tasarımı için dört farklı parametre belirlenmiştir. Bu parametreler; kanatçıklar arası mesafe (KAM: 0,1-0,2-0,3 mm), kanatçık yüksekliği (KY: 2,3-2,5-2,7 mm), kanatçık kalınlığı (KK: 0,15-0,3-0,45 mm) ve taban plaka kalınlığıdır (TK: 1,25-1,5-1,75 mm). Gerçekleştirilen akış analizleri sonucunda ortalama mikro kanatçık sıcaklığı (OMKS) incelenmiştir. Konsept tasarımları tamamlanmış olan akış odaları ile analizler sonucu belirlenen mikro kanatçık yapısı sanal ortamda montajlanarak analiz ortamına aktarılmıştır. Bu analizler kapsamında akış odası içerisindeki girdap oluşumları ve sıcaklık değerleri gözlemlenmiştir. Girdap oluşumlarını minimuma indirmek ve mikro kanatçık üzerinde akış dağılımını dengelemek için belirlenen nihai tasarım üzerinden iyileştirme çalışmaları yapılmıştır. Gerçekleştirilen tasarım, analiz ve tasarım iyileştirme çalışmaları sonrasında mikro kanatçık CNC router benzeri bir tezgâhta işlenerek, akış odası dijital ışık işleme (DLP) teknolojili 3B yazıcı ile üretilmiştir. Daha sonra üretilen bileşenlerle beraber tüm sistem toplanıp İntel işlemcili bir bilgisayara montajlanmış ve performansı test edilmiştir.  Akış analizleri sonucunda OMKS için optimum parametreler; KAM 0,1 mm, KY 2,3 mm, KK 0,15 mm ve TK 1,25 mm olarak belirlenmiştir. Üretilebilirlik durumu göz önüne alınarak modelin üretiminde KAM parametresi 0,15 mm olarak uygulanabilmiştir. Akış odası içerisindeki girdap oluşumları ve sıcaklık değerleri için yapılan analizlerde 31,64 °C ile en düşük OMKS değerini veren ve diğer konsept tasarımlara göre daha az girdap oluşumu gözlenen tasarım nihai tasarım olarak belirlenmiştir. Üretimi bu tasarıma göre yapılan sıvı soğutma sisteminin, işlemci %60-%70 performansta çalışırken gerçekleştirilen, performans testlerinde maksimum sıcaklığın 44,7 °C olduğu gözlemlenmiştir. Geliştirilen modelin performans test sonuçlarının analiz sonuçlarına yaklaştığı ve elde edilen modelin başarılı olduğu ispatlanmıştır.

Abstract:
Within the scope of this study, it is aimed to make the prototype production of the design suitable for the optimum parameters and to verify with the tests by making flow analyses of the heatsink and water block, which are the components of the liquid cooling systems used in computers, with the finite volume analysis method. In order to achieve this goal, three-dimensional designs of the heatsink and water block were made with a commercial software and transferred to the analysis environment. Four different parameters were determined for the heatsink component design. These parameters are; distance between fins (DBT: 0,1-0,2-0,3 mm), fin height (FH: 2,3-2,5-2,7 mm), fin thickness (FT: 0,15-0,3-0,45 mm) and the base plate thickness (BPT: 1,25-1,5-1,75 mm). As a result of the flow analyses carried out, the average heatsink temperature (AHT) was examined. With the water blocks whose concept designs have been completed, the heatsink structure determined as a result of the analyses has been transferred to the analysis environment by mounting in the virtual environment. Within the scope of these analyses, vortex formations and temperature values in the water block were observed. Improvements were made on the final design determined to minimize vortex formations and balance the flow distribution on the heatsink. After the design, analysis and design improvement studies, the heatsink was processed on a CNC router-like workbench and the water block was produced with a 3D printer with DLP technology. Afterwards, the whole system, together with the manufactured components, was assembled on a computer with an Intel processor and its performance was tested. Optimum parameters for AHT as a result of flow analysis; DBT was determined as 0,1 mm, FH 2,3 mm, FT 0,15 mm and BPT 1,25 mm. Considering the manufacturability status, the DBT parameter was applied as 0,15 mm in the production of the model. In the analyses made for the vortex formations and temperature values in the water block, the design that gave the lowest AHT value with 31,64 °C and less vortex formation compared to other concept designs was determined as the final design. It has been observed that the maximum temperature of the liquid cooling system, which is produced according to this design, is 44,7 °C in the performance tests performed when the processor is running at 60%-70% performance. It has been proven that the performance test results of the developed model are close to the analysis results and the obtained model is successful.