Bilgisayar işlemcileri için sıvı soğutmalı ısı değiştirici HAD analizleri
CFD analyses of liquid-cooled heatsink for computer processors
Yazar: GÜLNAZ TOPCU
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ÜMRAN ERÇETİN
Dumlupınar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Her geçen gün gelişen teknoloji sayesinde elektronik devre elemanlarının veya cihazların çalışma hızları veya kapasiteleri vs artarken kullanımları da bir o kadar artmakta fakat çoğu cihazın boyut kısıtlamalarından dolayı da farklı problemler ortaya çıkmaktadır. Bu tür gelişmelerin birbiri ardına geldiği sektörlerden birisi de bilgisayar sektörü olup, bu sektörde de özellikle de bilgisayar işlemcileri başı çekmektedir. Bilgisayarların hızlarının en yüksek seviyeye getirilmesi için yapılan çalışmalarda işlemcilerin içlerine yerleştirilen transistör sayısı, ki bu bilgisayar işlemcilerinin hızı ile doğrudan orantılıdır, artmakta fakat boyut problemleri ve transistörlerden akan akımlardan kaynaklı olarak ortaya çıkan ısının uzaklaştırılması bir sorun olarak karşımıza çıkmaktadır. Çoğu bilgisayar işlemcisi hava soğutmalı olarak tasarlanmakta fakat bilgisayarlarla uzun süreli çalışmalarda veya işlemcileri yoğun çalışan bilgisayarlarda hava soğutmalı sistemler yetersiz kalmakta ve ya bilgisayarlar kendilerini korumaya almakta veya arızalanmaktadırlar. Bu tür çalışan bilgisayarlardaki ısınma sorunları için günümüzde farklı çözümler üretilmiş olup bu çözümlerden birisi de sıvı soğutmalı işlemcilerin kullanılması olmuştur. Bu çalışmada halen piyasada bulunan sıvı soğutmalı bilgisayar işlemcilerinden biri olan Zalman ZM-WB3 Gold model ısı değiştiricisinin bilgisayar modeli oluşturulmuş, yapılan model önceki araştırmacıların modelleri ve deneysel verileriyle doğrulanmış, sonrasında da aynı ısı değiştiricinin kanatçık kalınlıkları ve yükseklikleri ile ısı değiştiricinin çalıştığı sıvı akışkanın cinsi değiştirilerek oluşturulan yeni modellerin Ansys Fluent 17.1 programı kullanılarak HAD analizleri yapılmıştır. Dikdörtgen kanatçıklı sıvı akışkanlı ısı değiştiricisinin 5 mm, 5,5 mm ve 5,7 mm kanatçık yüksekliklerinde, 1,2 mm, 1,6 mm, 1,8 mm ve 2 mm kanatçık kalınlıklarında, ayrıca akışkan olarak su, hacim oranları %2,25 ve %0,86 olan bakır oksit–su (CuO-H2O) nanoakışkanları ile hacim oranları %0,01 ve %0,02 olan grafen oksit (GO-H2O) nanoakışkanları kullanılarak yapılan modellemelerinin ardından model içinde üretilen ısıyı uzaklaştırma (soğutma) performansları incelenmiştir. Oluşturulan, çözümlenen ve elde edilen sonuçlar sonrasında en iyi işlemci soğutucu performansının, 5,7 mm kanat yüksekliğine ve 1,8 mm kanat kalınlığına sahip ısı değiştiricisinde, hacimsel oranı %2,25 olan CuO–H2O nanoakışkanı kullanılması durumunda elde edilebileceği sonucuna varılmıştır.

Abstract:
With the development of technology every day, the use of electronic circuit elements or devices increases with their operating speeds or capacities, etc., but several problems arise due to the size limitations of most devices. One of the sectors in which such developments come one after the other is the computer sector, and in particular, computer processors take the lead. With the practices intending to maximize the speed of computers, the number of transistors installed in the processors, which is directly proportional to the speed of the computer processors, is increasing, on the other hand, size issues and the removal of the heat generated by the current flowing from the transistors are the rising problems. Most computer processors are designed to be air-cooled, however for long-term or intensive operations, air-cooled systems are inadequate and either computers either protect themselves or they crash. Nowadays, different solutions have been provided for heating problems of such computers and one of these solutions is to use liquid-cooled processors. In this study, a computer model of the Zalman ZM-WB3 Gold heat exchanger which is one of the liquid-cooled computer processors in the market, has been generated, the model has been confirmed by the previous researchers' models and experimental data. Then, the fin thickness and heights of the same heat exchanger, and the type of liquid fluid in which the heat exchanger operates have been changed. The CFD analyzes of the new models were performed by using Ansys Fluent 17.1 program. Following that, nano heat removal (cooling) performances were investigated with models using rectangular fin fluid heat exchanger with different fin heights of 5 mm, 5,5 mm and 5,7 mm, and different fin thicknesses of 1,2 mm, 1,6 mm, 1,8 mm and 2 mm, and different fluids as water, copper oxide-water (CuO-H2O) nanofluids with volume ratios of 2,25% and 0,86%, and graphene oxide (GO-H2O) nanofluids with volume ratio of 0,01% and 0,02%  It was concluded that the best CPU cooler performance can be achieved by using CuO - H2O as nanofluid with a volumetric ratio of 2,25% with a heat exchanger that has 5,7 mm fin height and 1,8 mm fin thickness.