Yüksek en-boy oranlı düz dikdörtgen mikro kanallı ısı kuyularının sayısal ve deneysel incelenmesi
Experimental and numerical investigation of high aspect ratio straight rectangular microchannel
Yazar: MURAT PARLAK
Danışman: PROF. DR. ABUZER ÖZSUNAR ; PROF. DR. ALİ KOŞAR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Güç tüketimi = Power consumption ; Kanatçıklar = Blades ; Mikro kanallar = Micro channels

Özet:
Elektronik soğutma ile ilgili problemlerin zorluğu son 20 yıldır artarak devam etmektedir. Buradaki en önemli etkenlerden biri, aygıtların boyutlarındaki küçülme gereksinimine bağlı olarak ısı akılarının artmasıdır. Isı atan veya ısınan elemanların elektriksel performansı sıcaklığı ile ters orantılı olmaktadır. Sıcaklığı kontrol edilemeyen elemanların zamanla performansı düşmekte ve ömrü sıcaklıkla azalmaktadır. Yapılan bu çalışmada, üretimi nispeten diğer desenlere göre daha kolay ve çok kullanılan düz dikdörtgen kanallı mikro kanallı ısı kuyusu sonlu hacimler metodu ile sayısal incelenmiş, sonrasında çalışmalar deneyler ile doğrulanmıştır. Bu çalışmada, ısı kuyusu tasarımında kanatçık en-boy oranı yüksek (büyük) olan kanallar seçilerek 100W/cm2 ısı akısının soğutulması hedeflenmiştir. Isı kuyusu genişliği ve uzunluğu 10 mm olarak sabit alınmıştır. En-Boy oranı dikdörtgen şekilli kanallarda gerek ısı transferinde gerekse basınç düşümlerinde oldukça etkin rol oynamaktadır. Bu sebeple, farklı en-boy oranlarında, ısıl iletkenliği iyi olan ve uygulamada çok yaygın olarak kullanılan Alüminyum 6063-T05 serisi malzeme ısı kuyusu olarak seçilmiştir. Akışkan olarak donma noktası düşük olması sebebiyle etilen glikol-saf su (EGW) karışımı seçilmiştir. Yapılan 216 farklı üç boyutlu konjuge analiz çalışması sonucunda, ısıl direnci Rth=0.2 W/C'nin altında kalan ve en küçük pompa gücüne ihtiyaç duyan tasarım optimum ısı kuyusu olarak seçilmiştir. Gereksinimleri sağlayan ısı kuyusunun kanal yüksekliği 2 mm, toplam kanatçık kalınlığı 120 m ve kanatçıklar arası mesafe 120 m olan tasarımdır ve 20 kPa basınç düşümünde en yüksek soğutma performansına sahiptir. Üretimi yapılan ısı kuyusu, hazırlanmış olan bir düzenekte farklı debiler için test edilmiş ve yapılan ilave analizler ile literatürdeki değerler karşılaştırılmıştır. Değişken Re sayısına bağlı olarak hesaplanan Nu, Rth ve h sayıları grafik halinde sunulmuştur. Hesaplanan deneysel değerler, sayısal değerlerden ve literatürdeki korelasyonlardan daha yüksek olduğu görülmüştür.  Ayrıca kanal boyunca oluşan basınç düşümleri teori ile karşılaştırılmıştır ve deneyler ile elde edilen veriler daha yüksek bulunmuş.

Abstract:
Due to the confined space allocated for cooling, the thermal problem of electronics has continuously increased for the last two decades. Every year, the equipment size gets smaller and its power dissipation goes up to obtain a compact and high-performance product. It is well known that the performance and life directly depend on the temperature. In this study, a straight rectangular microchannel has been studied due to its high performance and relatively easier producibility compared to other fin designs. In a rectangular channel, the channel aspect ratio is a very important parameter affecting both thermal and hydrodynamic performance. Because of this, a high aspect ratio channel has been deliberately studied to have high cooling performance and lower pressure drop. Aluminum 6063-T05 has been used as the solid material and ethylene glycol distilled water mixture (EGW) has been selected as the liquid to have sufficient cooling performance. EGW is mostly the preferred liquid in industrial and military cooling applications due to its low freezing point. Totally 216 3D conjugated CFD analyses are carried out to find the optimum solution which enables         Rth< 0.2 °C/W and the lowest pump power. After analyzing all results, it is seen that the channel with the parameters of total fin thickness = 120 µm, channel space = 120 µm, and channel height = 2 mm is the best that fits all requirements at the pressure drop of P= 20 kPa through the channel. The optimized channel has been produced with EDM technology and a highly accurate test set-up has been prepared to minimize any error at the measurement stage. The microchannel heat sink has been tested with different flow rates and Nu numbers, Rth, and h are calculated both numerically and experimentally. The results are compared with the literature and it is evaluated that the experimental Nu number in the thermal developing region is higher than both numerical and suggested correlations in the literature. In addition, pressure drop through the channel has been measured and it is evaluated that the experimental results are higher than the numerical values.