Yüksek güç tüketen elektronik bileşenlerin doğrudan hava akışı ile soğutulmasına kanatçık geometri etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of fin geometry on the cooling of high power consuming electronic components by air flow through
Yazar: YUSUF TEKİN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. MUHİTTİN BİLGİLİ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Gerçekleştirilen bu çalışmada, yüksek güç tüketen elektronik bileşenlere sahip baskı devre kartlarının, modül seviyesinde soğutma yöntemlerinden biri olan modül içerisinden hava dolaştırılarak (AFT-Air Flow Through) soğutma yöntemi incelenmiştir. Yöntemin uygulanması aşamasında, ANSI/VITA 48.8-2017 standarttı referans alınmıştır. Bu yöntem, elektronik bileşenlerin soğutma havasıyla direk teması olmadan, modül seviyesinde soğutulmasına imkân sunmaktadır. Referans alınan standart içerisinde, modüllerin soğutma ihtiyacına doğrudan etki eden kanatçık geometrisi ile ilgili herhangi bir detay verilmemiştir. Bu çalışmanın amacı, standart içerisinde eksik olan bu bilgilere açıklık getirmektir. Isı emici görevindeki takabilir modül, 3U (100*1600mm) biçim faktörüne sahip bir baskı devre kartına uygun olacak şekilde tasarlanmıştır. Çalışma kapsamında, 1 inç, 1.2 inç ve 1.5 inç adım aralığına sahip takılabilir bir modül üzerinde oluşturulabilecek maksimum kanatçık yükseklikleri altında kanatçık sayısı ve kanatçık kalınlığı değiştirilerek modülün soğutma performansında ve akış dinamiklerinde meydana gelecek değişimler incelenmiştir. 3U modüle ait termal direnç, basınç düşümü ve Nusselt sayısındaki değişimleri gözlemlemek için üç boyutlu sayısal analiz çalışmaları yapılmıştır. Sayısal analiz çalışmaları FLOEFD paket programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Modülün elektronik bileşenlerin temas ettiği yüzeyine sürekli 100 W ısı verilmiştir Modülün hava giriş tarafında, 25°C sıcaklıkta ve Reynolds sayısı (Re) 2000 ile 11000 arasında değişen hava kullanılmıştır. Analizlerin gerçekleştirildiği sayısal modeli doğrulamak amacıyla 1.2 inç adım aralığına sahip ve üretimi gerçekleştirilmiş bir modül üzerinde deneysel çalışmalar yapılmıştır. Sonuç olarak,  sabit bir Re sayısında 1.5 inç adım aralığına sahip modül yüzeyinde %43 daha düşük yüzey sıcaklığı elde edilmiştir. Nusselt sayısı üzerinden deneysel çalışmalar ile elde veriler ile sayısal simülasyonlar sonucunda elde edilen veriler arasındaki sapmalar %5.9 ile %10 arasında değişmektedir.

Abstract:
In this study, the AFT-Air Flow Through (AFT-Air Flow Through) method, which is one of the methods of cooling high power consuming electronic cards at the module level, is examined. The ANSI/VITA 48.8-2017 standard is taken as a reference for the implementation of the method. This standard allows the cooling of the components on the board without contact with the cooling air by placing fins in a limited area inside the module. In the referenced standard, any details related to the fin geometry, which directly affects the cooling capacity of the modules, are not given. The purpose of this study is to provide explanations for this missing information in the standard. The plug-in module serving as a heat sink is designed for a printed circuit board with a form factor of 3U (100*1600mm). Within the scope of the study, the cooling performance and flow dynamics of the module were investigated by changing the number of fins and thickness of the fins under the maximum fin heights that can be created on a plug-in module with a pitch spacing of 1 inch, 1.2 inch and 1.5 inch. Three-dimensional numerical analysis studies were carried out to investigate the changes in thermal resistance, pressure drop and average Nusselt number of the 3U module. Numerical analysis studies were carried out with FLOEFD software package. A continuous heat of 100 W was applied to the surface of the module where the electronic components are in contact. In the module's air inlet side, air was used with a temperature of 25°C, having a Reynolds number (Re) range between 2000 and 11000. In order to validate the numerical model on which the analyses were performed, experimental studies were carried out on a manufactured module with a pitch spacing of 1.2 inches. As a result, 43% lower surface temperature was achieved on the module surface with a pitch spacing of 1.5 inches at a constant Re number. The deviations in the Nusselt number between the data obtained from experimental studies and the data obtained from numerical simulations vary between 5.9% and 10%.