Toz metalurjisi ile üretilen gözenekli ısı alıcıların akış kaynama performansının deneysel incelenmesi
Experimental investigation on flow boiling performance of porous heat sinks produced by powder metallurgy
Yazar: ZEYNEP KÜÇÜKAKÇA MERAL
Danışman: PROF. DR. NEZAKET PARLAK
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında mikrokanallı ısı alıcıları için gözenekli bakır plakalar
üretilmiştir. Üretim sürecinde farklı boyutlara sahip bakır tozları kullanılmış ve toz
metalurjisi adımları takip edilmiştir. Sinterleme sıcaklığı, süre, basınç ve toz boyutu
arasındaki gözeneklilik seviyesini etkileyen parametrelerin belirlenmesi için Taguchi
deneysel tasarım yöntemi kullanılmıştır. Deneylerde 5 µm ve 50 µm boyutunda bakır
tozları kullanılmış olup, tozlar kalıpta 50 ve 60 bar olmak üzere iki farklı basınçta
sıkıştırılarak 700 ⁰C ve 900 ⁰C sıcaklıklarda 30 ve 60 dakika sinterlenmiştir. L8
ortogonal dizisi, Taguchi yönteminde en yüksek gözenekliliğe sahip yüzey
hedeflenerek seçildi. Her tasarım parametresinin gözeneklilik üzerindeki etki oranları
varyans analizi (ANOVA) ile belirlendi. Üretilen numunelerin mikroyapısı, termal ve
mekanik özellikleri karşılaştırmalı olarak analiz edildi. Bu çalışma, geleneksel toz
metalurjisi işlemiyle üretilen dikdörtgen kesitli paralel mikrokanallara sahip ısı
alıcılarında akış kaynaması üzerine yeni bir deneysel çalışma sunmaktadır.
Mikrokanallı ısı alıcıların boyutları 20 mm x 20 mm' dir. Testlerde kullanılan tüm ısı
alıcıların kanal boyutları ve kanal sayıları aynıdır. Kaynama akış testleri, deiyonize
su ile 238,2 ve 430,32 kg/m 2 s kütlesel akıda gerçekleştirildi. Akışkan, ısı alıcıya
80°C' de tamamen sıvı olarak girer. Testler sabit ısı akısı koşulları altında
gerçekleştirilmiştir ve ısı akıları 46,5 ve 61,5 W/cm 2 'dir. Deneysel çalışmalar, en
yüksek gözenekliliğe sahip soğutucudaki ısı taşınım katsayılarının, saf bakır ısı
alıcıya göre yüzde 28 ile 33,3 daha yüksek olduğunu göstermiştir. Deneysel ısı
taşınım katsayıları artan kütlesel akıyla artar ve artan ısı akısı ve buhar kalitesiyle
azalır. Öte yandan gözenekliliği en yüksek olan ısı alıcısının basınç düşümü değerleri
saf bakır soğutucuya göre bir buçuk kat daha fazla ölçüldü. Mevcut bağıntı ve
literatür verileri ile karşılaştırılarak mikro ölçekte akış kaynaması ve ısı transferi
konusundaki bilgiye katkı sağlama amacı gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, elde edilen
verilerin, endüstriyel uygulamalardan laboratuvar araştırmalarına kadar geniş bir
yelpazede kullanılabilecek kapsamlı bir temel oluşturmasını hedeflenmiştir. Çalışma
neticesinde hem akademik hem de endüstriyel bir perspektiften, mikrokanallı ısı
alıcıları üzerine yapılan araştırmalara yeni bir bakış açısı getirmek amaçlandı.

Abstract:
Porous copper plates were made for microchannel heat sinks in this thesis study. In
the production process, copper powders of various sizes were used, and powder
metallurgy steps were followed. Sintering temperature, time, pressure, and powder
size were the factors influencing porosity level and volume, which were determined
by using the Taguchi experimental design method. The experiments used copper
powders of 5 μm and 50 μm sizes. The powders were compressed in the mold at 50
and 60 bars respectively, and they were sintered for 30 and 60 minutes at 700 °C and
900 °C. Utilizing the Taguchi method, the L8 orthogonal array was selected to target
the surface with the highest porosity. Analysis of variance was used to calculate the
effect ratios of each design element on porosity (ANOVA). The thermal, mechanical,
and microstructure characteristics of the generated samples were examined and
compared. This paper reports on a new experimental investigation on flow boiling in
coolers with parallel microchannels and a rectangular cross-section created using a
traditional powder metallurgy process. Microchannel coolers have 20 mm by 20 mm
dimensions. Every cooler utilized in the testing has the same number and dimensions
for the channels. Deionized water was used for the boiling flow tests, with mass flux
of 238.2 and 430.32 kg/m 2 s. At 80°C, the liquid totally evaporates and enters the heat
sink. The heat fluxes used in the tests were 46.5 and 61.5 W/cm 2 , and they were
conducted under constant heat flux conditions. According to experimental research,
the heat transfer coefficients in the heatsink with the largest porosity are 28–33.3
percent greater than those in the heatsink made entirely of copper. The experimental
heat transfer coefficients show that they go down with increasing heat flux and steam
quality and up with flow rate. Conversely, the coolant sample exhibiting the largest
porosity showed 1.5 times higher pressure drop values than the pure copper cooler.
In this study, an experimental investigation was conducted on the effect of solid
surface thermophysical properties on heat transfer properties in flow boiling in
microchannels.
Within the scope of the study, heat and flow experiments were carried out on eight
microchannel heat sinks with different porosity that we produced with the principle
of powder metallurgy.