Kapalı hacim içerisindeki elektronik kartların termal davranışının deneysel ve nümerik olarak araştırılması
Experimental and numerical investigation of thermal behavior of electronic boards inside an enclosure
Yazar: YENER USUL
Danışman: PROF. DR. ŞENOL BAŞKAYA
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Sunulan tez kapsamında, kapalı hacim içerisinde bulunan bir elektronik kart komplesinin zamana bağımlı doğal taşınım altındaki termal davranışı deneysel ve nümerik olarak incelenmiştir. Kart üzerinde iki adet elektronik komponent bulunmaktadır. Kart komplesi dört adet ayak üzerine sabitlenmiş ve bu ayaklar da ısıtıcı bir plaka üzerine yerleştirilmiştir. Nümerik analizler iletim tabanlı SEY (Sonlu Elemanlar Yöntemi) ve HAD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. HAD analizlerinin çözümü, zamana bağımlı doğal taşınım ile ısı transferi olan problemlerde oldukça uzun sürmektedir. Öte yandan, iletim tabanlı SEY analizlerinde, sistemde bulunan hava analiz modeline dahil edilmemektedir. Bu da çözüm doğruluğunu olumsuz etkilemektedir. Bu çalışmada, iletim tabanlı SEY analiz modelinde, taşınım sınır şartı tanımlanması için kullanılan taşınım katsayıları deneysel veriler referans alınarak doğrulanmıştır. Ayrıca analiz modelinde belirsizlik içeren, komponentler ile kart arasındaki termal temas direnci ve komponentlerde meydana gelen güç düşüm oranı değerleri de yine deneysel veriler kullanılarak belirlenmiştir. Deneysel veriler kullanılarak doğrulanan analiz modeli ile sistemin termal davranışı 64 farklı sınır şartı için parametrik olarak incelenmiştir. İncelemeler sonucunda, komponent sıcaklığının komponent gücünden, kartın alt yüzeyinin ise, komponent ile aynı hizada olsa bile, kartın alt yüzeyine bakan ısıtıcı plaka sıcaklığından önemli miktarda etkilendiği çıkarımına varılmıştır. Sistem başlangıç sıcaklığının yüksek olduğu durumlarda, ısıtıcı plaka sıcaklığı ve komponent sıcaklığının farklı değerleri için kart ve komponent sıcaklıklarında artış, azalış, önce azalış sonra artış veya önce artış sonra azalış görülebilmektedir. Bu etkiler, ilgili bölgeler ve ısı kaynakları arasındaki termal direnç ile alakalıdır. Ek olarak, beş farklı sınır şartı için HAD ve iletim tabanlı SEY analizleri ve bu sınır şartlarından ikisi için deneyler gerçekleştirilip analiz ve deney sonuçları karşılaştırılmıştır. Sonuçlara göre iletim tabanlı SEY analiz modeli doğru kurulduğu takdirde, HAD analizleri ile ve deneyler ile benzer sonuçlar elde edildiği görülmüştür.

Abstract:
In this study, experimental and numerical investigations of thermal behavior of an electronic board assembly under unsteady natural convection in an enclosure was performed. There are two electronic components placed on the electronics board. The assembly is placed on four legs, which stand over a heater plate. Numerical analyses were perfomed using conduction based FEM (Finite Element Method) and CFD (Computational Fluid Dynamics). Solutions using CFD analyses take long times, especially for time dependent problems with natural convection. On the other hand, in conduction based FEM, the fluid within the system, in general air, is not modeled directly, and hence, solution accuracy may be affected negatively. In this study, the heat transfer coefficients that were used to define the convective heat transfer boundary conditions were corrected by taking the experimental results as a reference. Additionally, unknown analysis input parameters, thermal contact resistance between the components and the board and component power deration rate were determined again using experiment results. Using the corrected analysis model, thermal behavior of the electronic board was examined for 64 different scenarios. The results of the examination indicate that the temperature of the upper surface of the components were highly affected from the component power, whereas, the temperature of the bottom side of the board was highly affected from the heater plate temperature, although the point of interest is right across the component. For the cases when the initial temperature of the system is relatively high, the temperature values of the board and the components may increase, decrease, firstly decrease then increase and vice versa. These behaviors are related to the thermal resistance between the heat sources and points of interest. Moreover, CFD and FEM analyses were performed for five more different boundary conditions and experiments were performed for two of them. Then, the results were compared. According to the results, setting up the FEM analysis model properly, results close to the CFD analysis and experiment results can be obtained.