Termoelektrik yöntemler ile mikroişlemci soğutucu tasarımı
Microprocessor cooler design with thermoelectric method
Yazar: SİNAN ÇOBANER
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ FATİH UYSAL
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Teknolojinin gelişmesiyle birlikte elektronik cihazların tükettiği enerji de artmıştır. Bunun sonucunda açığa çıkardıkları ısıda da ciddi bir artış olmuştur. Günümüzde elektronik cihazların soğutulması önemli bir konu haline gelmiştir. Özellikle mikroişlemci gibi çabuk ısınan ve yüksek ısı akısına sahip olan ekipmanlar hem kendilerine hem de çevrelerindeki ekipmanlara zarar verebilmektedir. Bu projede elektronik cihazların soğutulması konusu ele alınarak termoelektrik modül ile mikroişlemci soğutmak amaçlanmıştır. Mikroişlemciler malzeme yapısı sebebi ile 90 °C sıcaklık üzerinde zarar görmektedir. Bu yüzden sıcaklık 90 °C'ye ulaştığında işlemci sınırlandırılmakta ve programlar tarafından işlem hızı yavaşlatılmaktadır. Bu durum işlemcinin maksimum performansta çalışmasına engel olmaktadır. Soğutma uygulamalarında kullanılan termoelektrik modülleri alternatif bir yöntem olarak mikroişlemcilerin soğutulmasında da kullanılmaktadır. İşlemciler pahalı ekipmanlar oldukları için deneylerde mikro işlemci mikro ısıtıcı ile simüle edilmiştir. İstenilen performans elde edildikten sonra Termoelektrik modül mikroişlemci soğutmada kullanılmıştır. Termoelektrik modüllerin küçük olma, sessiz çalışma, soğutucu akışkan içermeme, hızlı tepki verme ve kontrol edilebilir olma gibi birçok avantajı vardır. Bu avantajlar soğutma uygulamalarında tercih edilmelerine sebep olmaktadır. Termoelektrik modüller soğutucu olarak Peltier etkisi ile çalışmaktadır. Modüle uygulanan elektrik ile harekete geçen elektronlar bir yüzeyden aldıkları ısıyı diğer yüzeye bırakmaktadır. Bu durum neticesinde iki yüzey arasında sıcaklık farkı meydana gelmektedir. Bu sıcaklık farkından yararlanarak Peltier modülün soğuk yüzeyi ile işlemciden ısı alınarak sıcak yüzeyden ısı atılabilmektedir. Peltier modülün sıcak yüzeyi soğutularak, soğutma performansının arttırılması amaçlanmış ve sıcak yüzeye soğutma amacıyla soğutucu kanat sistemi uygulanmıştır. Deneyler yapılırken her ekipman teker teker test edilmiş ve sistem performansındaki değişiklikler gözlemlenmiştir. Deneylerde Peltier modüller ısıl olarak seri şekilde birbirlerine ikili ve üçlü olarak bağlanmıştır. Hem tek Peltier modülün hem de ikili ve üçlünün performansı karşılaştırılmış ve üçlü olan kullanılmaya uygun görülmüştür. Deneyler sonucunda uygun olan Peltier modül ile işlemci üzerinde deneyler yapılmıştır. Peltier modülün işlemci sıcaklığını 2.5 °C' ye kadar düşürdüğü ölçülmüştür. Ayrıca bilgisayar içerisinde bazı programlar kullanılarak işlemcinin yükü arttırılmış ve işlemcinin sıcaklığı 33 °C'de tutulmuştur. Elde edilen sonuçlar neticesinde tasarlanan soğutucunun mikroişlemciyi soğutma konusunda başarılı olduğu görülmüştür.

Abstract:
With the advancement of technology, the energy consumption of electronic devices has also increased. As a result, there is a significant increase in the heat they generate. Cooling electronic devices has become an important issue today. Especially equipment such as microprocessors, which heat up quickly and have high heat flux, can cause damage both to themselves and to surrounding equipment. In this project, the cooling of electronic devices is addressed, aiming to cool a microprocessor with a thermoelectric module. Microprocessors are susceptible to damage above 90°C due to their material structure, so the temperature is limited to 90°C, and the processing speed is slowed down by programs. This situation can hinder the processor from operating at maximum performance. Thermoelectric modules, commonly used in cooling applications, are aimed to be used in microprocessors as an alternative method. Since processors are expensive equipment, for experiments, a micro heater is used to simulate the processor. Thermoelectric modules have many advantages such as being small, operating silently, not containing a coolant flow, responding quickly, and being controllable, which makes them preferred in cooling applications. Thermoelectric modules operate as coolers using the Peltier effect. The electrons activated by the electricity applied to the module transfer heat from one surface to the other. As a result, a temperature difference occurs between the two surfaces. Taking advantage of this temperature difference, heat is extracted from the processor to the cold surface of the Peltier module and dissipated from the hot surface. By cooling the hot surface of the thermoelectric module, the cooling performance is aimed to be increased, and a cooling fin system is applied to achieve this purpose. During experiments, each equipment was thoroughly tested, and changes in system performance were observed. In the experiments, thermoelectric modules were connected thermally in series to each other in pairs and triples. Both the performance of a single thermoelectric module and pairs and triples were compared, and the triple configuration was found to be suitable for use. Experiments were conducted on the processor with the suitable thermoelectric module identified. It was measured that the thermoelectric cooler reduced the processor temperature by up to 2.5°C. Additionally, some programs were used within the computer to increase the processor load, and the processor temperature was kept at 33°C. As a result of the obtained results, it was seen that the designed cooler was successful in cooling the microprocessor.