Kaskad çarpan jet ile mini ısı alıcıların ısı ve akış karakteristiklerinin belirlenmesi
Determination of heat and flow characteristics of mini heat sinks with cascade impingement jet
Yazar: CEMAL TOSUN
Danışman: PROF. DR. KENAN YAKUT
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Amaç: Elektronik devre elemanları, mikro işlemci ve elektromekanik sistemlerin soğutulması, çalışma performanslarını arttırmak ve ömürlerini uzatmak için elzemdir. Çarpan hava jetleri yüksek ısı ve kütle transferi sağlamalarından dolayı; ısıtma, soğutma ve kurutma uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Çalışmada mikro işlemcilerin optimum sıcaklık değerleri arasında (80-40 oC) sorunsuz bir şekilde çalışabilmesini sağlamak kaskad çarpan jet ve diferansiyel ısı alıcı deney düzeneği kurulmuştur. Deney koşulları işlemcinin güvenli sınırda rahatça çalışmasını sağlayacak aralıkta olacak şekilde belirlenmiştir. Kaskad çarpan jetle soğutmada optimum ısı alıcı etkilerinin belirlenebilmesi için deneyler yapılmış, ardından belirlenen ısı alıcılar diferansiyel ısı alıcı üretimi için referans olmuştur. Üretilen diferansiyel ısı alıcılar ve referans ısı alıcılarla farklı basınç, farklı nozul sayısı, sabit ısı akısı ve bu durumlar için akış özellikleri (spektrum analizör kullanılarak) araştırılmıştır. Sistem ANYS Fluent ile modellenerek deneysel verilerle karşılaştırılmıştır.
Yöntem: Yukarıdaki amaçlar doğrultusunda kaskad çarpan jet sisteminde geometrik parametrelerin ısı transferine etkilerinin araştırılması için deneyler yapılmıştır. Deneyler 1A akım, 12V sabit gerilim, h/d=2 (1,22 cm) nozul-ısı alıcı arası mesafe, 1-1,5-2 bar basınç, 20 G nozul çapı, 1-6 adet arasında nozul sayısında ve 80-40 oC sıcaklık değerleri arasında gerçekleştirilmiştir. Öncelikle 27 adet ısı alıcı test edilmiştir. Ardından diferansiyel ısı alıcıların üretimi yapılarak aynı şartlar altında deneyler yapılarak karşılaştırılmaları yapılmıştır.
Bulgular: 27 adet ısı alıcı içerisinden optimum soğutmayı sağlayan kare-3 ve kare-26 ısı alıcılar olduğu belirlenmiştir.  Bu nedenle bu ısı alıcıların orta kanatlarının yüksekliği 1,5 ve 2 kat arttırılarak kare-3 dif-1, kare-3 dif-2, kare-26 dif-3 ve kare-26 dif-4 diferansiyel ısı alıcılar üretilmiştir. Diferansiyel ısı alıcılarla yapılan deneylerde 6 nozul, 5 nozul, 4 nozul ve 3 nozul 1 bara kadar etkin soğutmanın gerçekleştiği belirlenmiştir. Nozul sayısının artışı ve diferansiyel kanatçık kullanımının merkezde oluşan yüksek sıcaklık sorununu etkili bir şekilde çözdüğü görülmüştür. Yapılan deneylerde tekli çarpan jete göre kaskad çarpan jet kullanımının, standart kanatçık yerine diferansiyel kanatçık kullanmanın soğutma üzerinde olumlu etkilerinin olduğunu göstermiştir.
Sonuç: Bu araştırmada, diferansiyel kanatçıklı ısı alıcıların, standart kanatçıklı ısı alıcılara göre daha etkin bir soğutma sağladığı belirlenmiştir. Aynı şartlar altında diferansiyel kanatçıklı ısı alıcıların soğutma performansının standart kanatçıklı ısı alıcılara göre ortalama %9,2 daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Bu araştırma, 5 nozul kullanılan kaskad çarpan jet sisteminin en etkili soğutmayı sağladığını göstermektedir. 2 bar basınç altında: En iyi soğutma performansı kare-26 dif-3 ısı alıcı ile 23,5 saniyede, 1,5 bar basınç altında kare-26 dif-3 ısı alıcı ile 28,5 saniyede, 1 bar basınç altında kare-26 dif-4 ısı alıcı ile 37 saniyede gerçekleşmiştir. CFD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) analizleri ile deneysel veriler karşılaştırıldığında: Deneysel sonuçlar 2 bar için %12,43, 1,5 bar için %16,79, 1 bar için %19,05 daha iyi soğutma performansı göstermiştir. Nozul sayısı ve basınç değeri azaldıkça soğutma performansı düşmekte ve soğutma süresi artmaktadır. Nozul sayısı ve basınç değerinin artması soğutma performansını ve soğutma süresini olumlu yönde etkilemektedir. Bu sonuçlar, sistem tasarımında ısı alıcı, nozul sayısı ve basınç değerinin optimizasyonunun, soğutma performansını artırmak için kritik öneme sahip olduğunu göstermektedir. Bu tür detaylı analizler, daha verimli soğutma sistemlerinin geliştirilmesine katkıda bulunabilir.

Abstract:
Purpose: The cooling of electronic circuit components, microprocessors, and electromechanical systems is essential for enhancing their performance and extending their lifespan. Impinging air jets are widely used in heating, cooling, and drying applications due to their high heat and mass transfer capabilities. In this study, a cascade impinging jet and differential heat sink experimental setup was established to ensure that microprocessors can operate smoothly within their optimal temperature range (80-40°C). The experimental conditions were determined to be within the range that would allow the processor to operate comfortably within its safe limits. Experiments were conducted to determine the optimum heat sink effects in cooling with cascade impinging jets, and the identified heat sinks served as references for the production of differential heat sinks. The produced differential heat sinks and reference heat sinks were investigated under different pressures, various nozzle numbers, constant heat flux, and the flow characteristics for these conditions (using a spectrum analyzer). The system was modeled using ANSYS Fluent and compared with the experimental data.
Method: In line with the above objectives, experiments were conducted to investigate the effects of geometric parameters on heat transfer in a cascade impinging jet system. The experiments were carried out under conditions of 1A current, 12V constant voltage, a nozzle-to-heat sink distance of h/d=2 (1,22 cm), pressures of 1-1.5-2 bar, a nozzle diameter of 20G, a nozzle count ranging from 1 to 6, and temperature values between 80-40°C. Initially, 27 heat sinks were tested. Afterwards, differential heat sinks were produced and experiments were carried out under the same conditions and comparisons were made.
Findings: Among the 27 heat sinks tested, it was determined that the square-3 and square-26 heat sinks provided the optimal cooling. Therefore, the heights of the middle fins of these heat sinks were increased by 1.5 and 2 times, resulting in the production of differential heat sinks named square-3 dif-1, square-3 dif-2, square-26 dif-3, and square-26 dif-4. In experiments conducted with the differential heat sinks, it was determined that effective cooling was achieved with 6 nozzles, 5 nozzles, 4 nozzles, and 3 nozzles up to 1 bar. It was observed that the increase in the number of nozzles and the use of differential fins effectively resolved the issue of high temperatures occurring at the center. The experiments demonstrated that the use of cascade impinging jets, as opposed to single impinging jets, and the use of differential fins instead of standard fins had positive effects on cooling.
Results: In this study, it was determined that differential finned heat sinks provide more efficient cooling compared to standard finned heat sinks. Under the same conditions, the cooling performance of differential finned heat sinks was observed to be, on average, 9.2% higher than that of standard finned heat sinks. This research demonstrates that the cascade impinging jet system with five nozzles provides the most effective cooling. At 2 bar pressure: the best cooling performance was achieved with the square-26 dif-3 heat sink in 23.5 seconds; at 1.5 bar pressure: with the square-26 dif-3 heat sink in 28.5 seconds; and at 1 bar pressure: with the square-26 dif-4 heat sink in 37 seconds. When comparing CFD (Computational Fluid Dynamics) analyses with experimental data: the experimental results showed 12.43% better cooling performance at 2 bar, 16.79% better at 1.5 bar, and 19.05% better at 1 bar. As the number of nozzles and pressure value decrease, cooling performance decreases and cooling time increases. Increasing the number of nozzles and pressure value positively affects cooling performance and cooling time. These results indicate that optimizing the heat sink, nozzle count, and pressure value in system design is crucial for enhancing cooling performance. Such detailed analyses can contribute to the development of more efficient cooling systems.