Eklemeli imalat ile üretilen alüminyum soğutucuların termoelektrik modül entegrasyonu ve ısıl dağılım etkisi analizi
Analysis of the heat dissipation effect on the surface ofthermoelectric module reinforces with additive manufactoring
Yazar: ÖMER BUĞRA DEMİRÖZ
Danışman: DOÇ. DR. SAVAŞ DİLİBAL
İstanbul Gedik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Doğru akım ile ısı kontrolüne olanak tanıyan yarı-iletken yapıdaki termoelektrik malzemeler, termoelektrik modülün yüzeyleri arasında bir ısı farkı oluşturmaktadır. Termoelektrik teknolojisi ısıtma ve soğutmanın yanı sıra, ısı farkından kaynaklı elektrik üretiminde de önemi gün geçtikçe artmaktadır. Termoelektrik modüllerde teknolojik imkânlar arttıkça değişik malzemelerin birleştirilmesiyle verimlilikleri de artmaktadır. Termoelektrik modüllerde verimlilik artışı olsa da üretildiği malzemelerin yapılarından kaynaklı kompleks yapılardan dolayı verimliliklerini sınırlayan önemli faktörlerdir. Termoelektrik modüller çalışma yapısı Seebeck ve Peltier prensiplari temel alınarak tasarlanmışlardır. TE modül yüzeyinde oluşturulan ısı farkından elektrik üretilebileceği gibi, elektrik enerjinin büyüklüğüne göre ısı farkı oluşabilir. Eklemeli imalat üç boyutlu model verilerinden belirlenen geometrik nesneler yapabilmek için üst üste koyularak katmanlar şeklinde birleştirilme sürecidir. Belirlenen geometrik şekillerin temel amacı, termoelektrik yüzeyinde oluşan ısının en hızlı şekilde ve malzemeye zarar vermeyecek şekilde soğutmasını sağlamaktır. Belirlenen geometrik şekillerin her bir yüzeyinin ısı dengesini doğru şekilde ayarlayarak, ısının eşit dağılımıyla sistemden hızlı ve güvenilir bir şekilde atmasını sağlamaktır.  Termoelektrik üzerindeki alüminyum soğutucuların işlenen her bir maddenin temeli alüminyum alışım malzemeden meydana gelmiştir. Belirlenen alüminyum soğutucular TEC modül ölçülerinde belirlenmiştir. Belirlenen ölçülere göre Alüminyum soğutucuların uzunluğu ve genişliği, TEC modül uzunluğu ve genişliği ile eşdeğer olarak ayarlanmıştır.  Alüminyum soğutucuların ısı dağılımı ilk olarak ANSYS analiz programında modelleyerek ısı dağılımlarını simülasyon ortamında incelenmiştir. Elde edilen veriler gerçek test ortamıyla karşılaştırmak için termoelektrik modül üzerindeki örnek geometrilerin yer aldığı alüminyum soğutucuların yapımına başlanılmıştır. Alüminyum alışımdan oluşan malzemeyi tercih etme sebebimiz, işleme açısından kolay ve yumuşak olması, aynı zamanda ısı iletim katsayısı diğer metal alaşımlara göre daha kolay işlenebilmesi ve ucuz olmasıdır. Yapılan testler için belirlenen alüminyum soğutucuların ölçüleri küçük ebatlardadır. Prototip ölçüleri küçük olduğu için ilk olarak CNC tornada işlenmesi öngörülmüş fakat malzemenin yumuşak ve küçük olması sebebiyle makine ucu parçaya dolanmak suretiyle uç kırımına maruz kalmıştır. Bu sebepten dolayı alüminyum soğutucuların döküm yöntemiyle parçaların elde edilmesine karar verilerek, prototiplerin istenilen ölçülerde döküm yapılması için alüminyum soğutucu modelleri SLA yazıcıdan model baskı yapılarak alçı kalıp oluşturulmuştur. Daha sonra alüminyum döküm yöntemi ile model alınmaya çalışılmışsa da kalıp ayrılma sürecinin başarısız olması sebebiyle bu işlem gerçekleştirilememiştir. Tasarlanan geometrik soğutucuların TEC modülü ile uyumlu ve ölçülerinin eşit olması fiziki olarak bu modellerinin küçük yapıda olması anlamını taşımaktadır. Belirlenen model ölçütlerinin doğru olabilmesi için üretim parametrelerinin mikron boyutunda ve hassasiyetinde gerçekleştirmeleri gerekmektedir. Her bir geometrik alüminyum soğutucu bu bağlamda eklemeli imalat yöntemlerinden biri olan direkt (doğrudan) metal lazer sinterleme (DMLS) yöntemi ile üretilmiştir. Üretilen her model lazer ışınları ile gerçekleştirilen katmanlı imalat ile modelleri katman katman ve yüksek hassasiyetle üretimi gerçekleştirilmiştir. Eklemeli İmalat ile üretilen, alüminyum soğutucu-1 (AS1), alüminyum soğutucu-2 (AS2), alüminyum soğutucu-3 (AS3), termoelektrik modüle termal macunla yapıştırılarak eşit oda sıcaklığında ve deneysel çalışmalardan alınan verilere uyumlu bir şekilde ölçüm yapılarak karşılaştırılmıştır. Yapılan karşılaştırma sonucunda deneyler tamamlanarak veriler yorumlanmıştır.

Abstract:
ABSTRACT
Semi-conductive thermoelectric materials allow heat control with the direction of current to create a temperature difference between the surfaces of the thermoelectric module. In addition to thermoelectric technology (TE) providing heating and cooling effects, TE has also been increasingly important due to the temperature differences in power generation. As the technological possibilities increase in thermoelectric modules, their efficiency increases by combining dissimilar materials. Although there is an increase in efficiency in thermoelectric modules, their complex structures of the materials play an important factor in limiting their efficiency. TE modules are designed on the basis of Seebeck and Peltier principles. While the electricity is generated from the temperature difference created on the surface of the TE module, temperature differences may also occur depending on the size of the electrical energy. Additive manufacturing is the process of creating 3D objects determined from three-dimensional model data and combining them in layers. The main purpose of the determined geometric shapes is to cool the heat generated on the thermoelectric part surface without damaging the material in the fastest way. To ensure a quick and reliable way of the distribution of heat, the surface of the determined geometric shape should be correctly adjusted on the surface. The basis of each material processed by the cooling parts on the thermoelectric part is made of aluminum alloy material. The determined cooling parts are indicated in TEC module sizes. According to the determined dimensions, the length and width of the heat sink are adjusted to match the TEC module length and width. The heat distribution of the parts was firstly modeled in the ANSYS analysis program and examined in the simulation environment. In order to compare the obtained data with the actual test environment, the production of coolers with sample geometries on the thermoelectric part has been started. The reason to prefer aluminum alloy is that it is determined to be easy in terms of processing, as well as its heat conduction coefficient is easier to process than metal alloys. Since the cooler dimensions are small, it was initially envisaged to be processed on a CNC lathe, however, the machine tip was subjected to end breaking by entangling the part due to the soft and small material. Therefore, it was decided to obtain the parts by the casting method. The models of the cooler parts were printed from the SLA printer and a plaster mold was formed in order to cast the parts in the desired dimensions. The aluminum had to be melted in order to pour into the mold, however, this part was unsuccessful due to the failure of the mold detachment process. The designed geometric heat sinks are compatible with the TEC module due to their equal dimensions which demonstrates that these part models meant to be small physically. In order to obtain the determined model criteria, the production parameters must be considered with micro sizes in precision. Each geometric cooler (aluminum cooler-1 (AC1), aluminum cooler-2 (AC2), aluminum cooler-3 (AC3)) is produced using direct metal laser sintering (DMLS), which is one of the additive manufacturing methods. The additively manufactured aluminum coolers are adhered to the thermoelectric module with thermal paste while comparing with the data extracting under equal room temperature. As a result of the comparison, the related experiments were conducted and the extracted data were discussed.