İçerisinden direk hava akışı metoduyla soğuyabilen takılabilir modüllerde kanatçık yükseklik etkisinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi
İçerisinden direk hava akışı metoduyla soğuyabilen takılabilir modüllerde kanatçık yükseklik etkisinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi
Yazar: Tekin, Yusuf; Bilgili, Muhittin
Dergi: Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, Vol. 39 No. 4, 2023
Anahtar kelimeler: Energy Generation, Conversion and Storage (Excl. Chemical and Electrical) ; Enerji Üretimi, Dönüşüm ve Depolama (Kimyasal ve Elektiksel hariç) ; Elektronik soğutma,VITA 48.8 standarttı,Plaka kanat,Adım aralıkları,Takılabilir modül

Gerçekleştirilen bu çalışmada,  yüksek güç tüketen elektronik bileşenlere sahip baskı devre kartlarının, modül seviyesinde soğutma yöntemlerinden biri olan modül içerisinden hava dolaştırılarak (AFT-Air Flow Through) soğutma yöntemi incelenmiştir. Yöntemin uygulanması aşamasında, ANSI/VITA 48.8-2017 standarttı referans alınmıştır. Bu yöntem, elektronik bileşenlerin soğutma havasıyla direk teması olmadan modül seviyesinde soğutulmasına imkân sunmaktadır. Soğutmanın gerçekleştirilebilmesi için modül üzerindeki kısıtlı bir alana kanatçıkların yerleştirilmesi gerekmektedir. Fakat standart içerisinde, üç farklı adım aralığı altında kısıtlı bir alana sahip olan modül içerisine konumlandırılacak kanatçıkların olabilecek maksimum kanatçık yükseklikleri ile ilgili detaylar kullanıcılarının kendi soğutma ihtiyaçlarına göre belirlemesi için herhangi bir detay verilmemiştir. Standart içerisinde eksik olan bu bilgilere referans olması amacıyla bu çalışma yapılmıştır. Çalışma kapsamında, bu tarz elektronik soğutma uygulamalarında yaygın olarak kullanılan dikdörtgen kesitli plaka tipi kanatçık kullanılmıştır. 1 inç, 1.2 inç ve 1.5 inç adım aralığına sahip takılabilir bir modül üzerinde oluşabilecek maksimum kanatçık yüksekliklerine göre, modülün soğutma performansında ve akış dinamiklerinde oluşacak değişimleri gözlemlemek için üç boyutlu sayısal analiz çalışmaları yapılmıştır. Sayısal analiz çalışmaları FLOEFD paket programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Isı emici görevindeki takabilir modül, 3U (100*1600mm) biçim faktörüne sahip bir baskı devre kartına uygun olacak şekilde tasarlanmıştır. Modülün termal direnç, basınç düşümü ve ortalama ısı transfer katsayılarındaki değişimler üç farklı kanatçık yüksekliği altında incelenmiştir. Analizlerin gerçekleştirildiği sayısal modeli doğrulamak amacıyla 1.2 inç adım aralığına sahip ve üretimi gerçekleştirilmiş bir modül üzerinde deneysel çalışmalar yapılmıştır. Modülün elektronik bileşenlerin temas ettiği yüzeyine sürekli 100 W ısı verilmiştir. Modülün hava giriş tarafında 25°C giriş sıcaklığında ve 2000 ≤Re ≤ 11000 arasında hava kullanılmıştır. Sonuç olarak,  modül üzerinde kanatçık yüksekliğinin arttırılması ile sağlanan ısı transfer alanın arttırılmasına yönelik etkiler, modülün termal performansına olumlu katkı sağladığı anlaşılmıştır. Aynı giriş hızlarında en yüksek kanatçık yüksekliğine sahip 1.5 inç adım aralığına sahip modül üzerinden %60 oranında daha fazla kütlesel debi geçirilebileceği gözlemlenmiştir. Deneysel çalışımalar ile elde edilen sıcaklık verileri ile sayısal simülasyonlar sonucunda elde edilen sıcaklık verileri arasındaki sapmalar %5.4 ile %7.5 arasında değişmektedir.

Gerçekleştirilen bu çalışmada,  yüksek güç tüketen elektronik bileşenlere sahip baskı devre kartlarının, modül seviyesinde soğutma yöntemlerinden biri olan modül içerisinden hava dolaştırılarak (AFT-Air Flow Through) soğutma yöntemi incelenmiştir. Yöntemin uygulanması aşamasında, ANSI/VITA 48.8-2017 standarttı referans alınmıştır. Bu yöntem, elektronik bileşenlerin soğutma havasıyla direk teması olmadan modül seviyesinde soğutulmasına imkân sunmaktadır. Soğutmanın gerçekleştirilebilmesi için modül üzerindeki kısıtlı bir alana kanatçıkların yerleştirilmesi gerekmektedir. Fakat standart içerisinde, üç farklı adım aralığı altında kısıtlı bir alana sahip olan modül içerisine konumlandırılacak kanatçıkların olabilecek maksimum kanatçık yükseklikleri ile ilgili detaylar kullanıcılarının kendi soğutma ihtiyaçlarına göre belirlemesi için herhangi bir detay verilmemiştir. Standart içerisinde eksik olan bu bilgilere referans olması amacıyla bu çalışma yapılmıştır. Çalışma kapsamında, bu tarz elektronik soğutma uygulamalarında yaygın olarak kullanılan dikdörtgen kesitli plaka tipi kanatçık kullanılmıştır. 1 inç, 1.2 inç ve 1.5 inç adım aralığına sahip takılabilir bir modül üzerinde oluşabilecek maksimum kanatçık yüksekliklerine göre, modülün soğutma performansında ve akış dinamiklerinde oluşacak değişimleri gözlemlemek için üç boyutlu sayısal analiz çalışmaları yapılmıştır. Sayısal analiz çalışmaları FLOEFD paket programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Isı emici görevindeki takabilir modül, 3U (100*1600mm) biçim faktörüne sahip bir baskı devre kartına uygun olacak şekilde tasarlanmıştır. Modülün termal direnç, basınç düşümü ve ortalama ısı transfer katsayılarındaki değişimler üç farklı kanatçık yüksekliği altında incelenmiştir. Analizlerin gerçekleştirildiği sayısal modeli doğrulamak amacıyla 1.2 inç adım aralığına sahip ve üretimi gerçekleştirilmiş bir modül üzerinde deneysel çalışmalar yapılmıştır. Modülün elektronik bileşenlerin temas ettiği yüzeyine sürekli 100 W ısı verilmiştir. Modülün hava giriş tarafında 25°C giriş sıcaklığında ve 2000 ≤Re ≤ 11000 arasında hava kullanılmıştır. Sonuç olarak,  modül üzerinde kanatçık yüksekliğinin arttırılması ile sağlanan ısı transfer alanın arttırılmasına yönelik etkiler, modülün termal performansına olumlu katkı sağladığı anlaşılmıştır. Aynı giriş hızlarında en yüksek kanatçık yüksekliğine sahip 1.5 inç adım aralığına sahip modül üzerinden %60 oranında daha fazla kütlesel debi geçirilebileceği gözlemlenmiştir. Deneysel çalışımalar ile elde edilen sıcaklık verileri ile sayısal simülasyonlar sonucunda elde edilen sıcaklık verileri arasındaki sapmalar %5.4 ile %7.5 arasında değişmektedir.