Yüksek Sıcaklığa Ulaşan Elektronik Elemanların Etkin Bir Şekilde Soğutulması

Öz

Bu çalışmada, yüksek sıcaklığa ulaşan elektronik elemanların etkin bir şekilde soğutulması incelenmiştir. Elektronik elemanları etkin bir şekilde soğutulabilmek için kanal içi akış, jet akış ve hibrit akış yöntemleri kullanılmış ve bu yöntemlerin ısı transferi üzerinde yarattığı etkilere odaklanılmıştır. Bu kapsamda, sabit giriş hızı ve üç farklı H/D (jet ile çarpma yüzeyi arasındaki mesafenin jet çapına oranı) oranı için, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yardımı ile simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Elde edilen verilerin sonucunda, H/D oranın artması ile genel olarak ısı transferinin azaldığı gözlemlenmiştir. Ancak jet akışının diğer akış yöntemlerine kıyasla H/D oranının değişiminden daha çok etkilendiği görülmüştür. Elektronik elemanın yüzeylerinde gerçekleşen ısı transferine bakıldığında ise, jet akışın elektronik elemanın üst yüzeyinde gerçekleşen ısı transferini diğer akış yöntemlerine kıyasla daha çok arttırdığı görülmüştür. Ancak bu yöntemin, elektronik elemanın sol ve sağ yüzeylerinde ise en düşük ısı transferini sağlayan akış yöntemi olduğu belirlenmiştir. Kanal içi akış ile yapılan soğutmanın, elektronik elemanın sol ve sağ yüzeylerini soğutmada, jet akışa kıyasla başarılı olsa da elektronik elemanın üst yüzeyini yeterince soğutamadığı gözlemlenmiştir. Bu iki akışın birlikte kullanılması ile oluşan hibrit akış ile yapılan soğutma ise, genel olarak en düşük ortalama sıcaklık değerlerini veren akış yöntemi olmuştur. Çalışılan parametre aralığında optimum soğutmanın, H/D=2 oranında hibrit akış yönteminin kullanılması ile yapılabildiği belirlenmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Kanal içi akış
• Çarpan jet
• Hibrit akış
• Elektronik soğutma
• Hesaplamalı akışkanlar dinamiği
• HAD

Effective Cooling of Electronic Components Reaching to High Temperature

Abstract

In this study, the effective cooling of electronic components reaching a high temperature is investigated. Channel flow, jet flow and hybrid flow methods are used to effectively cool the electronic components. The main focus of this study is the effects of these methods on heat transfer. Accordingly, simulations are applied with the help of Computational Fluid Dynamics (CFD) for a constant inlet velocity and three different H/D (the ratio of the distance between the jet and impinging surface to the jet diameter) ratios. As a result of the obtained data, it is observed that the heat transfer decreased with increasing the H/D ratio in general. However, it is seen that jet flow is influenced by the H/D ratio more than the other flow methods. When the heat transfer on the electronic component surfaces is considered, it is seen that the heat transfer on the upper surfaces of the electronic component is higher for jet flow compared to other flow methods. However, this method is identified as the lowest heat transfer method for the other surfaces of the electronic component. Cooling with channel flow has been successful in cooling the side surfaces of the electronic element. However, it has been observed that this method cannot sufficiently cool the upper surface of the electronic element. A hybrid flow created by combining these two flows is the flow method with the lowest temperature values in general. In the working parameter range, it has been determined that optimum cooling can be achieved by using the hybrid flow method at the ratio of H/D=2.

Keywords

• Channel flow
• Jet flow
• Hybrid flow
• Electronic cooling
• Computational fluid dynamic
• CFD

References

1. [1] Jing Q., Zhang D., Xie Y. Numerical investigations of impingement cooling performance on flat and non-flat targets with dimple/protrusion and triangular rib, International Journal of Heat and Mass Transfer 2018; 126, 169-190.
2. [2] Bilen K. Isıtılan düzlem bir plakaya dik ve eğik hava jeti çarpmasında ısı transfer karakteristiklerinin deneysel incelenmesi, Doktora Tezi, Karadeniz Teknik Üniversitesi, Trabzon, Türkiye, 1994.
3. [3] Zhang Y., Li P., Xie Y. Numerical investigation of heat transfer characteristics of impinging synthetic jets with different waveforms, International Journal of Heat and Mass Transfer 2018; 125, 1017-1027.
4. [4] Kabakuş A. Kanal akışında optimize edilmiş ısı alıcılarda çarpan jetle ısı ve akış karakteristiklerinin belirlenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Atatürk Üniversitesi, Erzurum, Türkiye, 2012.
5. [5] Taghinia J., Rahman M.M., Siikonen T. CFD study of turbulent jet impingement on curved surface, Chinese Journal of Chemical Engineering 2016; 24, 588-596.
6. [6] Ravanji A, Zargarabadi M.R. Effects of elliptical pin-fins on heat transfer characteristics of a single impinging jet on a concave surface. International Journal of Heat and Mass Transfer 2020; 152, 119532.
7. [7] Çalışkan S. Farklı jet ve çarpma plakası özelliklerinde çarpmalı akışkan jetlerinin ısı transferi ve akışının deneysel ve sayısal olarak incelenmesi, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi, Ankara, Türkiye 2012.
8. [8] Hatami M., Tehrani F.B., Abouata A., Ahmar A.M. Investigation of geometry and dimensionless parameters effects on the flow field and heat transfer of impingement synthetic jets, International Journal of Thermal Sciences 2018; 127, 41-52.

9. [9] Telışık Ç.B. Lüle hedef yüzey arası uzaklığın çarpan jet akış ve ısı transferi karakteristiklerine etkisinin sayısal olarak incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Ankara, Türkiye, 2007.
10. [10] Türker E. Dönen bir disk yüzeyine çarpan jet akımının sayısal incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, İstanbul, Türkiye, 2006.
11. [11] Lak A. Çarpan eğik akışkan jet kullanarak düz plaka üzerindeki akış ve ısı transferinin sayısal olarak incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Ankara, Türkiye, 2016.
12. [12] Markal B, Aydin O. Experimental investigation of coaxial impinging air jets, Applied Thermal Engineering 2018; 141, 1120-1130.
13. [13] Tang Z., Liu Q., Li H., Min X. Numerical simulation of heat transfer characteristics of jet impingement with a novel single cone heat sink, Applied Thermal Engineering 2017; 127, 906-914.
14. [14] Mallor F., Vila C.S., Ianiro A., Discetti S. Wall-mounted perforated cubes in a boundary layer: Local heat transfer enhancement and control, International Journal of Heat and Mass Transfer 2018; 117, 498-507.
15. [15] Zhu K., Yu P., Yuan N., Ding J. Transient heat transfer characteristics of array-jet impingement on high-temperature flat plate at low jet-to-plate distances, International Journal of Heat and Mass Transfer 2018; 127, 413-425.
16. [16] Saleha N., Fadela N., Abbes A. Improving cooling effectiveness by use chamfers on the top of electronic components, Microelectronics Reliability 2015; 55, 1067-1076.
17. [17] Mergen S. Kanal içi akış ve çarpan jet ile birlikte elektronik eleman soğutulmasının sayısal olarak incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Ankara, Türkiye, 2014.
18. [18] Örs E. Kanal içi akış ve çarpan jet kullanımı ile elektronik elemanların soğutulmasının sayısal olarak incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Ankara, Türkiye, 2017.
19. [19] Zuckerman N., Lior N. Jet impingement heat transfer: Physics, correlations, and numerical modeling, Advances in Heat Transfer 2006; 39, 565-631.
20. [20] Çengel Y.A., Ghajar A.J., Heat and Mass Transfer: Fundamentals & Applications (Fifth Edition). McGraw-Hill Education, The United States Of America, 926, 2015.
21. [21] Masip Y., Rivas A., Larraona G.S., Anton R., Ramos J.C., Moshfegh B. Experimental study of the turbulent flow around a single wall-mounted cube exposed to a cross-flow and an impinging jet, International Journal of Heat and Fluid Flow 2012; 38, 50-71.