Application of Multi-Response Taguchi Method on the Optimization of a Mini-Channel Cooling Block for the Developing Laminar Flow

Abstract

Excessive heat dissipation which adversely affects the working performance of electronic equipment is an important technological problem due to developing technology, increasing power and reducing dimensions. In this context, researches on the liquid-cooled mini-channel blocks are increasing. While it is expected that the cooling blocks is desired to have high heat transfer performance with a minimum pressure drop in terms of operating costs. This requires optimization of the geometric structure in the design of the cooling block. In this study, the design of a mini channel water cooled block to be used for the cooling of a chip, has been optimized with three different materials for high heat transfer performance and low pressure losses. The performance of the mini-channel cooling block, which is designed with different materials and different channel dimensions by utilizing the Taguchi orthogonal matrix, was investigated by using Computational Fluid Dynamics (CFD). As a criterion, the pressure loss and the maximum temperature at the base were taken into consideration. Since both criteria were taken into consideration, Multi Response Taguchi Analysis was used in the optimization. Temperature and pressure loss values were evaluated and optimized by the use of different weight values.

Keywords

• liquid cooling,Multi Response Taguchi Analysis,CFD,mini channel

GELİŞMEKTE OLAN LAMİNER AKIŞTA MİNİ KANALLI SOĞUTUCU BLOĞUN ÇOK YANITLI TAGUCHI YÖNTEMİ KULLANILARAK OPTİMİZASYONU

Abstract

Elektronik ekipmanların çalışma performansını olumsuz etkileyen fazla ısının atılması gelişen teknoloji, artan güç ve küçülen boyutlar dolayısıyla önemli bir teknolojik problemdir. Bu kapsamda mini kanallı sıvı soğutmalı soğutucu bloklar üzerine araştırma çalışmaları giderek artmaktadır. Soğutucu blokların yüksek ısı transferi performansına sahip olması beklenirken işletim maliyetleri açısından basınç düşümünün en az seviyede olması istenmektedir. Bu durum soğutucu bloğun tasarımında geometrik yapının istenen performans kriterlerine göre optimizasyonunu gerektirmektedir. Bu çalışmada 100W/cm2 ısı akısı üreten bir yonganın soğutulması için kullanılacak 20mm x 20mm taban yüzey alanına sahip mini kanallı su soğutmalı bir bloğun tasarımında yüksek ısı transferi ve düşük basınç kayıpları için üç farklı malzeme ile optimizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Çalışmada Taguchi ortogonal matrisinden yararlanılarak farklı malzemeler ve farklı boyutlarda tasarlanan mini kanallı soğutucunun performansı Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) kullanılarak hesaplanmıştır. Optimizasyon değerlendirme ölçütü olarak basınç düşümü ve tabanda oluşan maksimum sıcaklığın en düşük olması göz önünde bulundurulmuştur. Her iki ölçütün birlikte değerlendirilmesi için Çok Yanıtlı Taguchi Analizinden yararlanılmıştır. Sıcaklık ve basınç kaybı değerlerine farklı ağırlık değerleri verilerek bulunan sonuçlar karşılaştırılmış ve yorumlanmıştır.

Keywords

• Sıvı soğutma,Çok yanıtlı Taguchi Metodu,HAD,Mini kanallar

References

1. Afzal, A., Samee, A. D., Razak, R. K., & Ramis, M. K. (2018). Heat transfer characteristics of MWCNT nanofluid in rectangular mini channels. International Journal of Heat and Technology, 36(1), 222-228. https://doi.org/10.18280/ijht.360130
2. Bahreini, M., Ramiar, A., & Ranjbar, A. A. (2017). Numerical simulation of subcooled flow boiling under conjugate heat transfer and microgravity condition in a vertical mini channel. Applied Thermal Engineering, 113, 170-185. http://dx.doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.11.016
3. Baynal, K. (2003). Çok Yanıtlı Problemlerin Taguchi Yöntemi ile Eniyilemesi ve Bir Uygulama. İstanbul Üniversitesi Sosyal Bilimler Enstitüsü, Doktora Tezi, İstanbul.
4. Feng, Y., Cao, J., Li, X., Zhang, S., Qin, J., & Rao, Y. (2017). Flow and Heat Transfer Characteristics of Supercritical Hydrocarbon Fuel in Mini Channels With Dimples. Journal of Heat Transfer, 139(12), 122401. https://doi.org/10.1115/1.4037086
5. Feng, Y., Liu, S., Qin, J., Cao, Y., Jiang, Y., & Zhang, S. (2018). Numerical study on the influence of turbulence on the pyrolysis of hydrocarbon fuel in mini-channel. International Journal of Heat and Mass Transfer, 119, 768-776. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.12.002
6. Gökçe, B.,Taşgetiren, S. (2009). Kalite İçin Deney Tasarımı. Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi, 6(1), 71-83.
7. Jajja, S. A., Ali, W., Ali, H. M., & Ali, A. M. (2014). Water cooled minichannel heat sinks for microprocessor cooling: Effect of fin spacing. Applied Thermal Engineering, 64(1-2), 76-82. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2013.12.007
8. Kandlikar, S. G.,Grande, W. J. (2002). Evolution of microchannel flow passages: thermohydraulic performance and fabrication technology. In ASME 2002 International Mechanical Engineering Congress and Exposition (pp. 59-72). https://doi.org/10.1115/IMECE2002-32043

9. Kılıç, M., Yiğit, A. (2018). Isı transferi 6.Baskı. Dora Basım-Yayın Dağıtım Ltd Şti, Bursa. ISBN: 978-605-247-037-4
10. Kim, Y., Kim, M., Ahn, C., Kim, H. U., Kang, S. W., & Kim, T. (2017). Numerical study on heat transfer and pressure drop in laminar-flow multistage mini-channel heat sink. International Journal of Heat and Mass Transfer, 108, 1197-1206. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.12.025
11. Kim, N. H., & Go, M. G. (2018). Horizontal distribution of two-phase refrigerant in parallel flat mini-channels. Experimental Thermal and Fluid Science, 93, 139-152. DOI: 10.1016/j.expthermflusci.2017.12.028
12. Knight, R. W., Goodling, J. S., & Gross, B. E. (1992, February). Optimal thermal design of air cooled forced convection finned heat sinks-experimental verification. In Thermal Phenomena in Electronic Systems, 1992. I-THERM III, InterSociety Conference on (pp. 206-212). IEEE. DOI: 10.1109/ITHERM.1992.187765
13. Kotcioglu, I., Cansiz, A., & Khalaji, M. N. (2013). Experimental investigation for optimization of design parameters in a rectangular duct with plate-fins heat exchanger by Taguchi method. Applied Thermal Engineering, 50(1), 604-613. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2012.05.036
14. Majumder, S., Majumder, A., & Bhaumik, S. (2016, July). 3-Dimensional numerical study of cooling performance of a heat sink with air-water flow through mini-channel. In AIP Conference Proceedings (Vol. 1754, No. 1, p. 050010). AIP Publishing. https://doi.org/10.1063/1.4958401
15. Mehendale, S. S., Jacobi, A. M., & Shah, R. K. (2000). Fluid flow and heat transfer at micro-and meso-scales with application to heat exchanger design. Applied Mechanics Reviews, 53(7), 175-193. https://doi.org/10.1115/1.3097347
16. Moraveji, M. K., Ardehali, R. M., & Ijam, A. (2013). CFD investigation of nanofluid effects (cooling performance and pressure drop) in mini-channel heat sink. International Communications in Heat and Mass Transfer, 40, 58-66. DOI: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2012.10.021
17. Rasul, G., Elias, M. K., & Morshed, A. M. (2018, July). A numerical investigation of heat transfer enhancement techniques in mini-channel heat sink. In AIP Conference Proceedings (Vol. 1980, No. 1, p. 050007). AIP Publishing. DOI: 10.1063/1.5044343
18. Tikadar, A., Hossain, M. M., & Morshed, A. K. M. M. (2016, July). Numerical investigation of thermal performance of a water-cooled mini-channel heat sink for different chip arrangement. In AIP Conference Proceedings (Vol. 1754, No. 1, p. 050007). AIP Publishing. DOI: 10.1063/1.4958398
19. Tong, L. I., Su, C. T., & Wang, C. H. (1997). The optimization of multi-response problems in the Taguchi method. International Journal of Quality & Reliability Management, 14(4), 367-380. https://doi.org/10.1108/02656719710170639
20. Xie, X. L., Tao, W. Q., & He, Y. L. (2007). Numerical study of turbulent heat transfer and pressure drop characteristics in a water-cooled minichannel heat sink. Journal of Electronic Packaging, 129(3), 247-255. DOI: 10.1115/1.2753887
21. Xie, X. L., Liu, Z. J., He, Y. L., & Tao, W. Q. (2009). Numerical study of laminar heat transfer and pressure drop characteristics in a water-cooled minichannel heat sink. Applied Thermal Engineering, 29(1), 64-74. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2008.02.002