İçerisinden direk hava akışı metoduyla soğuyabilen takılabilir modüllerde kanatçık yükseklik etkisinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi

Yıl 2024, Cilt: 39 Sayı: 4, 2617 - 2630, 20.05.2024

Yusuf Tekin , Muhittin Bilgili

https://doi.org/10.17341/gazimmfd.1341551

Öz

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.

Anahtar Kelimeler

Elektronik soğutma, VITA 48.8 standarttı, Plaka kanat, Adım aralıkları, Takılabilir modül

Kaynakça

• 1. Bouchenafa R., Mohammed H.A., and Saim R., Numerical study of the thermal and hydraulic performances of heat sink made of wavy fins, Mechanics and Mechanical Engineering, 23 (1), 150–161, 2019.
• 2. İnternet: Mechanical Standart for Electronic VPX Plug-in Modules Using Air Flow Through Cooling (2017) ANSI-VITA 48.8-2017, Web: https://www.vita.com/standards, Son erişim tarihi: 25.01.2022.
• 3. VanEngelenhoven, J., Solbrekken, G. L., Thermal performance maps for forced air cooling of ruggedized electronics enclosures, Proceedings of the ASME InterPack Conference,Canada, 801–809, 2007.
• 4. Moradikazerouni, A., Afrand, M., Alsarraf, J., Mahian, O., Wongwises, S., Tran, M. D. ,Comparison of the effect of five different entrance channel shapes of a micro-channel heat sink in forced convection with application to cooling a supercomputer circuit board, Applied Thermal Engineering, 150, 1078–1089, 2019.
• 5. Lee, P. S., Garimella, S. V., Thermally developing flow and heat transfer in rectangular microchannels of different aspect ratios, International Journal of Heat and Mass Transfer, 49 (17–18), 3060–3067, 2006.
• 6. Samet, B. B., Takılabilir Modüllerde Kullanılan Elektronik Kartların Doğrudan Hava Akışı Metodu İle Soğutulması, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 2019.
• 7. Parlak, M., Tastan, U., Ors, E., Boncu, M., Apak, A., Thermal management using spider-shaped heat pipe for high power electronic cooling, 26th International Workshop on Thermal Investigations of ICs and Systems, Berlin, Germany, 20, 2020.
• 8. Kutlu, Y., Bir Kanal İçindeki Mini Pim Kanatçıklı Isı Kaynağından Olan Zorlanmış Taşınımla Isı Transferinin Nümerik Olarak İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 2019.
• 9. Naufal bin Samsudin, A., Salami Tijani, A., Thottathil Abdulrahman, S., Kubenthiran, J., Kolawole Muritala, I. Thermal-hydraulic modeling of heat sink under force convection: Investigating the effect of wings on new designs, Alexandria Engineering Journal, 65, 709–730, 2022.
• 10. Khudhur, D. S., Al-Zuhairy, R. C., Kassim, M. S., Thermal analysis of heat transfer with different fin geometry through straight plate-fin heat sinks. International Journal of Thermal Sciences, 174, 107443, 2022.
• 11. Abdelmohimen, M. A. H., Almutairi, K., Elkotb, M. A., Abdelrahman, H. E., Algarni, S., Numerical Investigation of Using Different Arrangement of Fin Slides on the Plate-Fin Heat Sink Performance, Thermal Science, 25 (6), 4683–4693, 2021.
• 12. Chingulpitak, S., Seon Ahn, H., Godson Asirvatham, L., Wongwises, S., Fluid flow and heat transfer characteristics of heat sinks with laterally perforated plate fins, International Journal of Heat and Mass Transfer, 138, 293–303, 2019.
• 13. İnternet: FloEFD Technical Reference, Mentor Graphics Corporation, Web: https://www.smart- fem.de/media/floefd/TechnicalReferenceV17 .pdf, Son erişim tarihi: 25.05.2022, 2021.
• 14. Kim, T. Y., Kim, S. J., Fluid flow and heat transfer characteristics of cross-cut heat sinks, International Journal of Heat and Mass Transfer, 52 (23–24), 5358–5370, 2009.
• 15. S. Kline, F. Mcclintock., Describing Uncertainties in Single-Sample Experiments, Mechanical Engineering, 75, 3-8, 1953.
• 16. Yoon, Y., Park, S. J., Kim, D. R., Lee, K. S.,Thermal performance improvement based on the partial heating position of a heat sink, International Journal of Heat and Mass Transfer, 124, 752–760, 2018.
• 17. Pandey, J., Husain, A., Zahid Ansari, M., Al-Azri, N., Performance analysis of cold plate heat sink with parallel channel and pin-fin, Materials Today: Proceedings, 44, 3144–3149, 2021.
• 18. Pujol, T., T’Jollyn, I., Massaguer, E., Massaguer, A., Cózar, I. R., De Paepe, M., Design optimization of plate-fin heat sink with forced convection for single-module thermoelectric generator, Applied Thermal Engineering, 221, 119866, 2022.
• 19. Türkan B., Application of TRIZ algorithm and Taguchi analysis for optimum heat sink design in electric vehicles, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 39 (1), 521-534, 2023.
• 20. Kök C., Alkaya A., Numerical investigation of different cooling applications for pouch type lithium ion battery cells, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 38 (1), 381–398, 2022.