sinterli ve oluklu ısı borularının kuruma sınırlarının deneysel tespiti

advertisement
ULIBTK’17 21. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi
13-16 Eylül 2017, ÇORUM
SİNTERLİ VE OLUKLU ISI BORULARININ KURUMA SINIRLARININ
DENEYSEL TESPİTİ
Atakan ATAY*, Büşra SARIARSLAN*, Yiğit F. KUŞÇU*, Yiğit AKKUŞ**,
Samet SAYGAN**, A. Türker GÜRER**, Barbaros ÇETİN*, Zafer DURSUNKAYA***
*İ.D. Bilkent Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü
Mikro-akışkanlar-dinamiği ve Çip-üstü-Laboratuvar Araştırma Grubu 06800 Çankaya, Ankara
[email protected], [email protected], [email protected],
[email protected]
**ASELSAN A.Ş. HBT-Mekanik Tasarım Md. 06370 Yenimahalle, Ankara
[email protected], [email protected], [email protected]
***ODTÜ, Makina Mühendisliği Bölümü 06800 Çankaya, Ankara, [email protected]
Özet: Gelişen teknoloji ile birlikte artan işlem gücü ve ara yüz sayısı, elektronik bileşenler üzerinden çok yüksek ısı
akıları atılmasına yol açmıştır. Bu yüksek akıların verimli şekilde uzaklaştırılması için cihazlara özel termal yönetimler
geliştirilmektedir. Isı boruları, yüksek ısı akılarını küçük sıcaklık farkıyla uzaklaştırabildiğinden termal yönetimlerin
sıklıkla başvurulan bir öğesi olmuştur. Standart metal soğutucuların ısıl iletkenlik katsayısı 100-500 W/m.K civarında
iken, faz değişimi prensibini kullanan ısı borularının ısıl iletkenlik katsayıları efektif olarak 10000 W/m.K mertebelerine
çıkabilmektedir. Isı borularının uygulama alanları da oldukça geniştir. Pasif olarak kapalı devre çalışan bu özel cihazlar
yerçekimine karşı veya yerçekimsiz ortamda da çalışabildiğinden uzay uygulamalarının vazgeçilmez bir parçasıdır.
Farklı şekil ve geometrilerde üretilebildiklerinden, farklı geometrilere sahip metal şase oyuklarına takılan ve taşıdıkları
ısıyı metal gövdelere verimli bir şekilde yayabilen ısı boruları, metal gövde ile kutulanan askeri cihazlarda da sıklıkla
kullanılmaktadır. Isı borularının Türkiye’de en yaygın kullanımı savunma ve havacılık sanayiinde gerçekleşmektedir
ve temini genellikle hazır ürün olarak yurtdışından yapılmaktadır. Ticari bir ısı borusunun monte edileceği sistemin
geometrisi, ısıl yükü, çalışma periyotları ve çevre koşulları, ısı borusunun performansını doğrudan etkilemektedir. Bu
noktada soğutulma yapılacak sistemin çalışma koşullarına uygun ısı borusu seçimi yapmak kritik önem taşır. Bu
çalışmada en sık kullanılan ısı borusu tipleri olan, sinterli ve oluklu fitil yapısına sahip silindirik geometrili ısı
borularının, değişik ortam sıcaklığı, ısı yükü ve yerçekimi pozisyonlarındaki performansları deneysel olarak test
edilmiştir. Yapılan deneylerde ısı borularının kuruma noktaları belirlenmiş ve ısı borularının kuruma noktaları ile test
koşulları arasındaki ilişki açıklanmaya çalışılmıştır.
Anahtar Kelimler: Sinterli ısı borusu, oluklu ısı borusu, kuruma.
EXPERIMENTAL DRY OUT CHARACTERISATION OF SINTERED AND GROOVED
HEAT PIPES
Abstract: Increasing processing power and number of interfaces with the developing technology caused high heat
fluxes passing through the electronic components. Device specific thermal management is being developed to
efficiently remove high fluxes. Heat pipes are popular in heat management as it is possible to transfer large amount of
heat flux with small temperature differences. While the thermal conductivity of standard metal coolers is around 100500 W/m.K, the thermal conductivities of heat pipes using phase change principle can effectively reach up to 10000
W/m.K. The application areas of heat pipes are also quite wide. These special devices, which work passively in a closed
loop, are an indispensable part of space applications because they can operate both against gravity and in gravity-free
environments. Since they could be manufactured in different shapes and geometries, heat pipes, which are attached to
the metal chassis with different geometries and able to transfer the heat efficiently to the body of the device, are
frequently used in military devices packed with metal chassis. In Turkey, heat pipes are extensively used in defense
and aerospace industry and are imported from foreign sources. The geometry, thermal load, operating periods and
environmental conditions of the system in which a commercial heat pipe is to be installed, directly affect the
performance of the heat pipe. At this point, it is critical to select the appropriate heat pipe complying the operating
conditions of the system to be cooled. In the current study, the performance of heat pipes with cylindrical geometry
ULIBTK’17 21. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi
13-16 Eylül 2017, ÇORUM
having sintered and grooved wick structures, which are the most commonly used heat conduction types, was
experimentally tested at different ambient temperatures, heat loads and gravity positions. In the experiments, the dryout onsets of the heat pipes were determined and the relationship between the dry-out onsets of the heat pipes and the
test conditions was explained.
Keywords: Sintered heat pipe, grooved heat pipe, dry-out.
GİRİŞ
Mikro üretim ve Mikro-Elektro-Mekanik Sistem
(MEMS) teknolojilerindeki gelişmeler günümüzde bir
çipin üzerindeki küçük bir silikon alana bir milyardan
fazla sayıda transistörün yerleştirilmesine imkan
vermektedir (Thomas vd., 2004; Garimella ve
Harirchian, 2013). Bu teknoloji ile üretilip yüksek
performans sağlayan ve aynı zamanda boyutları giderek
küçülen elektronik bileşenlerin ısıl yönetimi gittikçe
zorlaşmaktadır. Bu bileşenlerin soğutulması amacıyla
hava ile soğutma vb. klasik soğutma yöntemlerinin
yerine modern soğutma yöntemlerinin kullanılması
gerekmektedir. Faz değişimi prensibi ile çalışan cihazlar,
yüksek ısı soğurma kabiliyetleri sayesinde ısıyı verimli
bir şekilde sistemden uzaklaştırabilirler. Kapalı devre
çalışan, pompa gibi tahrik sistemine ihtiyaç duymayan ve
ısı transferi için faz değiştirme prensibini kullanan ısı
boruları bu noktada alternatif bir soğutma yöntemi olarak
ön plana çıkmaktadır. Düşük sıcaklık farklarıyla, küçük
ısı transferi alanlarından yüksek ısı akısı uzaklaştırabilen
ısı boruları, başta savunma, havacılık ve uzay sanayii
olmak üzere birçok alanda sıklıkla kullanılan bir ısıl
çözüm olarak karşımıza çıkmaktadır.
Şekil 2. Silindirik ısı borularında sinterli (üst) ve oluklu
(alt) fitil yapıları
Şekil 1. Isı borusu çalışma prensibi
borularında, fitil içindeki sıvı hareketi yer çekimine karşı
gerçekleştiği için, ısı boruları yer çekimine karşı
çalışmaktadır. Tersi durumda ise ısı borusu yerçekimi
yardımlı çalışmaktadır. Yer çekimine karşı çalışan ısı
boruları kılcal (kapiler) etkinlik azaldığı için daha düşük
performans sağlarken, yer çekimi yardımlı çalışan ısı
boruları yatay konuma göre daha yüksek verimlilikle
çalışabilmektedir. Kılcal etki ile çalışan ısı borularında,
bu
etkiyi
sağlayacak
değişik
fitil
yapıları
kullanılabilmektedir. Ticari uygulamalarda sıklıkla
ihtiyaç duyulan ısı borularında, en sık kullanılan fitil
yapıları sinterli ve oluklu yapılardır. Şekil 2’de silindirik
ısı boruları içinde yer alan sinterli ve oluklu fitil yapısı
örnekleri gösterilmektedir. Fitil yapılarının sağladığı
pompalama etkisi (kapiler etki) ısı borularının
performansı üzerinde kritik öneme sahiptir. Farklı fitil
yapılarının
değişik
uygulamalarda
göstereceği
pompalama performansları standart olmadığı için, ısı
borularının performanslarının deneysel tespitinin
kullanıldığı uygulamaya özel olarak yapılması gerektiği
bilinmektedir (Faghri, A., 1995). Literatürde, farklı
ortam şartları ve çalışma koşullarında değişik fitil
yapısına sahip ısı borularının performansları inceleyen
birçok çalışma bulunmaktadır.
Kılcal etki ile çalışan ısı boruları, yatay konum dışında
dikey konumlarda da çalışabilmektedir. Buharlaştırıcı
bölgesinin üstte olduğu dikey konumlandırılmış ısı
Saucic vd., 2000 yılında yaptıkları çalışmada, farklı fitil
yapısına sahip 4 mm çapındaki silindirik ısı borularını,
yer çekimine karşı konumlandırarak, artan ısı akısı
Isı borusunun çalışması, ısının harici bir kaynaktan
transfer edildiği buharlaştırıcı bölümündeki sıvı
fazındaki çalışma akışkanının buharlaştırılmasıyla
başlar. Oluşan buhar yoğuşturucu bölümüne doğru
hareket eder, burada soğutucuya ısısını aktararak faz
değiştirip, yoğuşur. Yoğuşan sıvı, çoğu ısı borusu
uygulamasında kılcal etki ile buharlaştırıcıya geri akar.
Şekil 1’de yatay konumda tutulan bir ısı borusunun
çalışma prensibi şematik olarak gösterilmektedir.
ULIBTK’17 21. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi
13-16 Eylül 2017, ÇORUM
altında performans incelemesine tabi tutmuşlardır.
Kullandıkları deney düzeneğinde ısı borusu tarafından
taşınan ısı doğal taşınım yöntemiyle uzaklaştırılmıştır.
Loh C.K. vd., 2005 yılında yaptıkları çalışmada ise farklı
fitil yapısına sahip 4 mm, 5 mm ve 6 mm çapında
silindirik ısı borularını, yer çekimine karşı ve yer çekimi
yardımlı konumlandırmalar arasında eşit açılı dağıtılmış
7 farklı konumlandırmada test etmişlerdir. Isı borusu
yoğuşturucu bölgesinde, ısı atımı için soğuk plaka
kullanılan çalışmada, soğuk plakanın sıcaklıkları
değiştirilerek, ısı borusunun farklı ortam sıcaklıklarında
değişen performansı da incelenmiş ve ısı borusunun
yüksek ortam sıcaklıklarında daha verimli çalışabileceği
tespit edilmiştir. Junior vd.’nin 2015 yılında
yayınladıkları çalışmalarında oluklu bir ısı borusunun
performansı,
yer
çekimine
karşı
değişen
konumlandırmalarda ve değişik soğutucu sıcaklıklarında
sınanmıştır. Yer çekimine karşı konumlandırmanın
devamlı şekilde değiştirildiği dinamik bir test metodu
uygulanan bu çalışmada, deney sırasında ısı borusu
üzerinden alınan sıcaklıklar devamlı bir şekilde izlenmiş,
buharlaştırıcı ve yoğuşturucu sıcaklıkları arasındaki fark
açılmaya başladığı anda ısı borusunda kuruma
hadisesinin meydana geldiği bildirilmiştir. Yoğuşturucu
bölümünde kullanılan soğutma sıvısının sıcaklıkları
değiştirilerek yapılan testlerde ise, ısı borusu yatay
pozisyonda iken, soğutma sıvındaki sıcaklık artışının ısı
borusunun kurumaya uğramadan daha yüksek ısı
miktarları taşımasını sağladığı rapor edilmiştir. Bir başka
çalışmada ise geleneksel bir sinterli ısı borusu, yeni
geliştirilmiş bir sinterli fitil yapısına sahip ısı borusu ile
kıyaslanmıştır (Khalili vd. 2016). İki ısı borusunun, farklı
ısı yüklerinde, doldurma oranlarında ve yer çekimi
konumlarında performans testleri yapılmıştır. Yapılan
testler sonucunda geliştirilen yeni fitil yapısına sahip ısı
borularının yer çekimsiz ortamda iyi performans
gösterdiği saptanmış ve uzay uygulamalarında iyi bir
alternatif olabileceği belirtilmiştir.
Isı borularının kapasitelerinden daha fazla ısı yükü
altında çalıştıklarında buharlaştırıcı bölgelerindeki
sıvının kurumaya başlaması, ısı borusu performansını
oldukça düşüren bir olgudur. Kurumanın yaşanmaması
için sıklıkla kullanılan ısı borusu tiplerinin, değişik ısı
yükleri altında, değişik ortam sıcaklıklarında ve değişik
açılı yer çekimi konumlandırmalarında nasıl tepki
verdiğini bilmek kritik önem taşımaktadır.
Literatürdeki
çalışmalar
incelendiğinde,
ısının
uzaklaştırıldığı
bölüm
olan
yoğuşturucunun
soğutulmasında
farklı
yöntemler
kullanıldığı
görülmektedir. İçlerindeki kanallarda soğuk su
dolaştırılarak soğutulan soğuk plakalar, sıcaklığı kontrol
edilebilen soğuk banyolar, üzerlerine hava üflenen
kanatçıklara sahip ısı yutucular gibi zorlanmış taşınım
yöntemini kullanan soğutma teknikleri kullanılan
yöntemlerin büyük çoğunluğunu oluşturmaktadır. Öte
yandan, ısı borularının kullanıldığı birçok uygulama
alanında, zorlanmış taşınım yöntemlerinin kullanılması
mümkün olamamaktadır. Özellikle metal şase ile
kutulanan askeri haberleşme gibi cihazlarda, hem cihaz
küçüklüğü hem de cihaz taşınabilirliği önemli birer
tasarım parametresi olduğu için, bu cihazların
soğutulmasında doğal taşınım yöntemi tek seçenek
olarak görünmektedir.
Bu çalışmada, ticari olarak kullanımı en yaygın olan
sinterli ve oluklu fitil yapısına sahip silindirik ısı
borularının kuruma sınırları; farklı ısı yükü, ortam
sıcaklığı ve yer çekimi açısı parametrelerine göre test
edilmiştir. Bu çalışmayı literatürdeki diğer çalışmalardan
ayıran en önemli nokta ise, farklı ortam sıcaklığı ve yer
çekimi açısı parametrelerinin doğal taşınım ile soğutulan
bir ısı borusunun performansı üzerindeki etkilerinin ilk
defa çalışılmış olmasıdır. Ayrıca, bu çalışmanın amacı
savunma sanayinin ısı boruları ile ilgili teknik verisini
arttırmak ve ısıl tasarımcılara ısı borusu kullanımı ile
ilgili farkındalık sağlamaktır.
MATERYAL VE YÖNTEM
Deney Düzeneği
Endüstriyel uygulamalarda sıklıkla kullanılan silindirik
ısı borularının performans testlerinin yapılabilmesi için,
farklı uzunluklarda ısı borularına göre uzunluğu
ayarlanabilir, kızaklı bir deney düzeneği tasarlanmış ve
üretilmiştir. Oluklu ve sinterli fitil yapısına sahip, 200
mm boyunda ve 3 mm çapında, bakır malzemeden
üretilmiş, çalışma sıvısı olarak su kullanan, 2 adet
Enertron marka silindirik ısı borusu kullanılmıştır. Isı
borusuna ısıl yükün verildiği buharlaştırıcı bölgesinde
doğru akım güç kaynağı ile beslenen bir direnç ısıtıcı
(5,1Ω) kullanılmıştır. Isıtıcıdan gelen ısı yükünün
tamamının ısı borusuna aktarılmasını garanti altına almak
için, ısıtıcı ve ısıtıcı ile ısı borusu arasında ısı iletimini
sağlayan metal plaka, cam yünü ile doldurulmuş bir
plastik muhafaza ile kapatılmıştır. Yoğuşturucu
bölgesinde ise, ısı borusunda taşınan ısı yükü, üzerinde
kanatçıklı yapılar barındıran alüminyum bir soğutucuya
aktarılarak
doğal
taşınım
yolu
sistemden
uzaklaştırılmıştır. Buharlaştırıcı ve yoğuşturucu bölgeleri
dışında kalan ısı borusu yüzeyinden gerçekleşebilecek
potansiyel ısı kaybını engellemek için, ısı borusu etrafına
cam yünü sarılarak ısıl yalıtım sağlanmıştır. Isı borusu
üzerindeki sıcaklık dağılımı, 4 adet T tipi termokupl
kullanılarak belirlenmiştir. Termokupllar buharlaştırıcı
ve yoğuşturucu bölgelerinin her iki ucuna
yerleştirilmiştir. Termokupl pozisyonlarını da gösteren
düzenek şematiği Şekil 3’de gösterilmiştir. Termokupllar
üzerinden gelen veriler, Digital I/O DAQBook veri
kaydedicisi vasıtasıyla kayıt altına alınmıştır.
ULIBTK’17 21. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi
13-16 Eylül 2017, ÇORUM
ucu arasında 1 -1,5°C mertebelerinde sıcaklık farkı
oluşmaktadır. Bu sebepler göz önüne alınarak ısıl direnç
hesaplanırken, buharlaştırıcı bölgesinin uç sıcaklık
değeri ile yoğuşturucu bölgenin ortalama sıcaklık değeri
arasındaki fark kullanılmıştır.
Yatay Deneyler
Şekil 3. Deney düzeneği şematiği
Deney Yöntemi
Deneylere ısı borusunda kuruma gözlenmeyeceğinden
emin olunan düşük ısı yükleri ile (genellikle 1 W civarı)
başlanmıştır. Deney süresince sistem sıcaklıkları
bilgisayar ara yüzü tarafından sürekli kontrol edilmiş ve
veriler 5 saniye aralıklar ile kaydedilmiştir. Her bir ısı
yükünde, sistemin kararlı hale gelmesi için yeterli süre
beklenmesine dikkat edilmiştir. Isının sistemden
uzaklaştırılmasında doğal taşınım yöntemi kullanıldığı
için, sistemin kararlı hale gelmesi uzun sürmüştür.
Kuruma riskinden uzak ısı yüklerinde deney süreleri 1-2
saat olarak seçilirken, kurumaya yakın ısı yüklerinde
sistemin kararlı hale geldiğinden emin olmak için 3-4
saat civarı beklenmiştir. Deneyleri sonlandırmak için ısı
borusunda kuruma hadisesinin meydana gelmesi
beklenmiştir. Kuruma kıstası olarak buharlaştırıcı
bölgesinin iki ucu arasındaki sıcaklık farkı seçilmiş; bu
fark
1°C’nin
üzerine
çıktığında
deneyler
sonlandırılmıştır. Farklı ortam sıcaklıklarında yapılan
deneyler için laboratuvar ortamının genel sıcaklığı
kontrol edilmiştir. Yatay deney setleri için deney
düzeneği masa üzerinde konumlandırılırken, yerçekimi
yardımlı ve yerçekimine karşı yapılan deneyler için
deney düzeneği duvara uygun pozisyonlarda monte
edilmiştir.
BULGULAR VE TARTIŞMA
Oluklu ısı borusu için yatay ve dikey olmak üzere farklı
konumlandırmalarda deneyler gerçekleştirilmiştir. Yatay
deneylerde fitil yapısı ve ortam sıcaklığının kuruma
noktasına olan etkileri incelenmiştir. Dikey deneylerde
ise yer çekimini faktörünün kuruma noktasına olan etkisi
farklı fitil yapıları için gözlemlenmiştir. Her bir deney
seti için artan ısı yüklerine göre değişen ısıl direnç
değerleri hesaplanmıştır. Isıl direnç hesabında kullanılan
denklem, Eş. (1)’de verilmiştir.
⎛ T + T4 ⎞
T1 − ⎜ 3
⎟
2
⎝
⎠
R=
Q
(1)
Buharlaştırıcı bölgede kuruma hadisesinin ilk meydana
geldiği yer, buharlaştırıcı bölgenin uç kısmıdır. Bu
yüzden kuruma meydana geldiğinde T1 sıcaklığı ani bir
şekilde yükselmektedir. Öte yandan bu çalışmada
yoğuşturucu bölge ısı borusunun toplam boyunun önemli
bir kısmını kapladığından dolayı, yoğuşturucunun her iki
Sinterli ve oluklu fitil yapılarına sahip ısı boruları yatay
konumda iken artan ısı yükleri ile teste tabi
tutulmuşlardır. 22°C ortam sıcaklığında gerçekleştirilen
testlerde her iki ısı borusu içinde buharlaştırıcı bölgede
kuruma başlayana kadar ısı yükleri arttırılmış ve kuruma
başladığında deneyler sonlandırılmıştır. Artan ısı
yüklerinde oluklu ve sinterli fitil yapılarına sahip ısı
borularının ısıl direnç değişimleri Şekil 4’de
gösterilmiştir.
Şekil 4. Farklı fitil tiplerinin yatay konumdaki ısıl dirençleri
Sinterli ısı borusunda kurumanın 4 W civarında başladığı
görülürken, oluklu ısı borusunda kuruma 5 W’dan sonra
başlamıştır. Ayrıca, oluklu ısı borusunun kuruma
meydana gelene kadar sinterli ısı borusundan daha düşük
ısıl dirençlerde çalıştığı da görüldüğünden, yatay
konumlandırmada daha iyi performans verdiği
düşünülmektedir. 2005 yılında 6 mm çapındaki silindirik
ısı boruları ile yaptıkları çalışmada Loh C.K. vd. benzer
bulguları rapor etmişlerdir. Sinterli ısı borusunda kuruma
hadisesinin kademeli olarak gerçekleştiği saptanırken,
oluklu ısı borusunda kurumanın ani başladığı tespit
edilmiştir. Bunun sebebi şu şekilde açıklanabilir. Sinterli
fitil yapısında kılcal etki ile tanecikler arasında asılı olan
sıvı öbekleri farklı zamanlarda kurumaktadır. Öte
yandan, oluklu ısı borusunda, oluğu dolduran sıvı
menüsküsü belli bir ısı yükünde aniden oluk köşeleri ile
olan temasını yitirip kanal dibine çekilmektedir. Bu
sebepten, ısıl tasarımcıların oluklu ısı borusu
kullandıkları uygulamalarda, sistemlerde meydana
gelecek ani ısı artışlarından kaynaklı potansiyel
kurumalara karşı dikkatli olması gerekmektedir.
Yoğuşturucu bölgesinde ısı borusundan uzaklaştırılan
ısının transfer edildiği soğutucunun sıcaklığındaki
değişimin ısı borusu performansı üzerindeki etkisini
incelemek için farklı ortam sıcaklıklarında deneyler
yürütülmüştür. 22 ve 25 °C’ de yatay pozisyonda
konumlandırılan oluklu ısı borusunun, artan ısı
yüklerindeki ısıl direnç değişimi Şekil 5’de
gösterilmiştir. 22 °C ortam sıcaklığında 5 ile 5,2 W
ULIBTK’17 21. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi
13-16 Eylül 2017, ÇORUM
arasında kuruma meydana gelirken, 25 °C’de kuruma
6W’dan sonra gerçekleşmiştir.
Şekil 5. Farklı ortam sıcaklıklarında oluklu ısı borularının
yatay konumdaki ısıl dirençleri
Kuruma
noktasından uzak ısı yüklerinde benzer
verimlilikte çalışan ısı borusunun kuruma noktasının ise
yüksek ortam sıcaklığında belirgin şekilde ötelendiği
tespit edilmiştir. Bu çıkarım Junior vd.’nin 2015 yılında
yayınladıkları çalışmadaki bulguları ile uyumluluk
göstermektedir. Ortam sıcaklığının artması cihazların
soğutulmasında zorluk yaratan bir durum olmakla
birlikte, ısı borusunun ısıyı taşıma performansının
iyileşiyor olması ısı borusu kullanımını teşvik eden bir
başka neden olarak düşünülebilir.
Bu çalışmada laboratuvar iklimlendirmesindeki
kısıtlamalardan kaynaklı olarak, ortam sıcaklığının ısı
borusu üzerindeki performans deneyleri sadece 3 °C
sıcaklık farkında gerçekleştirilebilmiştir. Bu sıcaklık
farkında bile anlamlı performans farklılıkları
görülebilmekle birlikte, yapılacak devam çalışmasında
kontrollü bir fırın ortamında daha yüksek sıcaklık farkları
ile deneyler yapılması planlanmaktadır.
Dikey Deneyler
Sinterli ve oluklu fitil yapılarına sahip ısı boruları 22°C
ortam sıcaklığında, yer çekimine karşı (buharlaştırıcı
bölgesi üstte) konumlardırmada artan ısı yükleri ile teste
tabi tutulmuşlardır. Deney sonucunda ortaya çıkan ısıl
direnç değişimleri Şekil 6’da gösterilmiştir.
Şekil 6. Farklı fitil tiplerinin yer çekimine karşı konumdaki ısıl
dirençleri
Sinterli ve oluklu ısı boruları yer çekimine karşı
konumlandırıldığında, yataya göre yaklaşık 1 W civarı
daha erken kurumuşlardır. Bu erken kurumanın sebebi
buharlaştırıcı kısmına kılcal etki vasıtasıyla hareket eden
sıvının yer çekimine karşı hareket etmesinden
kaynaklanmaktadır. Bu olumsuz etkiden oluklu fitil
yapısına sahip ısı boruları daha fazla etkilenmektedir.
(Saucic vd., 2000). Oluklu ısı borusunun yatay
konumlandırmada en düşük ısıl direnç değeri olarak 0.4
°C/W değerinde çalıştığı gözlemlenmişken, yer çekimine
karşı konumlandırmadaki en küçük ısıl direnç değeri 0.6
°C/W olmuştur. Öte yandan, sinterli fitil yapısına sahip
ısı borusunun minimum ısıl direnç değeri hem yatay hem
yerçekimine karşı pozisyonda birbirine oldukça yakın
çıkmıştır (Loh C.K. vd., 2005). Bu sonuç yer çekimine
karşı ısı borusu konumlandırmalarında çalıştırılmak
zorunda olunan uygulamalarda sinterli ısı borusu
kullanımını teşvik etmektedir.
Aynı ısı boruları yine 22°C ortam sıcaklığında, bu sefer
yer çekimi destekli (buharlaştırıcı bölgesi altta)
konumlardırmada artan ısı yükleri ile teste tabi
tutulmuşlardır. Deney sonucunda ortaya çıkan ısıl direnç
değişimleri Şekil 7’de gösterilmiştir.
Şekil 7. Farklı fitil tiplerinin yer çekimi destekli konumdaki ısıl
dirençleri
Beklenildiği
üzere, sinterli ve oluklu ısı boruları yer
çekimi destekli konumlandırıldığında, yataya göre daha
yüksek ısı yüklerinde kurumadan çalışabilmişlerdir
(Saucic vd., 2000). Özellikle oluklu ısı borusu 12 W’dan
daha yüksek bir sıcaklıkta kuruyarak %100’den daha
fazla bir performans artışı göstermiştir. Kurumadan
önceki bütün çalışma sürecinde sinterli ısı borusuna göre
daha düşük ısıl direnç değerlerinde çalışan oluklu ısı
borusunun, yer çekimi destekli konumda sinterli ısı
borusuna tercih edilmesi gerektiği saptanmıştır.
Şekil 4, 5, 6 ve 7’deki ısıl direnç değişimi incelendiğinde,
özellikle oluklu ısı borusunda belirgin şekilde görülen,
optimum bir çalışma noktası varlığı göze çarpmaktadır.
Bu noktaya kurumanın başlamasından hemen önce
ulaşılmaktadır (Alijani vd., 2017). Bu noktadaki verimli
ısı borusu operasyonunun sebebi ise buharlaşmanın
veriminin artmasıdır. Isı borusu kurumadan hemen önce
buharlaştırıcı bölgesindeki sıvı filmi kalınlıkları
incelmektedir. Bilhassa buharlaşmanın büyük oranda
meydana geldiği oluk köşelerindeki mikro buharlaşma
bölgesinde (Akkuş ve Dursunkaya, 2016) incelen sıvı
ULIBTK’17 21. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi
13-16 Eylül 2017, ÇORUM
filmi kalınlıkları, buharlaşma direncinin azalmasına
sebebiyet vermelerinden dolayı bu bölgelerde
buharlaşma hızı artmaktadır. Isı borusunun optimum
noktada çalışması, ısı transferinin verimini arttıran bir
olgu olmakla birlikte, özellikle oluklu ısı boruları için,
nihai bir hedef olmamalıdır. Çünkü oluklu ısı borularına
bu çalışma noktasında bindirilecek ufak miktardaki bir
ekstra ısı yükü kurumalarına yol açmakta ve ısıl
dirençlerini çok yükseltmektedir. Isıl tasarımcılar,
kuruma (veya kısmi kuruma) altındaki bir ısı borusu
kullanımından kaçınmalıdırlar. Ek olarak, bu çalışmada
yapılan deneyler sırasında, kuruma hadisesi bir kere
yaşandıktan sonra, ısı borusu üzerindeki ısı yükü azaltılsa
bile, ısı borusunun kuruma yaşanmadan önceki ısıl
performasını
yakalayamadığı
gözlenmiştir.
Bu
performans kaybının ne mertebede olduğu, ısı borusunun
ne kadar sürede ve/veya ne kadar soğutulduğunda eski
performansını yakaladığı ile ilgili niceliksel deneylerin
devam çalışmasında ele alınması planlanmaktadır.
Yapılan deneylerdeki kullanılan ekipman kaynaklı
belirsizlik (calibration or manufacturer’s uncertainty) ile
ölçümlerin sistematik belirsizliği (measurement
uncertainty) kıyaslandığında, sistematik belirsizliğin
ekipman belirsizliğinden çok daha fazla olması
beklenmektedir. Ekipman belirsizlikleri, üreticilerin
sağladıkları kataloglardaki ölçüm hata payı değerleri göz
önüne alınarak kolaylıkla hesaplanabilirken, sistematik
belirsizlik için uygun bir standart sapma değeri elde
edilecek sayıda ölçüm yapılması gerekmektedir.
Yapılması planlanan devam çalışmasında, sistem
belirsizliğini öngörebilmek için belirli deneyler üzerinde
tekrarlanabilirlik testleri yapılacaktır.
SONUÇ
Bu çalışmada, yüksek ısı akılarının uzaklaştırılması veya
yüksek sıcaklık noktalarının dağıtılması için sanayide
sıklıkla kullanılan sinterli ve oluklu fitil yapısına sahip
silindirik ısı boruları, değişik ortam sıcaklıkları ve yer
çekimi konumlandırmalarında, artan ısı yüklerinde
performans testlerine tabi tutulmuşlardır. Yapılan
deneyler sonucunda ortaya konan çıkarımlar aşağıda
listelenmiştir.
•
Sinterli ısı borularında kuruma hadisesi kademeli
olarak gerçekleşirken, oluklu ısı boruları
kuruduğunda ani performans kaybı yaşamaktadırlar.
•
Soğutma ortamının sıcaklığının artması, ısı
borularının daha yüksek ısı yüklerinde kurumasını
sağlamaktadır.
•
Yer
çekimine
karşı
konumlandırmalarda
(buharlaştırıcı bölgesi üstte) sinterli fitil yapısına
sahip ısı boruları, oluklu ısı borularına göre daha az
performans kaybına uğramaktadırlar.
•
Yer
çekimi
destekli
konumlandırmalarda
(buharlaştırıcı bölgesi altta) oluklu fitil yapısına
sahip ısı boruları %100’den daha fazla performans
artışı göstererek, bu konumlandırmada sinterli ısı
borularından daha uygun bir seçenek olmuşlardır.
•
Oluklu ısı borularının en yüksek performans ile
çalıştığı nokta kuruma noktalarına oldukça yakındır.
•
Isı borularında kuruma yaşandıktan sonra, önceden
kuruma
yaşanmayan
ısı
yüklerinde
çalıştırıldıklarında performans kaybı yaşadıkları
gözlenmiştir.
•
Hem ısıl dirençleri oldukça yükselip performans
kaybı yaşadıklarından, hem de daha düşük güç
girdilerinde
dahi
eski
performanslarına
ulaşamadıklarından dolayı ısı boruları kuruma
noktalarına çok yakın çalıştırılmamalı ve kuruma
tehlikesinden uzak tutulmalıdır.
TEŞEKKÜR
Bu çalışmada deney düzeneği bileşenlerinin üretimi ve
ısı borusu teminleri ASELSAN tarafından yapılmıştır.
Destekleri için ASELSAN, Haberleşme ve Bilgi
Teknolojileri Sektör Başkanlığı, Mekanik Tasarım
Direktörü Sayın Serdar TERZİ’ye teşekkürlerimizi
sunarız.
KAYNAKLAR
Akkuş Y. and Dursunkaya Z., 2016, A New Approach to
Thin Film Evaporation Modeling, Int. J. Heat Mass
Transfer, 101, 742-748.
Alijani H., Çetin B., Akkuş Y. and Dursunkaya Z., 2017.
Experimental thermal performance characterization of at
grooved heat pipes. Heat Transfer Engineering,
MNF2016 Special Issue, in press.
Faghri A., 1995, Heat Pipe Science and Technology,
Taylor and Francis Ltd.
Garimella S. V. and Harirchian T., 2013, Encyclopedia
of Thermal Packaging, Volume 1: Microchannel Heat
Sinks for Electronics Cooling, World Scientific.
Junior J. B., Vlassov V. V., Genaro G. and Guedes U. T.
V., 2015. Dynamic test method to determine the capillary
limit of axially grooved heat pipes. Exp. Therm. Fluid
Sci., 60, pp.290-298.
Kenny T. W. (auth.), Zhang L., Goodson K. E., 2004,
Silicon Microchannel Heat Sinks: Theories and
Phenomena. Microtechnology and MEMS, SpringerVerlag Berlin Heidelberg.
ULIBTK’17 21. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi
13-16 Eylül 2017, ÇORUM
Khalili M. and Shafii M.B., 2016. Experimental and
Numerical Investigation of the Thermal Performance of
a Novel Sintered-Wick Heat Pipe. Appl. Therm. Eng., 94,
59-75.
Loh C. K., Harris E. and Chou D. J., 2005. Comparative
Study of Heat Pipes Performances in Different
Orientations. Semiconductor Thermal Measurement and
Management Symposium, 21thAnnual IEEE, 191-195.
Sauciuc I., Mochizuki M., Mashiko K., Saito Y. and
Nguyen T., 2000. The Design and Testing of the Super
Fiber Heat Pipes for Electronics Cooling Applications.
Semiconductor Thermal Measurement and Management
Symposium. 16th Annual IEEE, 27-32.
Tharayil T., Asirvatham L. G., Cassie C. F. M. and
Wongwises S., 2017. Performance of Cylindrical and
Flattened Heat Pipes at Various Inclinations Including
Repeatability in anti-gravity – A comparative study.
Appl. Therm. Eng., 122, 685-696.
ThermoLab
Co.
Ltd.
Wick
structures.
http://thermolab.co.kr/3443, last visited on June 2015.
YAZARLARIN KISA ÖZGEÇMİŞLERİ
Atakan ATAY İ.D. Bilkent Üniversitesi Makine
Mühendisliği Bölümü’nde 4. sınıf öğrencisidir. 2016
yılından beri lazer ve gaz altı kanyak proseslerinin
analitik ve sayısal olarak incelenmesi ve ticari ısı
borularının termal karakterizasyonu konularında
araştırmalarda görev almaktadır.
Büşra SARIARSLAN İhsan Doğramacı Bilkent
Üniversitesi
Makine
Mühendisliği
Bölümü’nde
dördüncü sınıf öğrencisidir. Isı transferi ve akışkanlar
mekaniği konuları temel ilgi alanıdır.
Yiğit F. KUŞÇU, İ.D. Bilkent Üniversitesi Makine
Mühendisliği Bölümü’nde 4. sınıf öğrencisidir. 2016
yılından beri lazer ve gaz altı kanyak proseslerinin
analitik ve sayısal olarak incelenmesi ve ticari ısı
borularının termal karakterizasyonu konularında
araştırmalarda görev almaktadır. Aynı zamanda
TÜBİTAK tarafından da desteklenen lazer kaynağının
termal modellemesi üzerine bir lisans araştırma projesi
yürütmektedir.
Yiğit AKKUŞ, Orta Doğu Teknik Üniversitesi,
Mühendislik
Fakültesi,
Makina
Mühendisliği
Bölümü’nden 2009 yılında Lisans, Orta Doğu Teknik
Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Malzeme ve
Metalurji Mühendisliği Bölümü’nden 2010 yılında
“Mühendislik Metalleri ve Alaşımları” Yandalı, Orta
Doğu Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Ensitüsü,
Makine Mühendisliği’nden 2015 yılında doktora
derecelerini almıştır. 2009’dan beri ASELSAN A.Ş.’de
mekanik/ısıl tasarım mühendisi olarak çalışmakta olan
Dr. Akkuş’un araştırma ilgi alanları arasında ısı
borularının modellenmesi ve deneysel doğrulanması,
damlacık buharlaşması ve ince film buharlaşması yer
almaktadır.
Samet SAYGAN, Orta Doğu Teknik Üniversitesi,
Mühendislik
Fakültesi,
Makina
Mühendisliği
Bölümü’nden 2011 yılında Lisans, , Orta Doğu Teknik
Üniversitesi, Fen Bilimleri Ensitüsü, Makine
Mühendisliği’nden 2014 yılında yüksek lisans
derecelerini almıştır ve güncel olarak doktora
çalışmalarını sürdürmektedir. ASELSAN A.Ş.’de, 2011
yılından itibaren mekanik/ısıl tasarım mühendis olarak
görev yapmaktadır.
Türker GÜRER doktora derecesini Orta Doğu Teknik
Üniversitesi,
Mühendislik
Fakültesi,
Makina
Mühendisliği Bölümü’nden almıştır. Güncel olarak
ASELSAN’ın Haberleşme ve Bilgi Teknolojileri Sektör
Başkanlığında Mekanik Tasarım Müdürü olarak görev
yapmaktadır.
Barbaros ÇETİN, İ.D. Bilkent Üniversitesi Makine
Mühendisliği Bölümü’nde öğretim üyesidir. Doktora
derecesini Vanderbilt Üniversitesi’nden (A.B.D.)
almıştır. Kendisinin araştırma konuları elektrokinetik
taşınım, biyomedikal uygulamalarda kullanılan çip-üstülabaratuvar cihazlarında parçacık kontrolü, ısı
borularının modellenmesi ve deneysel doğrulanması
üzerine yoğunlaşmıştır. Dr. Çetin 90’dan fazla makale,
konferans bildirisi, kitap bölümü ve ansiklopedi
girdisinde yazarlık yapmıştır. Doç. Dr. Çetin, 2015
yılında, İ.D. Bilkent Üniversitesi Eğitimde Üstün Başarı
Ödülü’ne layık görülmüştür.
Zafer DURSUNKAYA, Orta Doğu Teknik Üniversitesi
Mühendislik
Fakültesi
Makina
Mühendisliği
Bölümü’nden 1981 yılında Lisans; Illinois Institute of
Technology Makina Mühendisliğinde 1984 yılında
Yüksek Lisans ve 1988 yılında Doktora derecelerini aldı.
1989-1994 yılları arasında Ricardo’da kıdemli mühendis
olarak çalıştı. 1994’den beri ODTÜ Mühendislik
Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü’nde öğretim
üyesi olarak görev yapmaktadır. Kendisinin araştırma
ilgi alanları arasında oluklu ısı boruları, hareketli sınır/faz
değişimi problemleri, piston yağlama ve tasarımı, içten
yanmalı motorlarda yağ tüketimi, hidrodinamik yağlama,
kaymalı yataklar, piston segman dinamiği, segman
yağlama ve akışkan kararsızlığı yer almaktadır.
Download
Random flashcards
En Mimar Architecture LTD ŞTİ XD

2 Cards asilyasar069

KIRIHAN GÜMÜŞ DEDEKTÖR

6 Cards oauth2_google_49cd8e53-7096-4be6-ba73-4ff7e4195b4b

KALPTE İLETİM NOKTALARI

3 Cards oauth2_google_cfd2531f-f18a-45fd-9d97-afe31596ce7b

TRYF

6 Cards oauth2_google_3b3e6916-5080-45f2-ae61-79434233ea03

Create flashcards