A NUMERICAL INVESTIGATION OF THE EFFECT OF PERFORATED PINS AND CONE INCLINATION ANGLE ON THE PERFORMANCE OF HEAT SINKS

Abstract

ABSTRACT

Over the past few decades, researchers have shown significant interest in enhancing the thermal efficiency of heat sinks while simultaneously increasing the power generation capacity of electronic devices and reducing their size. Since industrial devices generate heat as a byproduct of power dissipation, which can impair their performance, a set of temperature limit constraints is necessary for nearly all these devices to function properly. That is, if overheating causes certain constraints to be exceeded, these engineering devices may malfunction in some way. As a result, heat sinks can be used to cool crucial components in a variety of significant applications, including computers, nuclear reactors, aviation engines, and data center server racks, in addition to a number of other microelectronic devices. Air cooling is the most widely used cooling method for heat dissipation in electronic thermal control. The key advantages of this cooling technology include decreased cost, convenience of design, easier access to air, and greater reliability. In this study, conical perforated pin heat sinks were designed with multiple perforations (N = 0, 1, 2 and 3) and various conical pins at various inclination angles (Φ = 0°, 1°, 2° and 3°). The study aimed to investigate the effects of a perforated conical pin and cone inclination angle on heat transfer, pressure drop, CPU temperature, and hydrothermal performance (HTP) across the heat sinks using a 3D, turbulent flow, and a thermal conjugate model. A validated CFD model was employed to conduct a parametric analysis of the effects of the quantity and placement of circular holes. A summary of the results reveals that Model B3 exhibited the highest HTP value, reaching approximately 1.15 at U = 10m/s, with a commendable reduction in its heat sink mass of over 12%. Ultimately, the perforated conical pin heat sink demonstrates the potential to fulfil the primary objective of this investigation, namely achieving an overall improvement in Nusselt number, CPU temperature, pressure drop, and reduced heat sink mass.

ÖZET

Geçtiğimiz birkaç on yıl boyunca araştırmacılar, ısı alıcılarının termal verimliliğini artırmaya, aynı zamanda elektronik cihazların güç üretim kapasitesini artırmaya ve boyutlarını küçültmeye büyük ilgi göstermişlerdir. Endüstriyel cihazlar, güç dağıtımının bir yan ürünü olarak ısı ürettiğinden ve bu da performanslarını olumsuz etkileyebileceğinden, bu uygulamaların neredeyse tamamının düzgün çalışabilmesi için bir dizi sıcaklık sınırı kısıtlaması gereklidir. Yani, aşırı ısınma belirli kısıtlamaların aşılmasına neden olursa, bu mühendislik cihazları bir şekilde arızalanabilir. Sonuç olarak, ısı alıcıları bilgisayarlar, veri merkezi sunucu rafları ve diğer mikroelektronik cihazların yanı sıra havacılık motorları ve nükleer reaktörler de dahil olmak üzere çeşitli önemli uygulamalardaki kritik bileşenleri soğutmak için kullanılabilir. Hava soğutma, elektronik termal kontrolde ısı dağılımı için en yaygın kullanılan soğutma yöntemidir. Bu soğutma teknolojisinin temel avantajları arasında düşük maliyet, tasarım kolaylığı, havaya daha kolay erişim ve daha fazla güvenilirlik yer almaktadır.

Bu çalışmada, konik delikli pimli ısı alıcıları çoklu delikler (N = 0, 1, 2 ve 3) ve çeşitli konik pim eğim açıları (Φ=0°, 1°, 2° ve 3°) ile tasarlanmıştır. Çalışma, delikli konik pim ve koni eğim açısının ısı alıcıları boyunca ısı transferi, basınç düşüşü, işlemci sıcaklığı ve hidrotermal performans (HTP) üzerindeki etkilerini 3 boyutlu (3B), türbülanslı akış ve termal eşlenik model kullanarak araştırmayı amaçlamıştır. Konik deliklerin miktarı ve yerleşiminin etkilerinin parametrik bir analizini yapmak için doğrulanmış bir Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) modeli kullanılmıştır. Sonuçlar, B3 modelinin en yüksek HTP değerini sergilediğini, U = 10 m/s’de yaklaşık 1,15’e ulaştığını ve ısı alıcı kütlesinde %12’nin üzerinde övgüye değer bir azalma olduğunu göstermektedir. Sonuç olarak, delikli konik pimli ısı emici, bu araştırmanın birincil amacını yerine getirme potansiyelini göstermektedir; yani Nusselt sayısında, işlemci sıcaklığında, basınç düşüşünde ve azaltılmış ısı alıcı kütlesinde genel bir iyileşme sağlayabilmektedir.