Performance characterization and optimization of an axial flow fan for electronic enclosures

Yüksek güçlü elektronik komponentlerin ısıl yönetimi, termal mühendisler için zorlayıcı ve kritik bir problem haline gelmiştir. Zorlanmış taşınımlı elektronik mahfazalar, sistemdeki ısıyı verimli bir şekilde ortadan kaldırmak için akış yaratan fanlardan oluşmaktadır. Bu çalışma kapsamında, elektronik mahfazalarda kullanılan eksenel bir fanın performans karakterizasyonu üzerine sayısal ve deneysel çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Bu amaç ile bir fanın üç boyutlu CAD modeli kullanılarak hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile deneysel veriler ile karşılaştırılması yapılmıştır. Sayısal modellerin doğrulamasını yapmak amacıyla bir deneysel düzenek tasarlanmış ve kurulmuştur. Tüm ölçümler, Air Movement and Control Association (AMCA- Hava Hareket ve Kontrol Kurumu) 210-99,1999 standardına uygun olarak tasarlanmış ve üretilmiş bir rüzgar tüneli içerisinde gerçekleştirilmiştir. Tutarlı karşılaştırmalar yapmak adına, fan ile birlikte rüzgar tüneli düzeneğinin sayısal modeli hazırlanmıştır. Eksenel bir fanın modellemesi sırasında Hareketli Referans Çerçevesi (Moving Reference Frame) tekniği kullanılır. Akış hızları aralığı üzerine, akış ve basınç alanlarına karar vermek için geliştirilmiş duvar fonksiyonu ile gerçekleştirilebilir k–ε türbülans modeli kullanılarak simülasyonlar yapılmıştır. Rüzgar tünelinde yapılan deneysel araştırmalar, fandan kaynaklanan basınç artışı ve akış hızı ölçülerek tamamlanmıştır. Bu ölçümler sırasında AMCA 210-99, 1999 standardına uygun olarak tasarlanmış ve üretilmiş birden fazla çıkış ağzı (nozzle) kullanılmıştır. Fanın toplam verimlilik kavramı, hacimsel debiye ve fan boyunca oluşan kayıplar ile ilgili gelişmelere bağlı bir fonksiyon olarak tanımlanmaktadır. Çalışmanın ikinci fazında, farklı komponentlerin genel verim üzerindeki etkisini görmek amacıyla eksenel fanın güç kayıpları araştırılmaktadır. Dahası, güç kayıpları özellikle fırçasız doğru akım motorunun dış rotoruna odaklı mekanik, elektriksel, termal ve elektromanyetik kayıpların modellemesi ile bağlantılıdır. Bir fanın verimliliği, elektriksel ve mekanik tasarımına bağlı olmakla birlikte fanın maruz kaldığı çevre koşullarına da bağlıdır. Genellikle, bir eksenel fanın toplam verimliliği %15 ila %40 arasında çeşitlilik göstermektedir. Güç kayıpları; elektriksel, aerodinamik veya mekanik tasarım parçalarından kaynaklanabilir. Yüksek atalet etkisi, düşük güç, düşük maliyet ve yüksek verim beklendiğinde, eksenel fanlar üzerinde oluşan kayıplar kritik bir problem haline gelir. Verimli bir motor tasarlamak için genellikle ısı formunda oluşan güç kayıplarını doğru olarak öngörmek önemlidir. Bu kayıpların giderilmesi motor sıcaklığının düşmesine yol açar ve bu sayede, fanın güvenilirliğini arttırır. Evirici kayıpları, motor kayıpları ve mekanik kayıpları hesaplamak için formüller türetilmiştir. Güç kayıpları belirlenmiş ve sonra motorun termal performansını değerlendirmek için güç kaynağı olarak kullanılmıştır. İki boyutlu bir model kullanılarak, motor üzerindeki çekirdek kaybı dağılımını analiz edebilmek amacı ile hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) simülasyonları üzerine çalışılmıştır. Sonuçlar, sistemin genel verimliliğine karar verebilmek için kullanılmıştır.