An investigation into fluid flow and heat transfer of high frequency synthetic jets for electronics cooling

Modern elektroniklerin boyutu yüzyıllardır küçülmekte dolayısıyla soğutma sistemleri de sürekli verimliliğini geliştirmek zorundadır. Özellikle, tipik olarak kullanılan büyük boyutlu ısı atacakları ve fanlardan dolayı zorlayıcı olsa da kompaktlık çok önemlidir. Daha ileri sıvı soğutma için sıvı ısı transferini geliştirebilmek için ek soğutucu sıvı ve yapı gerekmektedir. İdeal olarak, ısıl yönetim tasarımı ekonomik, küçük boyutlu olmalı ve güç cihazlarının üzerinde konumlandırılmalıdır. Bu durumlar göz önüne alındığında sentetik jetler uygun bir çözüm oluşturmaktadır. Periyodik jet dış akış ve alıcı (sink) iç akış üreten, sentetik jetler ağız (orifice) yanında salınımlı bir yapı gösterirler. Zamanla, güç kaynağına doğru eksenel bir jet oluştururlar. Jetler çarpmalı soğutmalardan farklı olarak ortamdaki akışkan ile beslenirler ve ek bir soğutucu akışkana ihtiyaç duymazlar. Kendi üretimimiz olan iki ayrı sentetik jet ile bir ticari ultrasonik jeti test etmek için bir seri termal, yapısal ve akış deney düzeneği geliştirdik. Bu çalışmada, önceki slot aktüatörlerden farklı topolojiye sahip olan, iki dairesel diski sıkıştırarak bir araya getiren kendi üretimimiz slot jetler kullanıldı. Önceki cihazların büyük çoğunluğunda ağızlar (orifice) salınımlı piezoelektrik diskin yüzeyine dik olarak yerleştirilirken, bu yeni yaklaşım ağzı, sıkıştırılan disk çiftinin çevresi boyunca yerleştirir. Bu yüzden, jet yönü piezoelektrik disk eğilimine (deflection) diktir. Daha sonra, bu yeni slot sentetik jetlerimizin performansını incelemek ve deneysel verilerle doğrulamak için, bir seri HAD simülasyonları gerçekleştirdik. Defleksiyon ve termal performans ölçümleri ile birlikte, akış fiziği ve bunların ısı transferi üzerindeki etkisini çalışabilmek adına, zamana göre ortalaması alınmış ve faz kilitlemeli PIV tekniği kullandık. Düşük akustik sesli cihaz seçimlerinde yardımcı olabilecek, rezonant koşullarında ve uzağında birçok frekansta jet davranışlarına odaklandık. Girdapların büyümesinin azalmasından dolayı, H/Dh = 2 gibi azalmış girdaplar (vorteksler) küçük jet – yüzey aralıkları için slot sentetik jetin ısı transferinde bir azalma gerçekleşmesine sebep olmuştur. Buna ek olarak, girdabın jet akışına geri dönmesiyle, sıcak hava yeniden çarpma levhasının yanına sürüklenir ve sıcak havanın bir kısmı ağzın içine geri emilir. Bir slot jette ısı transferi duvardan ayrılmadan veya etkileşmeden önce düzenli olarak büyüyen uyumlu girdaplar tarafından, domine edilen akışla ilişkilendirilmiş 5 ≤ H/Dh ≤ 10 aralığında olan jet- yüzey boşluğu için maksimum değere ulaşır. Diyaframın rezonant koşulunda ve altında, akış yapısı tüm fazlarda aynıdır. Ağız ve duvar arasında, yalnızca bir tek girdap vardır. Bu yanıta göre, bu davranış için kritik bir jet- yüzey aralığı, Hcrit = Uo/2f vardır. Bu da en uygun termal durum ile bağdaştırılmalıdır. Duvar aralığı için aktüatör ayarlanarak, girdaplar outstroke – akışkanın jet dışına itilmesi sonundaki fazda duvara ulaşabilirler. İyi ayarlandığında, ısıl yanıt öncelikli olarak Reynolds sayısı tarafından bulunur. Aynı ReU0 sayısı ve yüksek Stokes sayısında üstün soğutma performansı elde edilir. Yakın ısıtıcı jet mesafelerinde, jetin maksimum hıza ulaştığı yapısal frekansta, dairesel sentetik jetin maksimum soğutma performansı gözlemlenmez. Bu durum yapısal frekanstan daha büyük frekanslarda gözlemlenmektedir. Verim katsayısı karşılaştırması baz alınarak; slot sentetik jet dairesel jet ve mikro üfleyici ile karşılaştırıldığında iki jetin de akış fiziğinde farklılık olmasına rağmen daha iyi soğutma performansına sahiptir, bu yüzden slot sentetik jet elektronik soğutma uygulamaları için daha iyi bir adaydır. Mikro üfleyici jet için, tercih edilen piezoelectric uyarıcının işletim frekansı 25 kHz ultrasonik frekansta gerçekleşir, bu cihazın düşük sesli görev yaptığı anlamına gelir. Kendi benzer profilini içeren mikro üfleyici eksenel hız profili yüksek Reynold sayılı türbülanssız uzun menzilli jetler ile benzer özellik gösterir. Fakat kısa menzilde türbülanssız jetlerde kayda değer sapmalar oluşur. Ortalama Nusselt sayısı H/D = 10'a kadar hızla artar ve sonra H/D=15'e kadar kademeli bir artış gösterir. 15 ≤ H/D ≤ 30 arasında tamamen stabil maksimum bir aralık vardır. H/D > 30'den büyük olan koşullarda ise ortalama Nusselt sayısı kademeli olarak azalmaya devam eder. Jetin H/D = 2'den H/D = 10'a hareketiyle ısı transferi üç katından fazlaya çıkar. Bu durum gösteriyor ki jet performansı jet-yüzey aralığına yüksek derecede duyarlıdır. En yoğun çalışma koşulunda, 1 kHz geniş banda sahip benzer ısıl yanıtın olmasına karşın, jetin soğutma performansı frekansa duyarlıdır. En iyi ısı transferi çalışma koşulunda, performans katsayısı, slot sentetik jetlerde görülen 14 değerinden küçük ve 2 civarındadır. Bu nedenle, bu mikro üfleyici gürültüyü büyük ölçüde giderebilecekken, önemli bir performans hatasına da yol açabilir.