Alüminyum Isı Dağıtıcı Termal Analizi

Proje Tanımı

Bu projede, elektronik devre kartlarında kullanılan alüminyum ısı dağıtıcı (heat sink) üzerinde termal analiz gerçekleştirilmiştir. Amacımız, 10W güç üreten bir çip üzerindeki sıcaklık dağılımını belirlemek ve soğutma performansını değerlendirmektir.

Malzeme Özellikleri

• Malzeme: Alüminyum 6063-T5
• Isıl İletkenlik: 200 W/m·K
• Özgül Isı: 900 J/kg·K
• Yoğunluk: 2700 kg/m³

Sınır Koşulları

Isı Kaynağı

Heat sink taban yüzeyine 10W sabit ısı akısı uygulanmıştır. Bu, tipik bir güç transistörü veya LED modülünün ürettiği ısıya karşılık gelmektedir.

Konveksiyon

Tüm kanatçık yüzeylerine doğal konveksiyon sınır koşulu tanımlanmıştır:

• Konveksiyon katsayısı (h): 15 W/m²·K (doğal konveksiyon)
• Ortam sıcaklığı: 25°C

Mesh Yapısı

DC3D8 (8 düğümlü hexahedron termal) elemanlar kullanılmıştır. Kanatçık uçlarında ve taban bölgesinde mesh yoğunlaştırılmıştır. Toplam eleman sayısı: 85.000.

Analiz Sonuçları

Sıcaklık Dağılımı

Steady-state termal analiz sonuçları:

• Maksimum sıcaklık (taban): 72.3°C
• Minimum sıcaklık (kanatçık ucu): 41.8°C
• Ortalama sıcaklık: 56.2°C

Çoğu elektronik bileşen için maksimum çalışma sıcaklığı 85°C olduğundan, 72.3°C güvenli bir değerdir.

Isı Akısı Vektörleri

Isı akısı analizi, ısının tabandan kanatçıklara doğru etkin bir şekilde yayıldığını göstermektedir. En yüksek ısı akısı taban-kanatçık birleşim bölgesinde gözlemlenmiştir.

Termal Direnç

Rth = (T_max - T_ortam) / Q
Rth = (72.3 - 25) / 10
Rth = 4.73 °C/W

4.73 °C/W termal direnç değeri, bu boyuttaki bir heat sink için iyi bir performans göstergesidir.

Kanatçık Sayısı Optimizasyonu

Farklı kanatçık sayılarıyla karşılaştırmalı analiz yapılmıştır:

• 6 kanatçık: T_max = 82.1°C (Rth = 5.71 °C/W)
• 9 kanatçık: T_max = 72.3°C (Rth = 4.73 °C/W)
• 12 kanatçık: T_max = 68.5°C (Rth = 4.35 °C/W)
• 15 kanatçık: T_max = 67.8°C (Rth = 4.28 °C/W)

12 ve 15 kanatçık arasındaki fark minimal olduğundan, üretim kolaylığı açısından 12 kanatçık optimal seçim olarak belirlenmiştir.

ABAQUS İş Akışı

1. SolidWorkste oluşturulan heat sink geometrisi STEP formatında export edildi
2. ABAQUS Part modülünde import edildi
3. Heat Transfer, Steady-State analiz adımı tanımlandı
4. Taban yüzeyine surface heat flux (q = 10W / A_taban) uygulandı
5. Kanatçık yüzeylerine film condition (h = 15 W/m²·K, T_sink = 25°C) tanımlandı
6. DC3D8 elemanlarla meshlendi
7. Job çalıştırılıp NT11 (sıcaklık) ve HFL (ısı akısı) sonuçları değerlendirildi

Sonuç

Mevcut heat sink tasarımı, 10W ısı kaynağı için yeterli soğutma performansı sağlamaktadır. 12 kanatçıklı optimum tasarım önerilmiştir. Zorlanmış konveksiyon (fan) kullanılması durumunda termal dirençte %40-50 iyileşme beklenmektedir.