ELEKTRONİK GÜÇ ELEMANLARININ ISI BORUSU İLE SOĞUTULMASI

Doç. Dr. Hasan KÜLÜNK Kocaeli Mühendislik Fakültesi, İZMİT

ÖZET

Bu makalede elektronik güç elemanlarında güç kaybının sıcaklıkla değişimi incelenmekte, bunların soğutulması

gerektiği vurgulanmakta, bu soğutma işleminde ideal ve çağdaş bir çözüm olarak ısı borusu (heat pipe) tanıtıl makta ve ısıl dirençleri üzerinde durulmaktadır.

1. GİRİŞ

Yarıiletken güç elemanlarında harcanan güç sıcaklığa hassas olduğu halde, bu elemanların soğutulması konu su, üniversitelerimizde halen okutulan elektrik elektronik ders kitaplarında bir iki cümle İle belirtilip geçilmekte, bunların soğutulma tekniklerine hemen he men hiç değinilmemektedir. Konuyla ilgili olarak, 1956 yılından beri yayınlanmakta olan "Elektrik Mühendisliği Dergisinde" de güç elemanlarının soğutulmasının önemi ve soğutma teknikleri üzerine yok denecek kadar az çalışma bulunmaktadır, örneğin, bilgimiz içinde, adı geçen Dergide son 5 yılda, elektronik devre eleman larının soğutulması konusunda yayınlanmış tek çalışma Çiğdemoğlu'na aittir (1). Çiğdemoğlu yazısında: sonsuz .kanat, ucu yalıtılmış kanat ve ucu çıplak kanat durumları için kanat verimlerini incelemekte ve bunlarla transistor soğutma tasarımı yapmaktadır. Isı borusu ile elektronik güç elemanlarının soğutulmasına ilişkin hiçbir makaleye ise bu Dergide rastlanmamaktadır. Bu durumun büyük bir eksiklik olduğu düşüncesiyle bu araştırma yapılmak tadır.

196O'lı yıllardaki uzay çalışmaları ile ilgili olarak, roketle rin atmosfere girişlerinde hızla artan gövde sıcaklığını tehlike sınırının altına çekmek amacıyla ısı borusu (heat pipe) tekniğiyle soğutma yöntemi geliştirilmiştir. Ülke mizde de, özellikle ısıtma soğutma problemleriyle Hgile nen bazı araştırmacılar, ısı borusunun, güç elemanlarının soğutulması hariç, değişik uygulamaları üzerinde çalış malar yapmaktadır (2), (3), (4). Bilindiği üzere, halen elektronik devre elemanları zorlanmış hava veya su sirkülasyonu veya metal kanatlardan oluşan sistemlerle soğutulmaktadır. Ancak bu klasik yöntemler yüksek değerlere varan güç kaybını önlemeye yeterli olamamak ta bunun yerine en etkili ve kesin çözüm olarak ısı boru

su devreye girmektedir.

Öteki bazı ülkelerdeki araştırmacılara gelince, özellikle gelişmiş ülkelerde bu konuda yoğun çalışmalar yapılmaktadır, örneğin Dunn ve Reay İngiltere'de (5), Chi Çin'de (6), Dutcher ve Urke A.B.D.'de (7), Basiulis ve Hummel A.B.D.'de (8), Abdel Aziz Mısır'da (9), EkJridge A.B.D.'de (10), Kukharskii ve Ivannikov Sovyetler Birliği'nde (11) elektronik devre elemanlarının ısı borusu tekniği ile soğutulması üzerinde çalışmaktadır. Özellikle Kukharskii ve Ivannikov tarafından 19831e yapılan ilginç çalışmaya biraz detaylı değinmekte yarar vardır. İki araştırmacı, elektrik motorlarının soğutulma sında Merkezcil Isı Borusu (Centrifügâl Heat Pipe) kav ramını geliştirmektedir. Bu teknikle elektrik motoru soğutma işleminde, içi boş boru biçimindeki krank ısı borusu görevini yapmakta olup, rotordan alınan ısı enerji si, daha sonra anlatılacağı üzere, ısı borusu kondense rinde atmosfere atılmaktadır. Bu yeni çalışmadan önce 1968'de Siemens (Federal Almanya), ilk defa olarak, 4kW gücünde bir indüksiyon motorunu aynı teknikle soğutarak çalıştırmıştır. Yine bu yıllarda Hugh Scott (İngiltere) ve Fuditsu Famık (Japonya) firmaları da ısıl yükleri 104 w/m2 seviyesine çıkan yüksek moment DC motorlarını Merkezcil Isı Borusu tekniğiyle soğutmayı gerçekleştirmiştir. Yine bu yüksek moment motorla rında, Merkezcil Isı Borusu kullanımı sayesinde, motor yararlı gücünün, boru kullanmama durumuna kıyasla, he men hemen 2 katına çıkarılabileceği saptanmış bulun maktadır. O halde ısı borusunun önemi ortadadır. İşte buraya kadar belirtilen nedenlerle, elektrik güç elemanlarının, kanat yerine ısı borusu tekniği ile soğutulmasını açıklamak, bazı önemli araştırmaları kaynak olarak vermek ve bu konuya ilgiyi artırmak amacıyla bu makale hazırlanmıştır.

2. NY OUIST GÜRÜLTÜSÜ VE SICAKLIK

Elektronik devrelerin çalışması esnasında, gerçek sin yalle birlikte bir miktar gürültü sinyali de oluşur. Sinyal amplifikasyonu devrelerinde gürültü sinyali de artar. Di renç ve sinyal jeneratöründen oluşan basit bir devrede, direnç elemanı içindeki serbest elektronların ısıl enerjileri ile rastgele hareketlerinden dolayı, direncin uçları arasında gürültü gerilimi oluşur. Rastgele davranışlarda Fourier bileşeni gözönüne alınarak, ölçümlerde birim fre kans band genişliğine sahip voltmetre kullanılması ha linde, gürültü geriliminin karesinin ortalaması < v 2 > :

<v2> 4kTR

(volt2/s)

... (1)

olarak yazılır (12). Burada: k, Boltzmann sabitini (1.38.10 23 j/MOLEKÜL 'K); T, mutlak sıcaklığı fK) ve R direnci (Q) temsil etmektedir. Nyquist tarafından bulunan bu denkleme göre, gürültü gerilimi VT ile orantılı olup, buna Nyquist gürültüsü denir. Gürültüyü kesmek için sıcaklığı azaltmak yani soğutma gerekir.

Gürültüsüz bir R direnci, C kondansatörü ve sinyal jeneratöründen oluşan basit devrede, kondansatörde depolanan toplam enerji, termodinamiğin eş ayırım teoreminden, k.T/2 olup, yine ortam sıcaklığına bağlıdır. Burada da Nyquist gürültü denklemi geçerlidir.

Elektronik tüplerde ve yarıiletken elemanlarda (tran sistor, diyot v.b.) da gürültü olayı etkili olabilmektedir, örneğin, vakum tüplerindeki kapama gürültüsü katodtan rastgele salınan elektronların sonucu oluşmaktadır. Zira, salınan her elektron elektrik yükünün en küçük birimi olup bir artış anlamına gelmektedir. Çok gridli tüplerde oluşan gürültü ise, her elektrotdaki gürültünün toplan ması ile bulunacağından, daha da büyümekte ve etkili ol maktadır.

Bilindiği üzere, yarıiletken malzemenin ısıtılması veya üzerine ışık düşürülmesi halinde iletkenliği artmaktadır. Yani bu elemanlar sıcaklığa çok hassastır. Belli bir sıcaklıkta çalışmaları gerekir ki bu özellik elektronik devre elemanlarının soğutulmasını zorunlu yapmaktadır. Doğrultucu ve amplifikatör devrelerinde çok kullanılan en yaygın elemanlar arasında diyotlar ve transistorlar gel mekte olup, bunların davranışları üzerine sıcaklığın etki sine aşağıda kısaca değinilmektedir.

3. DİY OT VE TRANSİSTÖRLERDE SICAKLIK ETKİSİ

3 . 1 . Dlyotlarda Sıcaklık Etkisi P tipi ve N tipi iki yarıiletken malzemenin oluşturduğu P N diyot ekleminde, elektronca zengin N tipi malze meden P tipi malzemeye geçen' elektronların oluştur duğu akım ile P tipi malzemeyi terkeden elektronların oluşturduğu akımın net değeri ile artı yük taşıyıcıları akımının net değeri toplandığında oluşan akım I:

l

l (eqv/kT o

1)

(2)

ile verilmektedir (12). "Doğrultucu Denklemi" adı verilen

bu ifadede: l0, doyma akımını; q. elektron yükünü; v, uygulanan gerilimi; k, Botzmann sabitini ve T mutlak

sıcaklığı temsil etmektedir. Bu nedenle, sıcaklık artarken diyot ekleminden fonksiyonundan) geçen net akım sıfıra doğru gitmektedir ki bu durumda diyot fonksiyonunu yitirmekte ve devre dışı kalmaktadır. O halde diyotun soğutularak belli bir sıcaklık ortamında çalışması gereklidir.

3.2. Translstörlerde Sıcaklık Etkisi

Transistörler sıcaklığa duyarlı olup, bu özellik: doğru akım kazancı p, beys emetör gerilimi VBE ve kollektör emetör tıkama akımı ICEO ve güç eğrisinin sıcaklıkla değişim karakteristikleri yardımıyla incelenmektedir. Ha liyle çalışma noktası da sıcaklıktan etkilenmektedir. Ge nelde devre elemanları, 55"C ile 125'C arasında çalışa bilmektedir. Ortalama her 1'C artışta VBE 1,8 2,5 mV ci varında azalmaktadır (13). ICEO ^a {m Şiddeti:

ICEO K.^.e ^ ^.fp + l)

...(3)

ile bulunmaktadır. Burada: E 1,79.10~19 coul, K bir sabit olup, öteki parametreler önce belirtilmiştir. Denk lem (3)'den sıcaklık artarken tıkama akımının da artacağı anlaşılır ki bu istenmez. O halde transistoru soğutmak gereklidir.

Ttansistör üzerinde oluşabilecek güç kaybı, eklem ve or tam sıcaklığına aşırı hassas şekilde bağlıdır. Her tran sistorun güç kaybı sıcaklık eğrisi imalâtçı katalogunda mevcuttur. Tipik bir güç kaybı sıcaklık eğrisi Şekil 1'de verilmektedir. Bunun incelenmesinden verilen bir tran sistorun O S t S TA aralığında sabit P ) D (maX güç kaybına sahip olduğu; sonra hemen hemen lineer olarak maksi mum eklem sıcaklığına kadar, Tj ( m a x ) , azalıp sıfıra gititği anmlşılmaktadır; burada TA ortam sıcaklığıdır. Şekil 1'de

... (4)

olup, PD ise t sıcaklığında harcanan güçtür, t artarken güç azalacağından, t T j için sıfır olmakta ve t>Tj için transistor arızalanmaktadır. Doğru eğimini temsil eden pD(max/(Tİ~TA) oranı w/*C biriminde olup, derece başına güç değişimini; bunun tersi ise *C/w biriminde ısıl direnci simgelemektedir. Örneğin Şekil 2'deki BCY 58 tran sistoru için derece başına güç düşümü 1 w/(200 45)'Ğ 0,006 w/*C ve ısıl direnç 155 *C/w olmaktadır. Isıl direnç

1 P D (w)

0.0

0 TA

°C)

Şekil 1: Tipik bir transistorda güç sıcaklık değişimi gö rülen eğrinin denklemi:

ELEKTRİK MÜHENDISÜĞ1 365

kavramı yarıiletken eklemi ile dış ortam arasındaki ısıl devre direnç devresinin analogunu çizmede çok ya rarlıdır. Bu konuya metinde daha sonra değinilmektedir. Şekil 2'deki eğri anahtarlama (switching) uygulamalarına uygun olan BCY 59 ve BCY 65 adlarındaki PNP tipi düzlemsel silikon transistorlar için de geçerlidir (14). Bu rada TA 45'C. Tl (max) 200 C. PD (max) 1 Wdır.

Şekil 4: HD 1131 serisi LED'lerin güç eğrisi.

Şekil 2: BCY 58, BCY 59, BCY 65 E transistor eğrileri. Bir güç transistoru olarak kullanılan BUZ 23'e ait güç eğrisi Şekil 3'dedir. Şekil 3'den TA 25'C, Tj ( m a x ) 150"C, PD (max) * 62,5 w olduğu anlaşılmaktadır.

Şekil 3: BUZ 23 transistoru güç eğrisi (çap 19,5 mm) 3.3. LED Elamanında Sıcaklık Etkiai Son bir güç eğrisi örneği de HD 1131 1132 1133 1134 adındaki LED elemanları için Şekil 41e verilmektedir (14). LED'ler, TV kana! sistemlerinde, elektronik dijital saat lerde ve hesap makinalarında ve ölçüm cihazlarında uzun süre kullanılmaktadır.

Şekil 4'ün incelenmesinden mW mertebesinde güç kaybı olduğu, 85 'C'de ise elemanın çalışamaz hale geldiği anlaşılır. PD(max) 60 mw olup, 85'C'de güç 15 mw'dan aniden sıfıra düşmektedir. Sonuç olarak, yarıiletken dev re elemanlarında harcanabilecek güç sıcaklığa bağlıdır ve uygun bir sistemle optimum sıcaklığa kadar soğutulmalmarı gerekmektedir.

4. ISI BORUSUNUN GENEL ÖZELLİKLERİ

Isı borusu (heat pipe) havası boşaltılıp içine bir miktar çalışma akışkanı (su, amonyak, aseton, metanol v.b.) konulmuş silindirik veya prizma biçiminde kapalı bir ha cimdir. Çalışma akışkanı seçiminde ve bunların kıyas lanmasında en uygun yöntemlerin başında Merit (Me) sayısına bakmak gelir. Merit sayısı:

Me(w/m2) o.L.p4ı

...(5)

olup, burada: o (n/m) sıvının yüzey gerilim katsayısını; L (j/kg) buharlaşma gizli ısısını; p (kg/m3) sıvı yoğunlu ğunu; n (n.s/m2) sıvının viskozite katsayısını temsil et mektedir. Uygulamada yüksek Me gösteren sıvılar tercih edilir. Bu bakımdan su amonyak, metanol ve etanofdan daha üstün olup, tercih edilir (15). Isı borusunun çeperleri, uygulamaya bağlı olarak, fitil (wick) denilen gözenekli malzemeyle kaplanır. Pratikte 100 400 meşlik elek teli (bakır ve krom) fitil olarak kul lanılmaktadır. Isı borusunda: büharimaştırıcı (evapora tör), ara bölge ve yoğuşturucu (kondenser) olmak üzere 3 bölge vardır. Bunlar Şekil ötedir.

Isı borusunun buharlaştırıcı ucundan giren ısı enerjisi, fi til çeper arasındaki çalışma akışkanını buharlaştırmakta, oluşan buhar kılcallık veya yüzey gerilim kuvvetiyle iç bölgeye geçmekte, boru boyunca hareket ederek, sahip olduğu gizli ısı enerjisini yoğuşturucu ucunda atmosfere veya başka bir akışkana aktarmakta ve tekrar sıvı

Şekil 5: Tipik bir ısı borusunun ana bilimleri.

fazına dönüşmektedir. Sonra kılcallık kuvvetiyle fitil çeper arası bölgeye geçerek, yeniden buharlaşmak üzere buharlaştırıcıya akmakta ve devresini tamamla maktadır.

Bir tür ısı değiştirici olan ısı borusunun en önemli özelliği küçük bir yüzeyden (ömeğni transistor veya motordan) oldukça büyük değerlere varan ısı enerjisi çekebil mektedir. Aynı çap ve boydaki ısı borusu ile çok kul lanılan dolu metal çubuklar kıyaslandığında, ısı borusu nun taşıdığı eksenel ısı akısının metal çubuklardan 1000 10000 defa daha fazlasını taşıyabildikleri saptanmıştır (16). Isı borusunun düzenli çalışmasının yerçekimi kuvveti ve eğimin de etkisi bulunmaktadır. Çalışma akışkanı su olan ısı borusunda en yüksek verimin 30 45' eğimle elde edileceği belirtilmektedir (17). Isı borusunun yerçekimsiz ortamda (uzay çalışma larında) kullanılması da mümkündür (18).

Çok etkili ışı taşıma özelliği nedeniyle ısı borusu: uzay araçlarında, elektronik devre elemanlarında, elektrikli ci hazlarda, dalga tüp ve lambalarda, mikrodalga antenle rinde, fırın ve güneş kollektörlerinde, otomobil kalorifer sisteminde, elektronik sıcaklık kontrolü amaçlarıyla kul lanılabilmektedir. Prensip olarak soğutmaya ihtiyaç duy ulan elektronik araçlarda ısı borusu kullanılabilmektedir. Aşınan parçası olmaması nedeniyle ısı borusu uzun ömürlüdür.

Şekil 51e şematik olarak görüldüğü üzere, boru boyunca sıcaklık ve basınç hemen sabit seyretmektedir. Sessiz çalışır ve sıcaklık değişimine karşı reaksiyon süresi çok kısadır. Boru boy/çap oranı genelde 10 100 arasında seçilir. Isı enerjisi taşınması için kondenser ve evapo ratör arasında birkaç dereclik sıcaklık farkı yeterli olmak tadır. Boru içindeki buhar sıvısıyla temasta olduğundan basınç, çalışma sıcaklığındaki buhar basıncını temsil et mektedir.

Isı borusu performansını olumsuz etkileyen faktörlerden en önemlileri olarak: çalışma sıvısının sıcaklıkla kimyasal bileşenlere ayrılması veya fitil veya boru ile kimyasal reaksiyona girerek evaporatörden kondensere kütle taşıması ve yoğuşmayan gaz üretmesi sayılabilir. Bu bakımdan uygun malzeme seçimi gereklidir. Örneğin Cu

boru ve fitille su kullanılabildiği halde, paslanmaz çelik boru su kullanılan sistemde H2 üretilmekte bu da ısı borusunun çalışmasını engellemektedir. Kuşkusuz çalışma sıvısının saf olması da önemlidir. Bir çift TO 3 transistorunun 0,3 m uzunlukta ısı borusu ile soğutulmasına ait bir çalışma literatürde mevcuttur (19). Evaporatör ucundan aldığı gizli ısıyı kondansör ucuna aktarma işlevini yapan ısı borusuna "termik transformatör" demek yararlı olur. Zira küçük bir transistor yüzeyinden aldığı çok yoğun ısı akısını büyük bir kanatlı yüzeyde az yoğun ısı akısına çevirmektedir. Öte yandan ısı borusu tek yönlü gizli ısı taşıdığından (evaporatörden kondensere) dolayı "termik diyot" demek de yerinde olur.

Isı borusu sisteminin verimi kondenserin bulunduğu soğuk ortam sıcaklığına (örneğin çevreye) bağlıdır. Isı borusu 107'C (380'K) ile 27'C (300'K) arasında çalışan bir tür ısı makinası gibi kabul edilirse Carnot verimi (380 300)/380 % 21,1 olur. Halbuki çevre sıcaklığı 17'C (29O'K)Ve düşmesi halinde verim %23,7 yani% 2,6 arttığı halde, çevre sıcaklığı 27'C fakat evaporatör sıcaklığı 97'C (37O'K)'ye düşerse verim % 18,9 yani % 3,2 azalırdı.

İlginç birkaç uygulamaya,daha değinelim. Uzaydaki roketlerin güneş ışınları gören tarafı 400'K'e kadar ısındığı halde, gölge tarafı 150*K civarındadır (20). Halbuki roket gövdesine sarılan ısı boruları sayesinde her iki taraf da aynı sıcaklıkta tutulabilmektedir. Kon denser ucuna asal gaz dolu bir depo birleştirilmiş ısı bo rusuna evaporatör ucundan verilen ısı akısı azaltılırsa ısı borusu içindeki basınç ve sıcaklık da azalacağından de podan daha fazla asal gaz iç bölgeye yayılmakta, böylece etkili kondenser yüzeyi değişmekte ve atılan ısı akısı arzu edilen düzeyde tutulabilmektedir (21).

Isı borusunda eksenel ve yansal doğrultularda sıcaklık* birkaç derece değiştiğinden, elektrikli araçlarda mekanik zorlanmalara ve ek yerlerinde arızalara neden olan ısıl dengesizlikler ortadan kalkmakta ve daha düzenli ve güvenli bir çalışma olmaktadır.

Isı borusu ile enerji taşımanın metal çubuktan üstün lüğünü bir örnekle açıklayabiliriz. 0,6 m boyunda, 0,0125 m çapında ısı borusu 100'C'de çalışarak evaporatörden aldığı 200 Wlık gücü sadece 0,5'C sıcaklık düşüşüyle kondensere taşıyabilmektedir. Aynı boy ve çaptaki Cu çubuğun uçları arasında 70'C fark olması halinde 5 w taşıyabildiği; 200 w taşınabilmesi için uçlar arasında 2550'Cye varan fark olması gerekir ki bu imkansızdır. Cu çubuğun 70'C sıcaklık farkıyla 200 w taşıması istenirse boyutları artırılarak kütlesi 24 kg olur ki bu da pratik olmamaktadır. Oysa bu işlevi 0,3 kg'lık ısı borusu yapabiliyor.

4 . 1 . BUZ 23 Transistorunun Açık Kanatla Soğutma Tasarımı

Kanatla soğutma tekniğine ilişkin ısı transferi hesapları Çiğdemoğlu ve Dağsöz tarafından verilmektedir (1), (22). Dikdörtgen kesitli bir kanatın boyutları Şekil 6'dadır. Kanat tabanı transistor gövdesiyle temasta olup, kanat

çevreyle soğutulmaktadır. Kanatlı sistemdeki girintili çıkıntılı yapı yüzeyi büyüttüğü için, küçük bir transistor yüzeyinde oluşan ısı enerjisini daha etkili olarak çevreye atmaktadır.

çevreye bir miktar ısı yayılacağı düşünülürse, iki ta rafında 7'şer kanat bulunan bir sistemin bu transistoru soğutacağı anlaşılır. Kaynak (1)'in (30) nolu denklemiyle hesaplanan kanat verimi % 100 civarında çıkar. Isı boru su boyunca sıcaklığın hemen hemen sabit olduğu hatırlanırsa bu kanat verimi normaldir. Kanat malzemesi yerine Cu kullanılsaydı, ısı iletim katsayısı yaklaşık iki katına çıktığı için, iki tarafında 4'er kanat bulunan bir sis temle soğutma yeterli olabilirdi.

Kanatlı bir ısı borusu ile yarıiletken malzemenin soğu tulması ise şematik olarak Şekil 8'de verilmektedir.

Şekil 6: Dikdörtgen kesitli bir kanat boyutları (a: kanat kalınlığı, b: kanat yüksekliği, x: kanat uzunluğu)

Bir transistor veya yonganın kanatlı sistemle soğutulması ise şematik olarak Şekil 7*de verilmektedir.

Şekil 8: Kanatlı ısı borusu ile yarıiletken soğutma.

Düzlemsel biçimde tasarlanan ısı borusu ile transistor soğutmanın şematik görünümü de Şekil 9'da verilmekte dir. Fitil ve kanatların bakırdan yapıldığı, fitil olarak 100

il ı yonga

Şekil 7: Kanatlı sistemle transistor yongası soğutulması. Çiğdemoğlu çıplak uçlu sığ kanat için yaptığı ısı transferi hesapları sonucu, transistor tarafından birim zamanda kanada giren ısı enerjisinin (transistordaki güç düşü müne denk alınarak):

sinh (m.b)+M.cosh (m.b)

Q(w ) k.a.L.m. (T, TA) [ cosh (m.b)+M.sinh (m.b)

...(6)

ile verilmektedir (1).

Burada: T] 150*C. TA 25"C, tipik kanat boyutları a

0,002 m, b • 0,02 m, x 0,15 m, k' 200 w/m.*C (alüminyum için ısı iletim katsayısı), h 5,5 w/m2.'C (ka nattan ortama ortalama konveksiyonla ısı yayılma kat sayısı) olup, öteki parametreler; m (2.h/k.a)0 5 5,244 l/m, M . h/m.k 5.24 . 1 0 " 3 ve m.b 0,105 yazılırsa, denklem (6)'dan, gerekli işlemlerden sonra, Q 4,3 w çıkmaktadır. O halde PD ( m a x ) 62,5 w olan BUZ 23 tran sistorunun burada tasarlanan bir kanatla soğutulması için 62,5/4,3 14,5 kanat gerekir. Kanatlar arasından da

,.

Şekil 9: Düzlemsel ısı borusu ile transistor soğutma.

meşlik elek kullanıldığı, 0,025 m. çaplı, çalışma akışkanının su olduğu bir denemede eksenel ısı akısının 6,7.106 w/m2 civarında seyrettiği belirtilmektedir (21). Bu akı daha önce belirlenen kanat sistemiyle kıyaslanabilir. 4 kanatlı Cu sisteminde 4x2 8 mm ve kanatlararası da bunun % 50 artmasını sağlıyorsa, toplam uzuntuk 12 mm olur. Bu durumda, eksenel ısı akısı, Fourier kanunundan:

k. AT/x 400 (w/m ."C). 25"C/1,2 .1 0 2m

... (7)

4 , 2 .ir^vv/m2

çıkar. Burada 25'C'lik bir sıcaklık farkı kabul edilmekterdir. Böylece ısı borusu, aynı koşullardaki kanata kıyasla, 6,7 . 106/4,2 . 1 0 6 1,6 kat daha etkili

olmakta ve iki taraftaki 4'er kanat yerine 2"şer kanattan toplam 4 kanatlı sistemin yeterli olacağı anlaşılmaktadır. Bu sayede, kullanılan hacimler küçülmekte, maliyet azalmakta, daha etkili ve ekonomik olarak devre elemanları soğutulabilmektedir.

Isı borusunda eksenel yönde taşınan maksimum ısıl güç, Q, basınç düşümü denge denklemi ile Darcy kanunu yardımından:

Q m . L (p.K.AJ\i.d) [(2.o.cos6/r) p.g.d.sina] L ... (8)

ile bulunur (5). Burada: m, fitildeki sıvı debisini (kg/s); d, boru boyunu (m); L, buharlaşma ısısını; p, a, u. sırasıyla çalışma sıvısının yoğunluğunu, yüzey gerilim katsayısını ve viskozitesini; d, boru boyunu; K, r, A sırasıyla fitil permebllitesini, gözenek yarıçapını ve alanı; e temas açısını; 0 eğim açısını ve g yerçekimi ivmesini temsil etmektedir. Denklem (8) ile eksenel ısı akısı üst değeri tahmin edilebilir.

4.3. Isı Borusu ve Isıl Dlranç Devresi

Genel anlamda ısı transferini anlamak amacıyla, ısı borusu ısıl dirençler yardımı ile, elektrik devresine benzetilebilir. Böyle bir benzetim devresi Şekil 10'da verilmektedir. Bu devrede. T, sıcaklığındaki kaynaktan (örneğin transistor yongası veya elektrik motorundan) T2 sıcaklığındaki evaporatör dış cidarına konveksiyon ile aktarılan güç, Qj Qk kadardır. Burada: Qi, sıcak kay naktan alınan ısıl güç, Qk ise T 1 0 sıcaklığında çevreye olan kayıp güçtür. Qy ısıl gücü ise Şekil 10'da tanımlanan R2. R3, R4. R5. Re. R7. R8 ısıl dirençlerinden geçerek Tg sıcaklığındaki kondenserin dış cidarına ulaşır; Qa kadar

"•• I ' V"

i fit»

ı

"

• 1. . 1 . . . . I . f 1 U • • • 1 l . l ' l . l .

R2 !

R7

R10

8 : R

Rg

' a k Rn

^d

Şekil 10: Isı borusunda ısıl dirençler.

güç ise T2 ile T9 sıcaklığı arasında R10 ısıl direncinden geçip, üst koldan gelen güçle birleşip, Rg ısıl direncinden

geçip, kondenser dış cidarından konveksiyonla çevreye

atılmaktadır. Isıl direnç, R, denklem (9)'la bellidir:

_ R = Sıcaklık farkı fCUyisıl güç (w)

... (9)

Şekil 10'da görülen bütün ısıl dirençler, prensip olarak, konveksiyon, kondüksiyon ve Clapeyron denklemlerin den kolayca bulunabilir. Bazı ısıl dirençler ise ötekiler yanında önemsiz kabul edilebilir ve yaklaşık çözümlere gidilebilir. Bununla beraber devrenin denk ısıl direnci, Rd, denklem (10) ile verilir:

R d R11 • Fi + R9 + R» • Rıo'(ffeB + Rto>V F, A + R, + Rg + Ra,. R10 / (RJJB+R10)]

5R + R 6 + R 7 + R8 Aynı zamanda denk ısıl direnç:

(10)

Rd"(VT10)/Q| ifadesine de eşittir.

...(11)

Tekrar çapı 19,5 mm (alanı 3.10"4 r r $ ve P . D ( m a x ) 62,5 w olan BUZ 23 güç transistörüne dönelim. Bu tran sistördeki ısı akısı 62,5/3.10"4 2,1 . 105 w/m2 ci varındadır. Halbuki suyla çalışan tipik bir ısı borusunda eksenel ısı akısı 6,7 . 106 w/m2 düzeyinde olup, 6,7. 106/2,1 . 105 32 kat daha fazladır. Başka bir deyişle tek ısı borusu 32 tane BUZ 23 tipi transistoru soğutabilecek potansiyele sahiptir. Bu transistorun ısıl direnci, denklem (11)'den, R,, (150 25)*C/62,5 w 2*C/w olarak çıkmaktadır.

5. SONUÇ

Tasarım ve teknoloji bakımından oldukça basit yapıdaki ısı borusu yöntemiyle, elektronik güç elemanlarının ve elektrik makinalarımn soğutulması mümkündür. Böylece bu araçların verimi yükselmekte ve ömrü uzamaktadır, bu konuda çok kapsamlı araştırmalar yapılması zorunlu görülmektedir.

6. KAY NAKLAR (1) Çiğdemoğlu, M., "Yüksek Güçlü Elektronik Devre Eleman ları içki Soğutucu Tasarımı", Elektrik Mühendisliği, C. 28, S. 299, 1983/7.

(2) Güngör, A., "Düzlemsel Güneş Enerjisi Toplayıcılarında Isı Borusu uygulamaları ve Prototip Bir Toplayıcının Geliş tirilmesi Üzerine Deneysel Çalışmalar". Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, C. 10, S. 4,1988.

(3) Uyarel. A., "Her İklim Tipi Güneşli Su Isıtıcısı", Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, C. 8, S. 1,1985.

(4) Ataer, O.E., "İki Fazlı Termosifon ile Kollektör Tasarımı için Bir Öneri", EİEİ Güneş Enerjisi Konferansı, 1984, An kara.

(5) Dunn, P.D., Fteay, D.A., "Heat Pipes", Pergamon Press, 1982,London.

(6) Chi,S.W., "Heat Pipes Theory and Practice", Hemisphere Publishing Corporation, 1976, New York.

(7) Dutcher, C.H., Burke, M.R., "Heat Pipes, A Cool Way to Cool Circuits", Electronics, pp. 93 100,16 February 1970.

(8) Basiulis, A., Hummel, T.A., "The Application of Het Pipe Techniques to Electronic Component Cooling", ASME Pa per, 72 WA/HT~42.

(9) Abdel Aziz, M.M., "Thyristor Cooling by Heat Pipe", Pro ceedings of Melecon 83, Mediterranean Electrotechnicaf Conference, 1983, Athens.

(10) Eldridge, J.M., "Heat Pipe Cooling Etehed Silicon Struc ture", IBM Technical Disclosure Bulletin, V. 25, No. 8, p. 4118, January 1983.

(11) Kukharskii, M.P., Ivannikov. V.A., "Effectiveness and Applications of Centrifigal Heat Pipes İn Electric Ma chines*, Soviet Electr. Eng. (USA), V. 53, No. 9, p. 94, 1982.

(12) Brophy, J.J., "Basic Electronics for Scientist, Mc Graw Hill Book Company, 1966, New Y ork.

(13) Pastacı. H., "Elektronik", Y ıldız Üniversitesi Matbaası, 1985, İstanbul.

(14) Components Technical Descriptions and Characteristics for Students, SIEMENS, Munfch, 1986.

(15) Grover, G.M., Kemme, J.E., Keddy, E.S., "Advances in Heat Pipe Technology*, 2nd International Symposium on

Thermionic Electrical Power Generation, STRESA, Italy May 1968.

(16) Meinel, A.B., Meinel, M.P., "Applied Solar Energy", Addi son Wesley Publishing Company, 1977, London.

(17) GOrses. A.Ç., Tezcan, L, "Su Doldurmalı Isı Boruları Per formansında Eğim Açısının Etkisi", 9 EylOI Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, FBE/MAK 86, AR 01 9, 1986, İzmir.

(18) Feldman, K.T., VVhiting, G.H., "Applications of the Heat Pipe", Mechanical Engineering, Nowember 1968, pp. 48 53.

(19) Fitton, G.L., "Taking Out the Heat", Electronic Engineer ing, December 1973, pp. 65 68.

(20) Katzoff, S., "Heat Pipes and Vapour Chambers for Ther mal Control of Spacecraft", Thermophysics of Spacecraft and Planefary Bodies, Progress in Astronautics and Acro nautics, V. 20, edited by B. Gerhard, Academic Press, 1968. London.

(21) Holman. J.P., "Heat Tranfer, Mc Graw Hill Kogakusha Ltd., Fourth Edition, 1976, Tokyo, Japan.

(22) Dağsöz, A.K., "Isı Geçişi*, Birsen Y ayınevi. 1977, İstan bul.

TMMOB ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI (BİLGİSAY AR)

KURSU

Odamız tarafından Bilgisayar programcılığı kursları düzenlendi. Kurslar genel başlık olarak iki bölümden oluşuyor. Zorunlu derslerin bulunduğu birinci bölümde bilişim mantığı, işletim sistemleri, veri yapıları, BASIC, FORTRAN ve COBOL yüksek seviye dilleri gibi konular ele alınıyor.

İkinci bölümde ise seçmeli ders olarak DBASE III ve LOTUS paket programları ve PASCAL yüksek seviye dili veriliyor.

Kurs süresi toplam 8 ay olup bu sürenin sonunda 2 aylık proje çalışması yapılacak. Kurs sonunda MEB tarafından düzenlenen final sınavını kazananlara Bilgisayarcılık Sertifikası verilecek.

İzmir Cad. Ihlamur Sok. 10/1 Y enişehir/ANKARA, (Ankara Sanat Tiyatrosu Karşısı)