Bu çalışma, elektrikli araçlarda kullanılan yüksek güçlü IGBT modüllerinin sıvı soğutma sistemlerinde önemli bir mühendislik sorununa odaklanmaktadır: soğutma yeterli olsa bile, akışkanın soğutma kanalı içinde karşılaştığı yüksek direnç yani basınç düşümü pompa gücünü artırır, enerji verimliliğini düşürür ve sistem güvenilirliğini zorlayabilir. Araştırmacılar bu sorunu çözmek için geleneksel olarak aynı yükseklikte kullanılan silindirik pin-fin yapılarını yeniden düzenlemiş ve akış yönünde 5 mm’den 25 mm’ye doğru yükselen değişken yükseklikli bir pin-fin dizilimi önermiştir.

Çalışma, gerçek otomotiv IGBT modüllerine benzetilmiş bir geometri üzerinde üç boyutlu CFD simülasyonlarıyla yürütülmüştür. Modelde 50% su-etilen glikol karışımı soğutucu akışkan, 65°C giriş sıcaklığı ve 2,5 m/s giriş hızı kullanılmıştır. Amaç, IGBT bağlantı sıcaklığını güvenli sınır olan 150°C’nin altında tutarken, soğutma kanalındaki basınç kaybını mümkün olduğunca azaltmaktır.

En dikkat çekici sonuç, 5–25 mm arasında kademeli olarak yükselen pin-fin yapısının maksimum bağlantı sıcaklığını 126,64°C’de tutarken basınç düşümünü 11,53 kPa’a indirmesidir. Aynı çalışmada karşılaştırma için kullanılan 25 mm sabit yükseklikli temel yapı 22,51 kPa basınç düşümü üretmektedir. Bu nedenle önerilen kademeli yapı, sıcaklık güvenliğini korurken basınç düşümünü yaklaşık %48,80 azaltmaktadır. Çalışmanın bulguları, elektrikli araçlarda soğutma sistemlerinin yalnızca “daha fazla ısı atma” hedefiyle değil, aynı zamanda “daha az pompa enerjisiyle güvenli soğutma” hedefiyle tasarlanması gerektiğini göstermektedir.

Detaylı Açıklama

Elektrikli araçlarda inverterler, motor sürücüleri ve güç elektroniği sistemleri yüksek akım ve yüksek gerilim altında çalışır. Bu sistemlerin merkezinde çoğu zaman IGBT yani Insulated Gate Bipolar Transistor adı verilen güç yarı iletkenleri bulunur. IGBT modülleri elektrik enerjisinin kontrol edilmesini sağlar; ancak bu işlem sırasında ciddi miktarda ısı üretir. Eğer bu ısı güvenli şekilde uzaklaştırılamazsa, yarı iletken bağlantı sıcaklığı yükselir, verim düşer, modül ömrü kısalır ve arıza riski artar.

Çalışmanın çıkış noktası burada önemlidir. Geleneksel yaklaşımda güç elektroniği soğutucuları tasarlanırken genellikle ilk hedef, ısı transfer yüzeyini artırmak olmuştur. Bu nedenle mikrokanallar, pin-fin yapıları, karmaşık akış yolları ve türbülansı artıran geometriler yaygın biçimde araştırılmıştır. Böyle yapılar gerçekten de ısı transferini güçlendirebilir; fakat aynı zamanda akışkanın geçişini zorlaştırarak basınç kaybını artırır. Basınç kaybı arttığında sistemin pompası daha fazla güç harcar. Bu, elektrikli araçta doğrudan menzil, enerji tüketimi, pompa boyutu, çalışma basıncı ve sızdırmazlık güvenilirliği gibi pratik konulara yansır.

Bu araştırmanın temel problemi, tam olarak bu ısı transferi–akış direnci dengesidir. Araştırmacılar şu soruyu sormaktadır: IGBT modülü güvenli sıcaklık aralığında tutulurken, soğutma kanalındaki basınç düşümü önemli ölçüde azaltılabilir mi? Çalışmanın ayırt edici yönü, soğutma performansını artırmak için akışı daha fazla zorlamak yerine, soğutma performansı zaten yeterli düzeye ulaştığında hidrodinamik direnci azaltmayı ana tasarım hedefi haline getirmesidir.

Bu yaklaşım özellikle elektrikli araçların 800 V ve üzeri platformlara yöneldiği günümüzde önem kazanmaktadır. Yüksek gerilimli sistemler daha yüksek güç yoğunluklarıyla çalıştığında, IGBT modüllerinde ısı akısı artar. Hava soğutma bu seviyelerde çoğu zaman yeterli olmaz; bu yüzden sıvı soğutmalı mikrokanal ve pin-fin tabanlı ısı alıcıları öne çıkar. Ancak elektrikli araçta soğutma sistemi yalnızca laboratuvarda iyi soğutan bir parça değildir. Pompa, hortumlar, bağlantılar, sızdırmazlık elemanları, üretim maliyeti, malzeme tüketimi ve enerji kaybı ile birlikte çalışan bütün bir alt sistemdir. Bu nedenle basınç kaybının azaltılması yalnızca akademik bir akışkanlar mekaniği konusu değil, doğrudan araç verimliliği ve güvenilirliğiyle ilgili bir tasarım problemidir.

Çalışmada modellenen IGBT modülü, otomotiv sınıfı Infineon FS820R08A6P2B güç modülünün mimarisine benzetilmiştir. Modülde üç fazlı köprü topolojisi ve yarı iletken çiplerin üç boyutlu kademeli matris düzeni dikkate alınmıştır. Her yarım köprü kolunda üç IGBT ve üç serbest dönüş diyodu olmak üzere altı yarı iletken çifti bulunur; toplamda 36 çipli bir yapı modellenir. Bu düzenin amacı, ısı kaynaklarının tek bir bölgede aşırı yığılmasını önlemek ve çipler arası ısıl etkileşimi azaltmaktır.

Isının modül içindeki yolunu anlamak çalışmanın mantığı açısından kritiktir. Yarı iletken bağlantı noktalarında oluşan ısı önce çipten lehim katmanına, ardından üst DBC bakır katmanına, alümina seramik yalıtım tabakasına, alt DBC bakır katmanına, DBC lehim katmanına ve son olarak pin-fin altlığa doğru iletilir. Bu noktadan sonra ısı, sıvı soğutucu tarafından taşınır. Yani sistemde iki temel direnç vardır: katı paketleme katmanlarında ısı iletimi direnci ve akışkan tarafında taşınım direnci. Çalışmanın en önemli bulgularından biri, toplam ısıl direncin büyük kısmının sıvı tarafında değil, katı paketleme katmanlarında yoğunlaşmasıdır.

Bu nedenle araştırmacıların vardığı sonuç şudur: Soğutucu akış zaten yüksek Reynolds sayılı, güçlü türbülanslı ve taşınım açısından doygun bir rejimde çalışıyorsa, pin-fin geometrisini daha agresif hale getirmek bağlantı sıcaklığını çok az düşürür; fakat basınç kaybını çok büyütebilir. Başka bir ifadeyle, soğutma sistemi zaten “yeterince güçlü hava akımı alan bir radyatör” gibi davranıyorsa, akışı daha fazla çarpıştırmak yerine, akışın daha az enerji kaybederek geçmesini sağlamak daha doğru olabilir.

Çalışmanın temel geometrik karşılaştırması, klasik 25 mm sabit yükseklikli silindirik pin-fin dizisi ile 5 mm’den başlayıp akış yönünde 25 mm’ye kadar yükselen değişken yükseklikli pin-fin dizisi arasındadır. Temel modelde 272 adet silindirik pin-fin bulunur. Bu pinler 21 alternatif sırada dizilmiştir; her sırada 12 veya 14 pin yer alır. Pin çapı 2 mm’dir ve temel modelde tüm pinlerin yüksekliği 25 mm’dir. Önerilen modelde ise pinler giriş tarafında kısadır; akış çıkışa doğru ilerledikçe pin yüksekliği 1 mm’lik artışlarla 25 mm’ye çıkar.

Bu tasarımın arkasındaki fikir gündelik bir benzetmeyle şöyle anlatılabilir: Bir kapıdan içeri hızla giren kalabalığın hemen girişte dar bir engelle karşılaşması, akışın sıkışmasına ve enerji kaybına neden olur. Ancak giriş bölgesi daha açık bırakılır, engeller akış ilerledikçe kademeli olarak artırılırsa geçiş daha düzenli olur. Çalışmadaki 5–25 mm pin-fin yapısı da soğutucu akışkana girişte daha geniş bir serbest geçiş alanı sunar. Akış önce daha rahat ilerler, enerjisinin bir kısmını kaybettikten sonra daha yüksek pinlerle karşılaşır. Böylece hem ısı transfer yüzeyi korunur hem de girişteki ani tıkanma ve jet etkisi azaltılır.

Çalışmada kullanılan sayısal model üç boyutlu eşlenik ısı transferi yani conjugate heat transfer yaklaşımına dayanır. Bu, katı parçalar içindeki ısı iletiminin ve sıvı içindeki akış/taşınım olaylarının birlikte çözüldüğü anlamına gelir. Simülasyonlar COMSOL Multiphysics ortamında yapılmıştır. Modelde akışın kararlı halde olduğu, tüm katı-sıvı ara yüzlerinde kaymama sınır koşulu bulunduğu, dış yüzeylerden ısı kaybının ihmal edildiği, malzeme özelliklerinin sabit kabul edildiği ve çiplerdeki hacimsel ısı üretiminin uniform olduğu varsayılmıştır.

Çalışmada akışı ve ısı transferini tanımlamak için süreklilik, momentum, enerji ve SST k-ω türbülans modeli denklemleri kullanılmıştır. Bu denklemler, okuyucu açısından şunu ifade eder: Akışkanın kütlesi korunur, hız ve basınç alanı Newton mekaniğine göre dengelenir, sıcaklık alanı iletim ve taşınımla belirlenir, türbülans ise ortalama akış üzerindeki çalkantı etkilerini hesaba katacak şekilde modellenir.

Çalışmada verilen süreklilik denklemi şu biçimdedir:

\[ \nabla \cdot (\rho \mathbf{v}) = 0 \]

Burada \(\rho\) akışkan yoğunluğunu, \(\mathbf{v}\) ise hız vektörünü temsil eder. Denklem, sıkıştırılamaz kabul edilen akışta bir bölgeye giren ve çıkan akış miktarının dengede olduğunu anlatır. Basitçe söylenirse, soğutucu akışkan kanal içinde kaybolmaz veya yoktan oluşmaz; sadece yönü, hızı ve basıncı değişir.

Momentum denklemi şu şekilde verilir:

\[ \rho(\mathbf{v}\cdot\nabla)\mathbf{v} = -\nabla p + \nabla \cdot [(\mu+\mu_t)(\nabla \mathbf{v}+(\nabla \mathbf{v})^T)] \]

Bu denklemde \(p\) basınç, \(\mu\) dinamik viskozite, \(\mu_t\) türbülans kaynaklı etkin viskozite anlamına gelir. Denklem, akışkanın hızlanmasının basınç farkları ve viskoz/türbülanslı dirençlerle nasıl belirlendiğini gösterir. Pin-fin soğutucularda bu denklem özellikle önemlidir; çünkü pinler akışın önüne çıktığında akış hızlanır, yavaşlar, ayrılır, girdap oluşturur ve bu olayların tamamı basınç kaybını belirler.

Enerji denklemi ise şu biçimdedir:

\[ \rho c_p(\mathbf{v}\cdot\nabla)T = \nabla \cdot [(k+k_t)\nabla T] + \mu\Phi + Q \]

Burada \(c_p\) özgül ısı kapasitesi, \(T\) sıcaklık, \(k\) ısıl iletkenlik, \(k_t\) türbülanslı ısıl iletkenlik, \(\Phi\) viskoz kayıp fonksiyonu ve \(Q\) hacimsel ısı kaynağıdır. Bu denklem, çiplerde oluşan ısının katı katmanlar ve akışkan içinde nasıl taşındığını açıklar.

Çalışmada ayrıca Reynolds ve Nusselt sayılarıyla akışın karakteri ve ısı transferi gücü değerlendirilmiştir. Genel Reynolds sayısı şu şekilde verilir:

\[ Re = \frac{\rho \cdot v_{av} \cdot D_h}{\mu} \]

Burada \(v_{av}\) kanal kesitindeki ortalama akış hızı, \(D_h\) hidrolik çap veya karakteristik kanal uzunluğu, \(\mu\) akışkanın dinamik viskozitesidir. Reynolds sayısı, akışın laminer mi yoksa türbülanslı mı olduğunu anlamaya yarar. Çalışmada seçilen 2,5 m/s giriş hızında genel Reynolds sayısı yaklaşık 79.882 olarak hesaplanmıştır. Bu değer güçlü türbülanslı bir akışa işaret eder.

Pin çapına göre karakteristik Reynolds sayısı da şu şekilde tanımlanır:

\[ Re_D = \frac{\rho \cdot v_{max} \cdot D_{pin}}{\mu} \]

Burada \(v_{max}\) pinler arasındaki en yüksek yerel hız, \(D_{pin}\) pin çapıdır. Çalışmada \(Re_D = 9726\) olarak verilmiştir. Bu değer, pinlerin etrafında belirgin türbülans, ayrılma ve iz bölgesi oluşabileceğini gösterir.

Nusselt sayısı ise taşınımla ısı transferinin iletime göre ne kadar güçlü olduğunu gösterir:

\[ Nu = \frac{h_{av} \cdot D_h}{k} \]

Burada \(h_{av}\) ortalama taşınım ısı transfer katsayısı, \(k\) akışkanın ısıl iletkenliğidir. Nusselt sayısı büyüdükçe akışkanın yüzeyden ısı alma kapasitesi artar. Çalışmada genel Nusselt sayısı 139, pin çapına göre karakteristik Nusselt sayısı ise 206,8 olarak verilmiştir. Bu değerler, soğutucu akışkan tarafında taşınımın zaten güçlü olduğunu destekler.

Modelde kullanılan soğutucu akışkan 50% su-etilen glikol karışımıdır. Bu karışım otomotiv soğutma sistemlerinde yaygın biçimde kullanılır; çünkü su iyi ısı taşıma özelliklerine sahipken, etilen glikol donma noktası ve çalışma güvenliği açısından sisteme avantaj sağlar. Çalışmada akışkan giriş sıcaklığı 65°C, giriş hızı 2,5 m/s olarak alınmıştır. Soğutucunun yoğunluğu 1048,83 kg/m³, dinamik viskozitesi 0,00129 Pa·s, ısıl iletkenliği 0,406 W/(m·K) ve özgül ısı kapasitesi 3454 J/(kg·K) olarak kullanılmıştır.

Çiplerdeki ısı üretimi de gerçekçi bir güç elektroniği yükünü temsil edecek şekilde tanımlanmıştır. Her IGBT çipine 140 W, her diyot çipine 34 W ısı yükü uygulanmıştır. Bu değerler, çalışmanın yalnızca soyut bir kanal geometrisi değil, otomotiv sınıfı güç modülü bağlamında değerlendirildiğini gösterir.

Sayısal çalışmalarda en kritik konulardan biri ağ bağımsızlığıdır. Eğer sonuçlar kullanılan mesh yani hesaplama ağı değiştikçe ciddi biçimde değişiyorsa, elde edilen sıcaklık ve basınç değerleri güvenilir olmayabilir. Bu nedenle çalışmada hem 25 mm sabit yükseklikli temel model hem de 5–25 mm kademeli model için mesh bağımsızlık testi yapılmıştır. Değerlendirme ölçütleri maksimum bağlantı sıcaklığı ve toplam basınç düşümüdür. Son iki mesh yoğunluğu arasındaki farklar 25 mm modelde bağlantı sıcaklığı için %0,13, basınç düşümü için %0,71; 5–25 mm modelde ise sıcaklık için %0,024, basınç düşümü için %1,26 düzeyindedir. Bu değerlerin %5 mühendislik toleransının altında olması, mesh seçiminin sonuçları aşırı biçimde etkilemediğini gösterir.

Mesh yakınsama değerlendirmesinde kullanılan bağıl hata formülü çalışmada şu şekilde verilmiştir:

\[ \varepsilon_r = \frac{|\Phi_1-\Phi_2|}{\Phi_1} \times 100 \]

Burada \(\varepsilon_r\) bağıl hata, \(\Phi_1\) önceki mesh sonucundaki değer, \(\Phi_2\) sonraki mesh sonucundaki değerdir. Bu formül, mesh sıklaştırıldığında sonucun ne kadar değiştiğini yüzde olarak gösterir.

Model doğrulaması yalnızca mesh testiyle sınırlı kalmamıştır. Araştırmacılar analitik ısıl direnç hesaplarıyla CFD sonucunu karşılaştırmıştır. Katı katmanlar için 45° ısı yayılma açısı kabul edilerek toplam katı ısıl direnç 0,1594 K/W olarak hesaplanmıştır. Akışkan tarafı ısıl direnç ise Zukauskas korelasyonu ile 0,0096 K/W bulunmuştur. Bu değerler çok önemlidir; çünkü katı tarafın ısıl direnci akışkan tarafına göre çok daha büyüktür. Başka bir ifadeyle, sistemdeki ana sıcaklık sınırlayıcı unsur pin-fin kanalındaki sıvı değil, yarı iletken çipten soğutucuya kadar uzanan paketleme katmanlarıdır.

Analitik hesap ortalama bağlantı sıcaklığını 105,22°C tahmin ederken, CFD sonucu 109,44°C vermiştir. Aradaki fark %3,86 olarak raporlanmıştır. Ayrıca termal empedans matrisi yöntemiyle yapılan doğrulamada hata %2,71 bulunmuştur. Bu sonuçlar, simülasyonun kendi varsayımları içinde mühendislik açısından tutarlı olduğunu gösterir. Ancak bu doğrulama, çalışmanın deneysel olarak fiziksel bir prototiple test edildiği anlamına gelmez; çalışma esas olarak sayısal simülasyona dayanmaktadır.

Çalışmada sıcaklık alanları incelendiğinde, ısı birikiminin esas olarak çiplerin hemen altındaki katı paketleme katmanlarında yoğunlaştığı görülür. Isı akısı vektörleri, ısının yalnızca dikey yönde aşağı inemediğini, katmanlar içinde yatay yönde de yayıldığını gösterir. Araştırmada bu yayılma yaklaşık 45° ısı yayılımı mantığıyla değerlendirilir. Bu durum, ısı kaynağının küçük çip alanlarında yoğunlaşması nedeniyle alt katmanların tamamının eşit şekilde kullanılmadığını anlatır.

Bu bulgu, çalışmanın tasarım felsefesini doğrudan destekler. Eğer sıcaklığı belirleyen ana darboğaz sıvı tarafında değil de katı paketleme tarafındaysa, akışkan tarafındaki taşınımı daha da artırmak bağlantı sıcaklığını sınırlı ölçüde etkiler. Buna karşılık akışkanın karşılaştığı direnç, pompa gücü ve enerji kaybı üzerinde çok daha büyük etki yapabilir. Bu yüzden çalışma, “daha karmaşık ve daha dirençli soğutucu” yerine “yeterli soğutmayı koruyan ama daha düşük basınç kaybı oluşturan soğutucu” fikrini öne çıkarır.

Araştırmacılar giriş hızını seçmek için Pareto çok amaçlı optimizasyon ve TOPSIS yöntemini kullanmıştır. Üç hedef birlikte değerlendirilmiştir: maksimum IGBT bağlantı sıcaklığını azaltmak, maksimum diyot sıcaklığını azaltmak ve basınç düşümünü azaltmak. Ağırlıklar IGBT sıcaklığı için 0,35, diyot sıcaklığı için 0,35, basınç düşümü için 0,30 olarak verilmiştir. Bu değerlendirme sonucunda optimum giriş hızı 2,44 m/s bulunmuş, uygulamada kolaylık ve sonraki analizler için 2,5 m/s değerine yuvarlanmıştır.

Burada önemli olan, hız arttıkça sıcaklığın genellikle düşmesi ama basınç kaybının ve pompa enerjisinin artmasıdır. Akış hızını sürekli artırmak, evdeki bir fanı sürekli en yüksek devirde çalıştırmaya benzer: ilk başta daha iyi soğutma sağlar; fakat bir noktadan sonra gürültü, enerji tüketimi ve mekanik yük artarken sıcaklıktaki iyileşme sınırlı kalır. Çalışmanın yaptığı optimizasyon, tam bu denge noktasını bulmaya yöneliktir.

Beş farklı pin-fin yükseklik dağılımı karşılaştırıldığında, maksimum bağlantı sıcaklığının 121°C ile 126°C arasında dar bir aralıkta kaldığı belirtilmiştir. Bu aralık yalnızca yaklaşık %4,6 değişime karşılık gelir. Buna karşılık basınç düşümü geometriye çok daha duyarlıdır. En yüksek basınç düşümü 33,15 kPa ile 25-22-25 mm yükseklik dalgalanmalı modelde görülürken, 5–25 mm artan kademeli modelde basınç düşümü 11,53 kPa değerine inmektedir. Bu iki uç model arasında basınç düşümü azalması %64,14 olarak raporlanmıştır.

En pratik karşılaştırma ise 25 mm sabit yükseklikli temel modelle yapılmıştır. Temel modelde maksimum bağlantı sıcaklığı yaklaşık 125,97°C, basınç düşümü 22,51 kPa olarak verilmiştir. 5–25 mm modelde maksimum bağlantı sıcaklığı 126,64°C olup güvenli sınır olan 150°C’nin altında kalmaktadır; basınç düşümü ise 11,53 kPa değerine düşmektedir. Yani sıcaklıkta yalnızca çok küçük bir artış oluşurken, basınç kaybında yaklaşık %48,80 azalma elde edilmektedir.

Akış mekanizması açısından çalışmanın en değerli bölümlerinden biri, farklı pin-fin düzenlerinin neden farklı basınç düşümleri oluşturduğunu açıklamasıdır. 25-22-25 mm dalgalı yükseklik düzeninde giriş bölgesinde ciddi tıkanma oluşur. Pin yüksekliğinin sürekli değişmesi akışta hızlanma-yavaşlama döngüleri, türbülanslı karışım ve güçlü enerji kaybı yaratır. Bu düzen ısı transferini artırabilir; ancak akışkanın pompa tarafından itilmesi çok daha zor hale gelir.

25 mm sabit yükseklikli modelde de pinler tüm kanal boyunca yüksek olduğu için akış dar aralıklardan geçmek zorunda kalır. Pinler arasında yerel hızların 3 m/s üzerine çıkabildiği belirtilmiştir. Bu durum jet daralması yani jet throttling etkisi oluşturur. Akış pinlerin arkasında iz bölgeleri ve ayrılmış sınır tabakaları meydana getirir. Bu iz bölgeleri, akışkanın enerjisinin ısıya ve türbülanslı kayıplara dönüşmesine neden olur.

25-5-25 mm V biçimli düzenlemede girişteki yüksek pinler yine önemli giriş tıkanması yaratır. Kanalın orta bölgesinde pin yüksekliği düştüğünde akış için bir rahatlama bölgesi oluşur; fakat çıkışa doğru pin yüksekliği tekrar arttığında akış yeniden yüksek dirençle karşılaşır. Bu nedenle basınç düşümü sabit 25 mm modele göre bazı açılardan iyileşse de en düşük direnç bu tasarımda elde edilmez.

5–25 mm artan kademeli modelde ise giriş bölgesinde kısa pinler vardır. Bu kısa pinler akışa geniş bir serbest geçiş alanı bırakır. Böylece akış kanala sert biçimde boğulmadan girer. Akış ilerledikçe pin yüksekliği artar; bu, çıkış tarafında hâlâ yeterli ısı transfer yüzeyi bulunmasını sağlar. Ayrıca düşük hızlı çevrim bölgeleri, yüksek hızlı ana akımın pinlere doğrudan çarpmasını kısmen engelleyen bir tür akış kılıfı gibi davranır. Çalışmada bu etki, keskin silindirik cisimlerin akışa karşı daha aerodinamik hale gelmesine benzer şekilde yorumlanmaktadır.

Bu mekanizma, basınç kaybının yalnızca “pin sayısı” veya “toplam yüzey alanı” meselesi olmadığını gösterir. Aynı malzemeyi ve benzer yüzeyleri farklı bir yükseklik dağılımıyla yerleştirmek, akışkanın hangi bölgede hızlanacağını, nerede ayrılacağını, nerede girdap oluşturacağını ve nerede enerji kaybedeceğini ciddi biçimde değiştirebilir. Araştırmanın mühendislik katkısı da bu noktadadır: soğutucuyu yalnızca sıcaklık açısından değil, akış alanının enerji kaybı açısından da optimize etmektedir.

Çalışmada ısıl direnç ve akış direnci arasındaki ilişki ayrıca incelenmiştir. Genel eğilim açıktır: akış direnci azaltıldığında ısıl dirençte küçük bir artış görülebilir. Ancak bu artışın bağlantı sıcaklığı üzerindeki etkisi sınırlıdır; çünkü akışkan tarafı ısıl direnç, toplam ısıl direnç bütçesinde çok küçük bir paya sahiptir. Çalışmada akışkan direncinin toplam ısıl direnç içinde %1’den düşük kaldığı belirtilmektedir. Bu nedenle, ısı transferi açısından küçük bir kayıp kabul edilerek basınç düşümünde büyük bir kazanç sağlamak mühendislik açısından mantıklı hale gelir.

Pompa gücü hesabı da çalışmanın pratik önemini güçlendirmektedir. Çalışmada verilen pompa gücü ilişkisi şöyledir:

\[ W_p = \frac{\Delta P \cdot Q}{\eta} \]

Burada \(W_p\) pompa gücü, \(\Delta P\) basınç düşümü, \(Q\) hacimsel debi, \(\eta\) ise pompa verimidir. Çalışmada pompa verimi 0,68 olarak alınmıştır. Bu formül, basınç düşümü arttıkça aynı debiyi sağlamak için pompanın daha fazla güç harcaması gerektiğini gösterir.

Bu ilişkiye göre 25 mm sabit yükseklikli eski yapı yaklaşık 190 W pompa gücü gerektirirken, 5–25 mm yapı yaklaşık 97 W pompa gücü gerektirmektedir. Aradaki fark 93 W olarak raporlanmıştır. Bu değer tek bir modül için düşünüldüğünde bile önemlidir; bir araçta birden fazla güç modülü bulunduğunda, sistem seviyesinde enerji tasarrufu daha anlamlı hale gelebilir. Elektrikli araç açısından bu tür bir tasarruf, bataryadan çekilen yardımcı sistem gücünü azaltabilir ve toplam enerji verimliliğine katkı sağlayabilir.

Çalışmanın malzeme ve maliyet boyutu da vardır. 5–25 mm değişken yükseklikli yapı, gereksiz pin yüksekliğini azaltarak bakır kullanımını yaklaşık %40 düşürmektedir. Bir ısı alıcı başına hacim azalması 8545 mm³ olarak verilmiştir. Araştırmacılar bunu büyük ölçekli elektrikli araç üretimi üzerinden değerlendirdiğinde, dört IGBT modülüne sahip 16,626 milyon elektrikli araç varsayımıyla 568,29 m³ yani yaklaşık 5091,84 ton yüksek kaliteli bakır tasarrufu potansiyeli hesaplamaktadır. Güncel piyasa değerleri üzerinden bunun yıllık yaklaşık 78,47 milyon dolar ölçeğinde malzeme tasarrufu anlamına gelebileceği belirtilmiştir.

Bu ekonomik değerlendirme dikkatli okunmalıdır. Çalışma, bu değerleri üretim ölçeği varsayımlarıyla hesaplamaktadır; gerçek tasarruf, araç mimarisi, modül sayısı, üretim yöntemi, bakır fiyatı, tasarım standardı, kalite kontrol ve tedarik zinciri koşullarına göre değişebilir. Ancak çalışmanın verdiği ana mesaj nettir: soğutucu tasarımındaki geometrik optimizasyon yalnızca sıcaklık veya basınç değeriyle sınırlı değildir; malzeme tüketimi, pompa gücü ve sistem maliyeti üzerinde de etkili olabilir.

Geçmiş açısından bakıldığında, güç elektroniği soğutması uzun süre daha fazla yüzey alanı ve daha yüksek taşınım katsayısı elde etmeye odaklanmıştır. Bu yaklaşım, daha düşük güç yoğunluklarında ve hava soğutmanın yeterli olduğu dönemlerde anlaşılırdı. Bugün ise elektrikli araçlarda yüksek güç, kompakt paketleme ve yüksek güvenilirlik aynı anda istenmektedir. Bu nedenle yalnızca soğutma kapasitesi değil, soğutma sisteminin enerji maliyeti de tasarımın merkezine girmektedir.

Gelecek açısından bu çalışma, elektrikli araç güç elektroniğinde daha akıllı soğutucu geometrilerinin yolunu göstermektedir. Bir sonraki aşamada bu tür değişken yükseklikli pin-fin yapıların deneysel prototiplerle test edilmesi, titreşim ve termal çevrim altında dayanıklılığının incelenmesi, farklı akışkanlar ve giriş sıcaklıklarıyla denenmesi, üretilebilirlik ve maliyet analizlerinin gerçek endüstriyel süreçlerle doğrulanması gerekir. Ayrıca IGBT yerine SiC MOSFET gibi yeni nesil güç yarı iletkenlerinde de benzer tasarım mantığının geçerli olup olmadığı araştırılabilir.

Gündelik yaşama etkisi ise dolaylı ama önemlidir. Elektrikli araç kullanıcıları için soğutma sistemi genellikle görünmeyen bir altyapıdır; ancak menzil, güvenilirlik, arıza oranı, bakım maliyeti ve araç performansı bu altyapıdan etkilenir. Daha düşük pompa gücü, aracın bataryasındaki enerjinin daha büyük bölümünün sürüşe ayrılması anlamına gelebilir. Daha düşük basınç, sızdırmazlık elemanları üzerindeki yükü azaltabilir. Daha az bakır kullanımı, üretim maliyeti ve kaynak tüketimi açısından çevresel ve ekonomik katkı sağlayabilir. Çalışmanın önemi, görünmeyen bir mühendislik ayrıntısının araç seviyesinde nasıl anlamlı sonuçlara dönüşebileceğini göstermesidir.

Çalışmanın güçlü yönleri arasında gerçek bir otomotiv IGBT modülüne benzetilmiş geometri kullanılması, üç boyutlu eşlenik ısı transferi simülasyonunun uygulanması, mesh bağımsızlık testinin yapılması, analitik ısıl direnç modeliyle doğrulama sunulması, yalnızca sıcaklığı değil basınç düşümü ve pompa gücünü de değerlendirmesi sayılabilir. Ayrıca çalışma, akış alanındaki jet daralması, iz bölgesi, giriş tıkanması, küresel tıkanma ve düşük hızlı akış kılıfı gibi mekanizmaları açıklamaya çalışarak yalnızca sonuç veren değil, sonuçların neden oluştuğunu yorumlayan bir yapı sunmaktadır.

Bununla birlikte sınırlılıklar da açıkça belirtilmelidir. Çalışma hakem değerlendirmesinden geçmemiş bir preprinttir. Bulgular CFD simülasyonlarına dayanmaktadır; metinde fiziksel prototip üzerinde deneysel doğrulama sunulmamaktadır. Simülasyon kararlı hal kabulüyle yapılmıştır; gerçek araçlarda hızlanma, yavaşlama, çevresel sıcaklık değişimi, titreşim, soğutucu yaşlanması, pompa kontrol stratejisi ve geçici ısıl yükler devreye girebilir. Malzeme özellikleri sabit kabul edilmiştir; gerçek sıcaklık aralıklarında bazı özellikler değişebilir. Dış yüzeylerden ısı kaybı ihmal edilmiştir. Ayrıca 5–25 mm yapının üretim toleransları, kirlenme/tıkanma davranışı, uzun dönem güvenilirliği ve otomotiv seri üretimine entegrasyonu deneysel olarak ayrıca incelenmelidir.

Çalışmanın söylediği şey şudur: Belirlenen simülasyon koşulları altında, 5–25 mm artan kademeli pin-fin yapısı IGBT bağlantı sıcaklığını güvenli sınırın altında tutarken basınç düşümünü ciddi biçimde azaltmaktadır. Çalışmanın söylemediği şey ise şudur: Bu tasarımın her elektrikli araçta, her IGBT modülünde, her akışkanla ve her çalışma koşulunda aynı başarıyı göstereceği kanıtlanmış değildir. Ayrıca çalışma ticari uygulama, saha dayanıklılığı veya üretim başarısı için kesin garanti sunmaz. Bu nedenle sonuçlar değerli bir mühendislik yönelimi olarak görülmeli; ancak nihai endüstriyel kararlar için deneysel ve saha ölçekli doğrulamalarla desteklenmelidir.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

Çalışmanın yöntemi, yüksek güçlü otomotiv IGBT modülünün sıvı soğutma yapısını üç boyutlu CFD ve eşlenik ısı transferi simülasyonlarıyla incelemeye dayanır. Araştırmada katı paketleme katmanları, yarı iletken çipler, lehim tabakaları, DBC katmanları, seramik yalıtım tabakası, pin-fin altlık ve sıvı soğutucu alanı birlikte modellenmiştir.

Model geometrisi ve malzeme yapısı:

• Model, otomotiv sınıfı Infineon FS820R08A6P2B IGBT modül mimarisine benzetilmiştir.
• Üç fazlı köprü topolojisi ve kademeli çip yerleşimi dikkate alınmıştır.
• Toplam 36 yarı iletken çip modellenmiştir.
• Katmanlar çip, çip lehimi, üst DBC bakır tabakası, Al₂O₃ yalıtım tabakası, alt DBC bakır tabakası, DBC lehim tabakası, pin-fin altlık ve ısı alıcı yapısından oluşur.
• Pin-fin yapıları bakır, ısı alıcı gövdesi ise alüminyum alaşımı olarak değerlendirilmiştir.

Temel pin-fin konfigürasyonları:

Sınır koşulları ve çalışma parametreleri:

• Her IGBT çipi için ısı yükü: 140 W.
• Her diyot çipi için ısı yükü: 34 W.
• Soğutucu akışkan: %50 su-etilen glikol karışımı.
• Giriş sıcaklığı: 65°C.
• Giriş hızı: 2,5 m/s.
• Çıkış sınır koşulu: 0 Pa gösterge basıncı.
• Dış yüzeyler: adyabatik yani dışarıya ısı kaybı yok kabul edilmiştir.
• Akış ve ısı transferi: kararlı hal olarak modellenmiştir.

Kullanılan temel denklemler:

Akışın kütle korunumu için süreklilik denklemi kullanılmıştır:

\[ \nabla \cdot (\rho \mathbf{v}) = 0 \]

Akışkanın momentum dengesi şu denklemle tanımlanmıştır:

\[ \rho(\mathbf{v}\cdot\nabla)\mathbf{v} = -\nabla p + \nabla \cdot [(\mu+\mu_t)(\nabla \mathbf{v}+(\nabla \mathbf{v})^T)] \]

Isı taşınımı ve iletimi için enerji denklemi kullanılmıştır:

\[ \rho c_p(\mathbf{v}\cdot\nabla)T = \nabla \cdot [(k+k_t)\nabla T] + \mu\Phi + Q \]

Akış rejimini değerlendirmek için Reynolds sayısı kullanılmıştır:

\[ Re = \frac{\rho \cdot v_{av} \cdot D_h}{\mu} \]

Pin çapına göre karakteristik Reynolds sayısı:

\[ Re_D = \frac{\rho \cdot v_{max} \cdot D_{pin}}{\mu} \]

Taşınım gücünü değerlendirmek için Nusselt sayısı:

\[ Nu = \frac{h_{av} \cdot D_h}{k} \]

Zukauskas korelasyonuna dayalı karakteristik Nusselt bağıntısı çalışmada şu formda verilmiştir:

\[ Nu_D = C \cdot Re_D^m \cdot Pr^{0.36} \cdot \left(\frac{Pr}{Pr_\omega}\right)^{0.25} \]

Burada \(Pr\) Prandtl sayısıdır; momentum yayılımı ile ısı yayılımı arasındaki oranı temsil eder. \(C\) ve \(m\) ampirik katsayılardır. \(Pr_\omega\) duvar sıcaklığı koşulundaki Prandtl sayısı olarak değerlendirilir.

Mesh bağımsızlığı için bağıl hata denklemi kullanılmıştır:

\[ \varepsilon_r = \frac{|\Phi_1-\Phi_2|}{\Phi_1} \times 100 \]

Pompa gücü hesabı için kullanılan ilişki:

\[ W_p = \frac{\Delta P \cdot Q}{\eta} \]

Burada \(W_p\) pompa gücü, \(\Delta P\) basınç düşümü, \(Q\) hacimsel debi, \(\eta\) pompa verimidir. Çalışmada \(\eta = 0,68\) alınmıştır.

Önemli sayısal bulgular:

Diğer ana sonuçlar:

• Farklı pin-fin yükseklik dağılımlarında maksimum bağlantı sıcaklığı 121–126°C bandında kalmıştır.
• Sıcaklık değişimi yalnızca yaklaşık %4,6 düzeyindedir.
• Basınç düşümü ise geometriye çok daha hassastır.
• 25-22-25 mm dalgalı yapı 33,15 kPa ile en yüksek basınç düşümünü üretmiştir.
• 5–25 mm artan kademeli yapı 11,53 kPa ile en düşük basınç düşümünü üretmiştir.
• 25-22-25 mm yapıdan 5–25 mm yapıya geçişte basınç düşümü azalması %64,14 olarak verilmiştir.
• 25 mm sabit yükseklikli modele göre 5–25 mm yapıdaki basınç düşümü azalması %48,80 olarak raporlanmıştır.
• Katı paketleme ısıl direnci 0,1594 K/W, akışkan tarafı ısıl direnç ise 0,0096 K/W olarak hesaplanmıştır.
• Bu fark, ana ısıl darboğazın sıvı tarafında değil katı paketleme katmanlarında olduğunu göstermektedir.
• Analitik ortalama bağlantı sıcaklığı tahmini 105,22°C, CFD sonucu 109,44°C olup bağıl fark %3,86 düzeyindedir.
• Termal empedans matrisiyle yapılan ek doğrulamada hata %2,71 olarak verilmiştir.

Şekil ve grafiklerin teknik anlamı:

• IGBT modül ve çip yerleşim görseli, çalışmanın gerçek otomotiv modülü mimarisine yakın bir düzeni temel aldığını gösterir. Çiplerin kademeli yerleşimi, ısı kaynaklarının tek noktada toplanmasını azaltmaya yöneliktir.
• Isı yayılım yolu şeması, ısının çipten sıvı soğutucuya ulaşana kadar çok sayıda katı tabakadan geçtiğini gösterir. Bu şema, katı paketleme direncinin neden kritik olduğunu anlamak için önemlidir.
• 25 mm ve 5–25 mm pin-fin şemaları, geleneksel sabit yükseklikli yapı ile önerilen artan kademeli yapının farkını açıkça gösterir.
• Mesh bağımsızlık grafikleri, ağ yoğunluğu arttıkça maksimum bağlantı sıcaklığı ve basınç düşümü sonuçlarının kararlı hale geldiğini gösterir.
• Isıl alan ve ısı akısı görselleri, sıcaklık birikiminin çip altındaki katmanlarda yoğunlaştığını ve ısının yanlara doğru yayıldığını gösterir.
• Pareto-TOPSIS grafiği, 2,44 m/s hızın sıcaklık ve basınç düşümü arasında en uygun dengeyi verdiğini gösterir.
• Pin-fin modelleri karşılaştırma grafiği, sıcaklık farklarının küçük, basınç düşümü farklarının ise çok büyük olduğunu gösterir.
• Basınç dağılımı görselleri, giriş tıkanması ve pin yüksekliği dağılımının basınç kaybını nasıl belirlediğini ortaya koyar.
• Hız çizgileri ve akış alanı görselleri, jet daralması, iz bölgesi, türbülans, düşük hızlı çevrim bölgeleri ve akış kılıfı mekanizmalarını açıklamak için kullanılmıştır.
• Isıl direnç–akış direnci grafiği, düşük basınç kaybı uğruna oluşan küçük ısıl direnç artışının bağlantı sıcaklığı açısından sınırlı etki yaptığını destekler.

Çalışmanın teknik sonucu: 5–25 mm artan kademeli pin-fin yapısı, soğutma güvenliğini bozmayacak kadar yüksek ısı transfer alanı sağlarken, akışkanın girişte karşılaştığı ani tıkanmayı azaltır. Böylece hem bağlantı sıcaklığı 150°C sınırının altında tutulur hem de basınç düşümü ve pompa gücü önemli ölçüde azaltılır.

Kaynak ve Yöntem Notu

Bu makale, Sirui Lu, Chenhao Tan, ZeYu Zhang, Xianjin Yi, Tianyu Ma ve Feng Wang tarafından hazırlanan “A Study on Pressure Drop Optimization in High-Power IGBT Liquid-Cooling Systems Using Variable-Height Pin-fin Structures” başlıklı çalışmaya dayanarak hazırlanmıştır. Çalışma, yüksek güçlü otomotiv IGBT modüllerinde sıvı soğutma sistemlerinin basınç düşümü ve pompa gücü açısından optimize edilmesini incelemektedir.

Kaynak türü, SSRN üzerinde erişime açılmış bir preprint araştırma makalesidir. Metinde açıkça “This preprint research paper has not been peer reviewed” ifadesi yer aldığı için çalışma hakem değerlendirmesinden geçmemiştir. Bu nedenle sonuçlar bilimsel ve mühendislik açısından değerli bir simülasyon çalışması olarak okunmalı; ancak hakemli yayın, deneysel prototip doğrulaması veya saha uygulaması kanıtı gibi değerlendirilmemelidir.

İçerik, çalışmanın sunduğu model, varsayım, formül, grafik, tablo ve sayısal sonuçlara dayanarak hazırlanmıştır. PDF’de yer almayan ticari başarı, saha başarısı, uzun dönem güvenilirlik, üretim garantisi, güvenlik garantisi veya her araçta aynı performansın sağlanacağı gibi iddialar eklenmemiştir.

Çalışma esas olarak CFD simülasyonu ve analitik ısıl direnç doğrulamasına dayanmaktadır. Metinde fiziksel prototip üzerinde yürütülmüş deneysel testler sunulmamaktadır. Bu nedenle önerilen 5–25 mm değişken yükseklikli pin-fin yapısının gerçek araç koşullarında, uzun dönem termal çevrimlerde, titreşim altında, farklı soğutucu karışımlarda, farklı pompa kontrollerinde ve seri üretim koşullarında ayrıca test edilmesi gerekir.

Bu çalışma, elektrikli araç güç elektroniği soğutmasında önemli bir tasarım mesajı vermektedir: yüksek türbülanslı koşullarda akışkan tarafı ısı transferi zaten doygunluğa yaklaşmışsa, daha karmaşık ve dirençli geometriler yerine basınç düşümünü azaltan akış dostu geometriler daha verimli olabilir. Ancak bu sonuç, çalışmada tanımlanan geometri, sınır koşulları ve simülasyon varsayımları kapsamında geçerlidir.