A parametric investigation of topology optimization in heat sink design

Abstract

Çeşitli sektörlerde ısıtılmış bileşenlerin, ortamların vb. soğutulması bir gerekliliktir. Bu ihtiyacı karşılamak amacıyla soğutucular, farklı üretim yöntemleri kullanılarak çeşitli şekillerde tasarlanmaktadır. Soğutucu tasarım yöntemleri, kullanılan soğutucu tipine bağlı olarak değişmekte olup her birinin kendine özgü matematiksel altyapısı bulunmaktadır. Günümüzde soğutucular genellikle uzun süredir kullanılan geleneksel yöntemlerle tasarlanmakta ve üretilmektedir. Ancak kritik uygulamalarda özel çözümler gerekebilmektedir. Daha az yer kaplayan, daha hafif ve daha iyi ısı transferi sağlayarak soğutma performansını artıran soğutuculara ihtiyaç duyulabilmektedir. Bu tür durumlarda, soğutucu tasarımlarında topoloji optimizasyonu kullanılabilir. Ancak topoloji optimizasyonu sonucunda elde edilen geometriler çoğunlukla geleneksel yöntemlerle üretilemez yapıdadır. Bu nedenle, metal katkı imalatı (metal 3D yazıcılar) tercih edilmektedir. Bu üretim yöntemi, karmaşık yapıların üretilmesine olanak tanıyarak tasarımcılara büyük bir özgürlük sunmaktadır. Paslanmaz çelik veya titanyum gibi işlenmesi zor malzemelerle dahi, geleneksel yöntemlerle elde edilmesi imkânsız şekillerin üretimi mümkün hale gelmektedir. Bu çalışma, topoloji optimizasyonu kullanılarak soğutucu tasarımı üzerine odaklanmaktadır. Önceki optimizasyon çalışmaları incelenmiş ve bu çalışmalar tekrarlanarak elde edilen sonuçlar doğrulanmıştır. Ayrıca çeşitli parametrelerin sonuçlara etkisi araştırılmıştır. Elde edilen geometrilerin metal katkı imalatı ile üretilebilir olmasını sağlamak amacıyla gerekli parametre ayarlamaları yapılmıştır. Çalışmalar, COMSOL yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir.Cooling heated components, environments, etc., across various sectors is a necessity. To meet this need, coolers are designed in different ways using various production methods. The design methods for coolers depend on their types, and each method has its own mathematical framework. Today, coolers are generally designed and manufactured using traditional methods that have been in use for a long time. However, in critical areas, special solutions may be required. There may be a need for coolers that occupy less space, lighter, and provide better heat transfer, thus improving cooling performance. In such cases, topology optimization can be used for cooler designs. Since the geometries obtained through topology optimization are usually not manufacturable using traditional methods, metal additive manufacturing is employed. This manufacturing method enables the production of complex structures, providing great freedom for designers. It allows the creation of shapes that would be impossible to achieve through conventional methods, even with materials that are difficult to process, such as stainless steel or titanium. This study focuses on cooler design through topology optimization. Previous optimization studies were reviewed, and the results of the study were validated by replicating those works. The impact of changing various parameters on the results was examined. Additionally, the necessary parameter adjustments were made to ensure that the obtained geometries could be manufactured using metal additive manufacturing. The study was performed using the COMSOL software.