KARAKTERISTIK KINERJA TERMAL PIPA KALOR BERTINGKAT DENGAN SINTERED POWDER WICK Oleh Dosen Pembimbing
: I Nyoman Swar Raditya Mahawyahrta : Dr. Wayan Nata Septiadi, ST.,MT. Ketut Astawa, ST.,MT.
ABSTRAK Bagian dari komputer yang paling banyak menghasilkan panas adalah Central Processing Unit (CPU). Peningkatan kinerja dan pengcilan dimensi CPU mengakibatkan fluks kalor yang dihasilkan sangat tinggi. Mengatasi masalah itu, model pendinginan pada saat ini mulai mengarah pada sistem pendinginan dua fase. Maka dari itu penulis merancang pipa kalor lurus bertingkat yang nantinya diharapkan dapat membuang lebih banyak kalor yang dihasilkan CPU. Rancangan pipa kalor lurus bertingkat dibuat dengan menggunakan pipa tembaga, heatsink, plat tembaga, sumbu kapiler sintered powder dan fluida kerja air murni. Pengujian dilakukan dengan mengkarakterisasi metode pembuatan, diameter powder, suhu sintering dan terakhir dilakukan pengujian termal pipa kalor lurus bertingkat dengan dengan menggunakan pelat pemanas sebagai sumber panas untuk mensimulasi panas prosesor (CPU) dengan pembebanan bervariasi mulai dari 9,24 Watt, 14,70 Watt, 21,48 Watt, 28,38 Watt, 36,88 Watt dan 46,22 Watt. Pengujian dan perhitungan yang telah dilakukan menunjukan bahwa metode terbaik yang digunakan adalah metode putar. Diameter powder yang terbaik adalah 100 µm dengan daya kapilaritas 0,33 gr/s dimana semakin kecil diameter powder maka semakin kecil porositas dan semakin besar daya kapilaritasnya. Suhu sintering terbaik adalah 850ºC dengan daya kapilaritas 0,38 gr/s. Semakin tinggi suhu sintering nilai porositas akan semakin kecil. Pengujian termal pipa kalor lurus bertingkat didapatkan bahwa kinerja termal pipa kalor lurus bertingkat dengan sintered powder wick lebih baik dibandingkan pipa kalor lurus bertingkat dengan screen mesh, dengan hambatan termal masing-masing adalah 0,16°C/Watt dan 0,45°C/Watt.
Kata kunci : pipa kalor lurus bertingkat, sinterd powder wick, CPU
iv
CHARACTERISTIC THERMAL PERFORMANCE OF CASCADE HEAT PIPE USING SINTERED POWDER WICK Author Guidance
: I Nyoman Swar Raditya Mahawyahrta : Dr. Wayan Nata Septiadi, ST.,MT. Ketut Astawa, ST.,MT. ABSTRACT
The part of the computers that generate the most heat is the Central Processing Unit ( CPU ) . Improved performance and reduced CPU’s dimension causing the produce of heat flux is very high. Overcome this model of cooling at this time began to lead by two-phase cooling system. Because of that, the authors designed a cascade heat pipe which is expected to release more heat produced by the CPU. The design of cascade heat pipe made by copper pipe, heatsink, copper plate, capillary sintered powder wick and pure water as working fluid. Testing done by characterizing the method of manufacture, the diameter of powder, sintering temperature and the last one is heat pipe thermal testing using the heat plate simulator which is used as heat source to simulate the processor (CPU) with load range from 9.24 Watt, 14.70 Watt, 21.48 Watt, Watt 28.38, 36.88Watt and 46.22 Watt. The Test and calculation that have been done showed that the best method is the centrifugal method. The best powder diameter is 100 μm with a capillary power of 0.33 g /s which is the smaller getting the diameter of the powder, the smaller getting too the porosity and the power of capillarity getting greater. The Best sintering temperature is 850ºC with capillarity power of 0.38 g / s . if the sintering temperature getting higher, then the porosity value would be diminished. Cascade heat pipe thermal testing found that the stratified thermal performance cascade heat pipe with sintered powder wick is better than non-cascade heat pipes with mesh screen , with thermal resistance respectively was 0.16 ° C / Watt and 0.45 ° C / Watt
Keyword : Cascade heat pipe, sintered powder wick, CPU
v
KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena atas berkat rahmat-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul “ Karakteristik Kinerja Termal Pipa Kalor Bertingkat dengan Sintered Powder wick”. Dalam menyusun skripsi ini penulis tidak sedikit mendapat bantuan dari berbagai pihak, untuk itu penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak Dr. Wayan Nata Septiadi, ST.,MT.,selaku Dosen Pembimbing I yang telah menyediakan banyak waktu, tenaga dan pikiran untuk mengarahkan saya dalam penyusunan skripsi. 2. Bapak Dr.Ir. I Ketut Gede Sugita, ST, MT. selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Udayana. 3. Prof. Dr.-Ing. Nandy Putra dan Bapak/Ibu Laboratorium Applied Heat Transfer Research Group FT UI yang telah banyak memberikan bimbingan serta bahan penelitian dan material. 4. Bapak Dr. Mulya Juarsa, S.Si., M.Esc. dan Bapak/ibu Laboratorium Termo Hidrolika Batan yang telah banyak memberikan bimbingan serta alat penelitian 5. Bapak Ketut Astawa, ST.,MT. selaku Dosen Pembimbing II dalam penulisan skripsi ini. 6. Bapak Ir. Anak Agung Adhi Suryawan, MT. Selaku Dosen Pembimbing Akademik. 7. Bapak/ibu dosen serta staf pegawai Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Udayana. 8. Semua pihak dan kawan-kawan Jurusan Teknik Mesin yang telah membantu dalam menyelesaikan skripsi. Penulis menyadari bahwa skripsi ini tentu jauh dari kesempurnaan mengingat keterbatasan pengetahuan dan refrensi yang penulis miliki. Oleh karena itu kritik dan saran yang sifatnya konstruktif sangat penulis harapkan dari berbagai pihak. Sekali lagi penulis mengucapkan banyak terima kasih dan penulis memohon maaf apabila ada kekurangan ataupun kesalahan dalam penulisan skripsi ini. Bukit Jimbaran, Januari 2016
Penulis
vi
DAFTAR ISI Halaman HALAMAN JUDUL LEMBAR PENGESAHAN ......................................................................................... ii LEMBAR PERSETUJUAN ....................................................................................... iii ABSTRAK ................................................................................................................. iv ABSTRACT..................................................................................................................v KATA PENGANTAR ............................................................................................... vi DAFTAR ISI............................................................................................................. vii DAFTAR GAMBAR ................................................................................................. ix DAFTAR TABEL...................................................................................................... xi BAB I PENDAHULUAN .............................................................................................1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
Latar Belakang ......................................................................................1 Rumusan Masalah .................................................................................3 Batasan Masalah ...................................................................................3 Tujuan Penelitian ..................................................................................4 Manfaat Penelitian ................................................................................4
BAB II DASAR TEORI ...............................................................................................5 2.1 2.2 2.3 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.3.1 2.4.3.2 2.5 2.6 2.7
State Of The Art ....................................................................................5 Pipa Kalor .............................................................................................6 Tahapan P erpindahan Kalor Pada Pipa Kalor Konvensional ..............7 Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Kinerja Pipa Kalor .....................9 Container ..............................................................................................9 Fluida Kerja ........................................................................................10 Sumbu Kapiler ...................................................................................11 Screen Mesh Wick .............................................................................12 Sintered Powder .................................................................................13 Sintering ..............................................................................................14 Kompaksi Tekan .................................................................................17 Kompaksi Putar...................................................................................18
BAB III METODE PENELITIAN 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.3 3.3.1 3.3.2 3.4 3.5 3.6 3.7
Metode Penelitian ...............................................................................19 Alat dan Bahan....................................................................................21 Bahan ..................................................................................................21 Alat......................................................................................................25 Preparasi Sintered Powder Wick .........................................................30 Pembuatan Cetakan Metode Kompaksi dan Tanpa Kompaksi ...........31 Pembuatan Cetakan dan Alat Metode Putar .......................................31 Fabrikasi Sintered Powder Wick .........................................................32 Pengujian SEM ...................................................................................36 Pengujian Kapilaritas ..........................................................................36 Uji Wetability .....................................................................................37 vii
3.8 3.9 3.10 3.11
Perencanaan Pipa Kalor Lurus Bertingkat ..........................................38 Skematik Pengujian Pipa Kalor Bertingkat ........................................40 Prosedur Penelitia ...............................................................................41 Metode Pengolahan Data ....................................................................43
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ....................................................................44 4.1 Struktur Pori Sintered Powder Wick Tembaga.........................................44 4.2 Porositas Sintered Powder Wick...............................................................50 4.3 Kapilaritas Sintered Powder Wick ............................................................53 4.4 Nilai Wetability Sintered Powder Wick ...................................................56 4.5 Pengujian Terma Pipa Kalor Bertingkat dengan Sintered Powder Wick ..60 4.5.1 Analisa dan Pembahasan .......................................................................61 4.5.2 Distribusi Temperatur Pipa Kalor Bertingkat ........................................61 4.5.3 Distribusi Temperatur Permukaan Pelat Simulator ...............................65 4.5.4 Hambatan Termal Pipa Kalor Bertingkat ..............................................66 BAB V PENUTUP .....................................................................................................68 5.1 Kesimpulan ...............................................................................................68 DAFTAR PUSTAKA .................................................................................................69 LAMPIRAN
viii
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Skematik proses aliran kalor pada pipa kalor ...........................................7 Gambar 2.2 Container pipa kalor .................................................................................9 Gambar 2.3 Sumbu kapiler ......................................................................................... 11 Gambar 2.4 Screen mesh wick .................................................................................... 12 Gambar 2.5 Sintered powder wick ..............................................................................13 Gambar 2.6 Skematik proses sintering……………………… ....…………………...15 Gambar 2.7 bersatunya powder dan terbentuknya leher sintering ............................. 16 Gambar 2.8 Tumbuhnya leher sintering…………………………………………. ....16 Gambar 2.9 Sintered powder telah didinginkan…………………….………………. ....17 Gambar 2.10 Cetakan kompaksi…………………………………………….…….. ..18 Gambar 2.11 Kompaksi putar……………………………………………………... ..18 Gambar 3.1 Diagram alir penelitian……………………………………………... ....20 Gambar 3.2 Bubuk tembaga……………………………………………………... ....21 Gambar 3.3 Pipa tembaga………………………………………………………... ....21 Gambar 3.4 Silinder baja pejal…………………………………………………... ....22 Gambar 3.5 Heatsink…………………………………………………………….. ....22 Gambar 3.6 Aqua dest…………………………………………………………… ....23 Gambar 3.7 Plat tembaga………………………………………………………… ....23 Gambar 3.8 Thermal pasta………………………………………………………. ....23 Gambar 3.9 Poulyourethane………………………………………………….….. ....24 Gambar 3.10 Glasswool…………………………………………………………… ..24 Gambar 3.11 Termokopel tipe K………………………………………………….. ..25 Gambar 3.12 Plat pemanas………………………………………………………... ..25 Gambar 3.13 Regulator voltage…………………………………………………… ..26 Gambar 3.14 Tang amper…………………………………………………………. ..26 Gambar 3.15 Pompa vakum………………………………………………………....27 Gambar 3.16 Pressure gauge………………………………………………………..27 Gambar 3.17 Spuit………………………………………………………………… ..27 Gambar 3.18 Alat kompaksi………………………………………………………. ..28 Gambar 3.19 Alat Metode putar…………………………………………………... ..28 Gambar 3.20 Sintering furnace……………………………………………………. ..29 Gambar 3.21 Modul NI 9213……………………………………………………… ..29 Gambar 3.22 C-DAQ 1974………………………………………………………... ..30 Gambar 3.23 Timbangan digital…………………………………………………... ..30 Gambar 3.24 Cetakan sintered powder……………………………………………. ..31 Gambar 3.25 Alat metode putar…………………………………………………… ..31 Gambar 3.26 (a) Metode kompaksi, (b) proses sintering…………………………... 32 Gambar 3.27 (a) Metode putar, (b) proses sintering……………………………...... 33 Gambar 3.28 Uji SEM…………………………………………………………….. ..36 Gambar 3.29 Skematik pengujian kapilaritas metode jumlah massa terangkut…... ..37 Gambar 3.30 Uji wetability………………….……………………………….……. .37 Gambar 3.31 Pipa kalor lurus bertingkat……………………………………..…….. ..39 Gambar 3.32 Pipa kalor lurus bertingkat dengan sintered powder wick…….……. ..39 Gambar 3.33 Pengujian pipa kalor lurus bertingkat…………………..... .................. 40
ix
Gambar 3.34 Skematik pengujian termal pipa kalor lurus bertingkat………........... 41 Gambar 4.1 sintered powder wick temabaga………………….................................45 Gambar 4.2 Struktru poros media sintered powder wick…………………...............46 Gambar 4.3 Distribusi diameter sintered powder wick tembaga…………………...47 Gambar 4.4 Porositas sintered powder wick …………..…………………...............51 Gambar 4.5 Grafik perbandingan porositas sintered powder wick …………..…….52 Gambar 4.6 Daya kapilaritas sintered powder wick dengan variasi metode pembuatan …………..…………………………………….…. 54 Gambar 4.7 Daya kapilaritas sintered powder wick dengan variasi diameter powder …………..……………………………………….… 54 Gambar 4.8 Daya kapilaritas sintered powder wick dengan variasi suhu sintering …………..……………………………………………. 55 Gambar 4.9 Sudut kontak droplet sumbu kapiler ………………..…………..…….59 Gambar 4.10 Grafik distribusi temperatur pipa kalor bertingkat pada pembebanan 9,24 Watt ……..………………..…………..…….61 Gambar 4.11 Grafik distribusi temperatur pipa kalor bertingkat pada pembebanan 14,70 Watt ……………………..…………..…….62 Gambar 4.12 Grafik distribusi temperatur pipa kalor bertingkat pada pembebanan 21,48 Watt …………..………………................63 Gambar 4.13 Grafik distribusi temperatur pipa kalor bertingkat pada pembebanan 28,38 Watt……………………. …………..…….63 Gambar 4.14 Grafik distribusi temperatur pipa kalor bertingkat pada pembebanan 36,88 Watt ……………………..…………..…….64 Gambar 4.15 Grafik distribusi temperatur pipa kalor bertingkat pada pembebanan 46,22 Watt ……………………..…………..…….64 Gambar 4.16 Grafik distribusi temperatur pelat simulator pada variasi pembebanan ………………………………..…………..…….65 Gambar 4.17 grafik hambatan termal pipa kalor bertingkat ………………....…….67
x
DAFTAR TABEL Halaman Tabel 2.1 Compabilitas Working Fluid dengan Container .........................................10 Tabel 2.2 Tingkat porositas pada compaction pressure yang berbeda ....................... 14 Tabel 3.1 Proses metode putar, metode kompkasi, metode tanpa kompaksi ..............35 Tabel 3.2 perbandingan ukuran powder .....................................................................35 Tabel 3.3 Perbandingan suhu sintering .......................................................................35 Tabel 4.1 Data uji Termal pipa kalor bertingkat ......................................................... 61 Tabel 4. 2Distribution temperatur pelat simulator pada variasi pembebanan ............65 Tabel 4.3Hambatan termal pipa kalor bertingkat ................................................66
xi
