Studi Eksperimental Pengaruh Struktur Porous Metal Foam dan Kecepatan Udara pada Forced Air Convection System

Thoriq Al Aufar Amri, Ir. Indro Pranoto, S.T., M.Eng., Ph.D., IPM., ASEAN Eng.

2025 | Skripsi | TEKNIK MESIN

Manajemen termal pada perangkat elektronik berdaya tinggi menjadi krusial untuk menjaga keandalan dan memperpanjang umur komponen, di mana temperatur merupakan penyebab utama kegagalan elektronik. Konveksi udara paksa menggunakan porous metal foam menawarkan solusi pendinginan yang efektif karena kemampuannya meningkatkan luas permukaan perpindahan kalor. Penelitian mengenai porous metal foam dengan kombinasi Pores Per Inch (PPI) dan porositas rendah masih terbatas. Penelitian ini bertujuan untuk melakukan studi eksperimental guna mengkarakterisasi kinerja sistem metode pendinginan, efisiensi sistem, dan fenomena aliran pada porous metal foam dengan variasi kecepatan udara dan daya heater.

Metode yang digunakan adalah pengujian konveksi udara paksa pada kanal horizontal terhadap dua jenis spesimen aluminium porous metal foam, yaitu PM4 (4 PPI; 40% porositas) dan PM5 (5 PPI; 30% porositas). Pengujian dilakukan dengan variasi kecepatan udara Vm sebesar 1; 1,5; 2; dan 2,5 m/s serta variasi laju kalor dari 35 W hingga 70 W. Parameter yang diukur dan diamati meliputi koefisien perpindahan kalor (h), penurunan tekanan (?P), daya kipas, dan visualisasi aliran.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa spesimen PM5 secara konsisten memiliki kinerja perpindahan kalor absolut yang lebih unggul, dengan nilai h ?conv maksimum mencapai 81,29 W/m²·K pada kecepatan 2,5 m/s, dibandingkan PM4 yang mencapai 50,54 W/m²·K pada 1 m/s. Sebaliknya, PM5 juga menghasilkan ?P tertinggi sebesar 5,99 Pa, sedangkan PM4 hanya 0,87 Pa. Analisis rasio kinerja sistem (h/?P) menunjukkan bahwa rasio peningkatan tertinggi diperoleh oleh PM4 pada perbandingan kecepatan 1,5 m/s terhadap 1 m/s, yaitu sebesar 0,524. Visualisasi aliran menunjukkan adanya bypass flow pada kecepatan rendah dan penetrasi aliran yang lebih dalam pada kecepatan tinggi. Jadi, konfigurasi PM5 lebih baik dalam kapabilitas perpindahan kalor, namun PM4 lebih unggul dari segi penurunan tekanan.

Thermal management in high-power electronic devices is crucial to maintain reliability and extend component life, where temperature is the main cause of electronics failure. Forced air convection using porous metal foam offers an effective cooling solution due to its ability to increase the heat transfer surface area. Research on porous metal foam with a combination of pores per inch (PPI) and low porosity is limited. This research aims to conduct an experimental study to characterize the performance of the cooling method system, system efficiency, and flow phenomena in porous metal foam with variations in air velocity and heater power.

The method used is forced air convection testing in horizontal channels on two types of aluminum porous metal foam specimens, namely PM4 (4 PPI; 40% porosity) and PM5 (5 PPI; 30% porosity). Tests were conducted with air velocity variations Vm of 1; 1.5; 2; and 2.5 m/s and heat rate variations from 35 W to 70 W. Parameters measured and observed include heat transfer coefficient (h), pressure drop (?P), fan power, and flow visualization.

The results showed that PM5 specimens consistently had superior absolute heat transfer performance, with the maximum h ?conv value reaching 81.29 W/m²-K at 2.5 m/s, compared to PM4 which reached 50.54 W/m²-K at 1 m/s. Conversely, PM5 also produced the highest ?P of 5.99 Pa, while PM4 was only 0.87 Pa. Analysis of the system performance ratio (h/?P) showed that the highest improvement ratio was obtained by PM4 at a velocity comparison of 1.5 m/s to 1 m/s, which amounted to 0.524. Flow visualization showed the presence of bypass flow at low velocities and deeper flow penetration at high velocities. Thus, the PM5 configuration is better in terms of heat transfer capability, but PM4 is better in terms of pressure drop.

Kata Kunci : Konveksi paksa udara, Porous metal foams, Perpindahan kalor, Pressure drop, Manajemen termal