Учебное пособие 800540

Рассмотрим вариант оптимизации конструкции системы охлаждения электронного модуля в целях минимизации его веса.

Для обеспечения требуемого температурного режима электронных компонентов используется принудительное воздушное охлаждение. Несущими элементами конструкции являются пластины, образующие каналы прямоугольного сечения. На входе и выходе каналов (длиной L = 0,25 м) закреплены вентиляторы. На двух противоположных пластинах (основаниях радиатора) размещены тепловыделяющие элементы. Ширина оснований фиксирована. На основании 1 расположены два транзистора мощностью по 175 Вт, отстоящие на расстояние 10 мм. Удельная мощность тепловыделений каждого из них составляет 8·105 Вт/м2. Кроме того, на основании 1 размещены также три транзистора мощностью по 15 Вт. Размеры контактных площадок транзисторов 24×9 мм. На основании 2 расположены три преобразователя мощностью по 45 Вт, общее тепловыделение которых составляет 140 Вт. Размеры контактных площадок преобразователей 60×70 мм. При температуре воздуха на входе в каналы tвх = 50 ºС необходимо обеспечить предельную температуру контактных площадок преобразователя (95 ºС) и транзистора (80 ºС).

Площадь оснований радиатора значительно превосходит площадь контакта локальных источников теплоты. Самые мощные источники теплоты находятся в центре основания, поэтому при расчетах появляется возможность применения алюминиевых ребер в крайних областях. В рассматриваемой конструкции радиатора толщина всех ребер одинакова, также одинакова и толщина всех планок. Искомыми параметрами являются: толщины двух оснований, ребер и планок между ними, количество медных ребер и планок, количество алюминиевых ребер и планок. Как показали предварительные оценки, плотность теплового потока на основании 2 в 50 раз меньше, чем на основании 1. Поэтому на начальном этапе расчетов используем сплав алюминия для всех планок основания 2 и сплав меди — для планок основании 1. Все ребра медные. Учитывая высокую плотность теплового потока, выбираем толщину ребра d = 1 мм и толщину планки b = 1 мм. Начальная толщина обоих оснований 8 мм. Все

131

параметры выбраны в соответствии с данными аналитического расчета [1].

Построим модель радиатора в САПР SolidWorks. Сборка конструкции состоит из массива сопряженных друг с другом планок и ребер, массива транзисторов и преобразователей, закрепленных на основаниях радиатора.

Теперь, для проведения термического исследования и дальнейшей оптимизации конструкции, необходимо приложить к ней тепловые нагрузки и ограничения. Установка этих параметров производится в SolidworksSimulation. Согласно начальным условиям, в качестве нагрузки применили тепловую мощность, рассеиваемую с поверхностей транзисторов и преобразователей, в качестве ограничения было указано условие конвекции, назначенное на все внутренние поверхности воздушных каналов. Для расчета коэффициента конвекции использовали упрощенный алгоритм [2], учитывающий площадь поперечного сечения и длину канала, скорость потока воздуха, температуру окружающего воздуха и производительность вентиляторов. В результате получили, что при любой ширине канала от одного до двух миллиметров, коэффициент теплоотдачи принимает значения около 150 Вт/м ∙К,что согласно приведенной таблицы характерных коэффициентов теплоотдачи соответствует принудительной конвекции воздухом [3].

Характерные коэффициенты конвекции

	Теплоноситель и условия	Коэффициент конвекции
		,Вт/м ∙К
	Воздух (естественная конвекция)	5 - 25
	Воздух/ перегретый пар (прину-	20 - 300
	дительная конвекция
	Масло (коэффициент конвекции)	60 - 1800
	Вода(принудительная конвекция)	300 - 6000
	Вода (кипящая)	3000 - 60000

132

Окончание таблицы

Пар (конденсирующийся) 6000 - 120000

После того, как все условия указаны, необходимо создать конечно-элементную сетку модели. Для исследований в этой работе будем использовать сетку на основе кривизны с максимальной плотностью элементов для повышения точности проводимых расчетов [4]. Получившаяся сетка представлена на рис. 2.

Рис. 2. Конечно-элементная сетка

Теперь можно запустить само исследование. Термический анализ показал, что температура основания самого теплонагруженного транзистора составляет 68° С, температура основания преобразователей около 52° С. Распределение температурных полей представлено на рис. 3.

Прежде чем приступить к оптимизации конструкции, требуется описать зависимости между размерами и другими параметрами модели с помощью уравнений. Это необходимо для упрощения работы с моделью и уменьшения количества сценариев, задействованных в будущем исследовании.

Так как, ширина планок и ребер в процессе оптимизации будет меняться, опишем параметр, отвечающий за шаг массива (всего в модели задействовано три массива – массив ребер,

133

верхних и нижних планок, их шаг одинаков), как сумму ширины планки и ребра. Что бы ширина радиатора не выходила за допустимое значение необходимо контролировать количество элементов массивов. Опишем соответствующую переменную как результат деления максимально допустимой ширины радиатора в миллиметрах на шаг массива.

Рис. 3. Распределение температурных полей

Так как эта переменная может принимать дробные значения, что недопустимо для описания количества экземпляров, применим встроенную функцию "int", которая возвращает ближайшее целое число от значения результата деления. Число элементов массивов планок всегда на один меньше, чем число ребер, введем соответствующую зависимость в редактор уравнений, также сравняем ширину нижних и верхних планок.

Теперь можно перейти к оптимизации конструкции. Сначала будет исследована возможность минимизации массы радиатора путем изменения толщин планок, ребер и оснований, затем, возможность замены материала крайних ребер и планок на алюминий. Такое разделение обусловлено необходимостью уменьшения количества сценариев, которое в случае проведения всех изменений в рамках одного исследования превышает допустимое количество в 4096.

При первой попытке проведения исследования оптимизации было обнаружено, что генерируемые программой сценарии приводят к фатальной ошибке: количество элементов массивов от сценария к сценарию то уменьшалось, то увеличива-

134

лось - это приводило к тому, что лишние ребра и планки, с назначенным на них коэффициентом конвекции сначала удалялись, а затем добавлялись вновь, уже без него. Было принято решение генерировать сценарии вручную. Для этого было использовано ПО MicrosoftExcel, в котором были описаны все необходимые сценарии в порядке уменьшения количества ребер. Общая структура получившегося файла представлена на рис. 4.

Рис. 4. Общий вид сценариев

Полученный файл был сохранен в формате .csv и импортирован в САПР Solidworks.

Вкачестве переменных указали ширину планки и ребра

ивысоты оснований. Толщины ребер и планок менялись от 1 до 2 мм с шагом 0,5 мм, высоты оснований от 4 до 10 мм с шагом 2 мм. Модель будет самостоятельно перестраиваться при изменении этих параметров благодаря описанным выше зависимостям

иуравнениям.

Вкачестве ограничений был использован результат проведенного ранее термического исследования. На основание самого теплонагруженного транзистора было наложено ограничение по температуре в 80° С.

Вкачестве цели оптимизационного исследования указали минимизацию массы (рис. 5).

Здесь, во время второй попытки проведения исследования, была обнаружена ошибка уже самой САПР. Несмотря на то, что в качестве контролируемого температурного параметра был указан "максимум выбранных объектов", назначенный

135

нижней поверхности самого теплонагруженного транзистора, программа в ходе оптимизации выводила среднюю температуру этой поверхности транзистора, а не максимальную. В связи с этим возникла необходимость проведения дополнительного термического исследования, его результаты показаны на рис. 6.

Рис. 5. Результаты оптимизации

Полученная в результате оптимизации конструкция имеет следующие параметры: ширина планки 1 мм, ширина ребра 2 мм, число ребер - 32, высоты обоих оснований 4 мм, масса 8,81 кг. Массадо оптимизации составляла 12,79 кг, таким образом, она была снижена на 31%. Получившаяся температура основания транзистора составляет 78,32° С.

Рис. 6. Результат термического исследования

136

Перейдем к следующему исследованию оптимизации получившейся конструкции. Необходимо рассмотреть возможность замены материала крайних ребер и планок с меди на алюминий в целях уменьшения массы конструкции. Для этого необходимо создать индивидуальные конфигурации для каждого из интересующих нас элементов с помощью функции "Добавить конфигурацию" в дереве модели. Симметричные элементы при этом имеют одну конфигурацию, например, крайние ребра имеют конфигурацию с именем "1", крайние планки – "2" и так далее, поочередно, от края конструкции к ее центру.

Теперь, в новом исследовании оптимизации создаем переменные, каждой из которых в целях уменьшения количества сценариев присваиваем пару "ребро-планка". Всего переменных получилось десять, каждой из которых в ручном режиме создания сценариев назначили один из возможных материалов, медь или алюминий. Автоматический режим создания сценариев в данном случае не подходит, так как создает избыточное количество (10 ) не нужных комбинаций, например, когда средние ребра алюминиевые, а крайние – медные.

Ограничения и цели остались такими же, как и в первом исследовании.

В результате оптимизации 16 медных ребер и планок были заменены на алюминиевые (рис. 7), масса снижена с 8,81 кг до 6,05 кг, что составляет 47,3% от первоначальной массы конструкции.Ошибки с показаниями температуры не наблюдалось, следовательно, она возникает только при изменении в ходе оптимизации геометрических параметров модели.

Рис. 7. Результаты оптимизации конструкции

137

Таким образом, благодаря полному использованию возможностей современных САПР,становится возможным значительное повышение эффективности процесса проектирования и оптимизацииразличных конструкций, в том числе конструкций систем охлаждения электронных средств. В рамках данной работы удалось добиться снижения массы конструкции паяного биметаллического радиатора практически в два раза, что позволяет с уверенностью сказать о необходимости и целесообразности применения описанных в статье методов в широком производстве.

Литература

1.Бирюлин Г.В. Оптимизация конструкции системы охлаждения электронного модуля / Г.В. Бирюлин, В.И. Егоров, С.Ю. Муров, И.В. Невский // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. – 2012. - №3. С. – 61 – 64.

2.CadLife [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://cad.life/index/rascheti/formuli-rascheta-radiatora- oxlazhdeniya.html

3.SolidworksWebHelp [Электронный ресурс] – Режим доступа:http://help.solidworks.com/2012/Russian/SolidWorks/cwor ks/Convection_Heat_Coef-ficient.htm

4.SolidworksWebHelp [Электронный ресурс] – Режим

доступа:http://help.solidworks.com/2012/russian/solidworks/cworks/idc_h elp_meshsolid.htm

Воронежский государственный технический университет

138

УДК 681.3

С.С. Сорокин, Н.В. Ципина

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КРУГЛЫХ И ОВАЛЬНЫХ УГЛУБЛЕНИЙ НА РЕБРАХ РАДИАТОРА

В данной статье рассмотрено влияние круглых и овальных углублений на ребрах радиатора на его рассеивающую способность. Представлены результаты компьютерного моделирования трех радиатор с одинаковыми габаритными размерами

Важность повышения теплопередачи приобрела большее значение в таких областях, как микроэлектронное охлаждение, особенно в центральных технологических единицах, макро - и микромасштабных теплообменниках, Огромное количество усилий было направлено на разработку новых методов увеличения теплоотдачи от мелкозернистой поверхности до окружающей текучей среды. Для этой цели были применены ребристый турбулятор, массив штифтовых ребер и углублений.

В случае электронной промышленности, из-за спроса на более мелкие и более мощные продукты, плотность мощности электронных компонентов увеличилась. Максимальная температура компонента является одним из основных факторов, которые контролируют надежность электронных продуктов. Термическое управление всегда было одной из основных проблем в электронной промышленности, и его важность будет расти в ближайшие десятилетия.Использование радиаторов является наиболее распространенным приложением для терморегулирования в электронном оборудование. Производительность радиатора может быть оценена несколькими факторами: материалом, площадью поверхности, плоскостностью контактных поверхностей, конфигурацией и требованиями вентилятора[1].

Было проведено исследование, чтобы определить, могут ли углубления на ребрах радиатора увеличить теплопередачу. Это было выполнено путем проведения теплового моделирования с помощью программы SolidWorks. Для проведения моделирование был выбран ребристый радиатор из алюминия с размерами, представленными на рис.1.

139

Рис. 1. Размеры исходного радиатора

Для проведения был выбран модуль питания размерами 30х70 мощность тепловых потерь, 6 Вт. После того, как все начальные условия заданы, выполняем тепловой расчет. Результаты расчета представлены на рис. 2.

Рис. 2. Результаты теплового моделирование исходного радиатора

140