Numeryczno-empiryczna analiza przepływu ciepła w prostopadłościennych kanałach modułowych urządzeń elektronicznych

Stanisław K U C Y P E R A

NUMERYCZNO-EM PIRYCZNA ANALIZA PRZEPŁYW U CIEPŁA W PROSTOPADŁOŚCIENNYCH KANAŁACH M ODUŁOW YCH URZĄDZEŃ ELEKTRONICZNYCH

S tre sz c z e n ie . W p racy przedstaw iono o g ó ln ą ch arakterystykę m etod c h ło d ze n ia u- rządzeń elektronicznych. O pisano krótko geom etrię an alizow anego kanału. O pisano tak że n u m e ry c z n ą m etodę obliczeń i schem at stanow iska d o badań ekspery m en taln y ch . W ykonano analizę w p ły w u n iektórych p aram etró w pracy, np. rozkładu p ręd k o ści cz y n ­ n ik a chłodzącego i generow anego strum ienia ciepła n a tem peraturę złącz p ó łp rzew o d n i­

kow ych. Podano w ybrane w yniki analizy num erycznej i eksperym entalnej.

NUMERICAL AND EMPIRICAL ANALYSIS OF THE HEAT TRANSFER WITHIN RECTANGULAR MODULE DUCTS OF ELECTRONICS

EQUIPMENT

S u m m a ry . In this p ap er the general characterization o f the cooling m ethods o f the electro n ics eq u ip m en t have been presented. T he geom etry o f the an aly sed d u ct h as been described. T he num erical m ethod o f calculations an d the sch em a o f th e m easu rin g stand to th e eksperim ental reaserches h ave b een described too. T he influence o f som e p aram e­

ters o f th e w ork eq. the d istribution o f the velocity and generated heat-flux on the se m i­

co n d u cto r ju n c tio n s tem perature have been analysed. T he ch o sen resu lts o f th e n u m eri­

cal and eksperim ental analysis have been given.

1. Wstęp

W b u dow anych w sp ó łcześn ie urządzeniach elektronicznych (w ty m w aparatu rze p o m ia ­ rowej, w zm acniaczach, m ikrokom puterach itp.) w ykorzystuje się g łó w n ie p rzy rząd y p ó łp rz e ­ w odnikow e, a w szczególności układy scalone. U kłady te s ą m ontow ane n a p ły tk ach m o d u ło ­ wych. W zw iązk u ze zw iększeniem m iniaturyzacji w elek tro n ice istnieje k o n iecz n o ść u p a k o ­ wania co raz to w iększej liczby p rzy rząd ó w p ółprzew odnikow ych na p ły tk ach m o d u ło w y ch urządzeń elektronicznych. N a skutek przepływ u prądu elektrycznego i strat m ocy elektrycznej

w czasie pracy urządzenia elektronicznego w jeg o elem entach m ocy w ydziela się ciepło (tzw.

cicplo Jo u le ’a). W celu uniknięcia nadm iernego zw iększenia tem peratury przyrządu, a w szczególności najbardziej czułego je g o m iejsca, tzn. obszaru czynnego półprzew odnika, czyli złącza półprzew odnikow ego, ciepło w ydzielane w przyrządzie półprzew odnikow ym odpro­

w adzane je s t do je g o układu chłodzenia. K ażdy przyrząd półprzew odnikow y charakteryzuje się d o p u szczaln ą tem peraturą pracy obszaru czynnego. Jeżeli układ chłodzenia przyrządu pół­

przew odnikow ego je s t niew łaściw y, to m oże nastąpić przekroczenie dopuszczalnej tem peratu­

ry obszaru czynnego, co w początkow ej fazie w pływ a n a zm ianę je g o p aram etrów elektrycz­

nych, a w ostateczności prow adzi do zniszczenia struktury półprzew odnikow ej. Je s t to rów no­

znaczne z uszkodzeniem przyrządu półprzew odnikow ego i całego urządzenia elektroniczne­

go. Stąd też problem nagrzew ania się złącz półprzew odnikow ych pod w pływ em rozpraszanej m ocy elektrycznej w pracujących przyrządach półprzew odnikow ych je s t je d n y m z najistot­

niejszych czynników decydujących o trw ałości i niezaw odności działania u rządzeń elektro­

nicznych. Z d anych literaturow ych [1] w ynika, że zw iększenie w artości tem peratury obszaru czynnego półprzew odnika ze 120°C na 150°C m oże spow odow ać dziesięciokrotne skrócenie czasu pracy urządzenia elektronicznego. D latego w ażnym p roblem em w projektow aniu urzą­

dzeń elektronicznych je s t dobór odpow iedniego układu chłodzenia. D obór ten m usi opierać się na w nikliw ie przeprow adzonych analizach cieplnych i przepływ ow ych w urządzeniach elektronicznych. Stąd też analiza cieplna i przepływ ow a staje się je d n y m z w ażnych proble­

m ów w projektow aniu, konstruow aniu i eksploatacji urządzeń elektronicznych. O kreślenie dopuszczalnych w artości m ocy w ydzielanych w przyrządach półprzew odnikow ych o raz od­

pow iednich param etrów układów chłodzenia dokonuje się często na podstaw ie w yników p o ­ m iarów bądź uproszczonych m odeli m atem atycznych [2,3]. K oszty i czas trw ania pom iarów o raz trudności w zbadaniu w pływ u w iększej liczby czynników na param etry p racy urządzenia elektronicznego w czasie pom iaru uniem ożliw iają stosow anie na szeo k ą skalę badań ekspe­

rym entalnych. D latego coraz w iększego znaczenia nabiera m odelow anie m atem atyczne zja­

w isk cieplnych, zachodzących w urządzeniach elektronicznych. W edług autora niniejszej pra­

cy najlepsze praktyczne efekty w analizie cieplno-przepływ ow ej m ożna osiągnąć stosując obie m etody badań, tzn. analizę nu m ery czn ą i eksperym entalną. W przypadku stosow ania tylko m odelow ania m atem atycznego, w celu oceny przydatności m odelu, w yniki obliczeń uzyskane za p o m o cą m odeli m atem atycznych należy zaw sze zw eryfikow ać eksperym entalnie. W ów czas takie m odele um ożliw iają badanie w pływ u różnych param etrów na rozkład tem peratury w przyrządzie, a także dobór cech konstrukcyjnych urządzenia ju ż w fazie je g o projektow ania.

Jak w spom niano w cześniej, jed n y m z w ażnych czynników decydujących o nagrzew aniu się złącz, a tym sam ym o trw ałości i niezaw odności pracy urządzenia elektronicznego, je s t spo­

sób je g o chłodzenia. W przypadku w ym uszonego chłodzenia przyrządów półprzew odniko­

w ych znajdujących się w kanale m odułow ym m odelow anie m atem atyczne um ożliw ia badanie w pływ u różnych param etrów (np. rozkładu prędkości czy tem peratury czynnika chłodzącego) na tem peratuę obszaru czynnego półprzew odnika. W prezentow anej pracy połączono analizę obliczen io w ą i eksperym entalną. U żyw ając program u obliczeniow ego przeprow adzono m ię­

dzy innym i sym ulację num eryczną rozkładu prędkości czynnika chłodzącego, przepływ ające­

go w ew nątrz kanału, oraz w ykonano analizę w pływ u tego rozkładu n a tem peraturę przyrządu półprzew odnikow ego, znajdującego się na p ły tce m odułow ej. N ato m iast eksp ery m en taln ie analizow ano w pływ w artości strum ienia ciepła generow anego w o bszarze czynnym , przy sta­

łej prędkości czy n n ik a chłodzącego na w artość tem peratury obszaru czynnego.

2. Ogólna charakterystyka metod chłodzenia urządzeń elektronicznych i opis analizowanego układu

P o d staw o w ą w ie lk o śc ią o k reślają cą sposób chłodzenia przyrządu pó łp rzew o d n ik o w eg o jest strum ień ciepła generow any w je g o strukturze. W zależności od w artości stru m ien ia c ie ­ pła generow anego w strukturze półprzew odnikow ej stosow ane s ą cztery po d staw o w e m etody chłodzenia p rzy rząd ó w półprzew odnikow ych:

- pow ietrzne (z w ym uszonym b ądź sw obodnym przepływ em czy n n ik a chłodzącego), - term oelektryczne,

- czyste chłodzenie cieczow e z w ym uszonym przepływ em ,

- chłodzenie cieczow e połączone z p rzem ian ą fazo w ą czy n n ik a chłodzącego.

D w ie o statn ie m etody w ykorzystyw ane s ą do chłodzenia przyrządów , w których m oc cieplna generow ana w obszarze czynnym półp rzew o d n ik a w ynosi od kilk u d ziesięciu do k il­

kuset w atów . D la m n iejszy ch w artości m ocy n ajtań szą i najczęściej sp o ty k a n ą m e to d ą c h ło ­ dzenia je s t chłodzenie pow ietrzem z w ym uszonym b ąd ź sw obodnym p rzep ły w em czy n n ik a chłodzącego. W p rzy p ad k u ch ło d zen ia po w ietrzem urząd zen ia elektroniczne m a ją kan ały m o ­ dułowe utw orzone p rzez pły tk i m odułow e i obudow ę zew n ętrzn ą urządzenia. W zależn o ści od typu urządzenia elektronicznego kanały te na ogół s ą różnych w ym iarów , tzn. m a ją różne wartości p rzek ro jó w poprzecznych ja k i długości [4]5]. U rządzenia elektroniczne m o g ą m ieć jeden lub k ilk a takich kanałów . W kanałach ty ch do p ły tek m o d u ło w y ch p rzy m o co w y w an e s ą elem enty grzejne w postaci pojedynczych przyrządów p ó łprzew odnikow ych, tzn. diod, tran ­ zystorów, tyrystorów , najczęściej zaś u k ład ó w scalonych. C iepło generow ane w elem en tach mocy (grzejnych) m onto w an y ch na pow ierzchni p ły tek m o d u ło w y ch o dprow adzane je s t d ro g ą konwekcji do czy n n ik a chłodzącego, p rzepływ ającego w ew n ątrz kanału, b ą d ź dodatk o w o w ym ieniane je s t p rzez prom ien io w an ie m iędzy pły tk am i m odułow ym i i ścianam i obudow y.

W przypadku w y m uszonego chłodzenia płytki m odułow ej istotny je s t dob ó r p rędkości p rze­

pływu czy n n ik a chłodzącego, rozm ieszczenia elem en tó w grzejnych na p ły tce m o d u ło w ej, a także w zględne w ym iary elem en tó w grzejnych i płytki m odułow ej. U proszczony schem at poglądow y pojedynczego kanału m odułow ego p okazano na rysunku 1.

R y s .l. Schem at części kanału modułowego dla typowego urządzenia elektronicznego Fig. I . Sketch o f a part o f the modul duct for typical elektronics equipm ent

3. Analiza numeryczna

3 .1 . O p is m etod y ob liczeń i an alizow an ego układu

A n alizę p rzep ły w u ciep ła w k an ała ch m odułow ych p rzeprow adzono w y k o rzy stu jąc zaku­

p io n y p rz e z In sty tu t T echniki C ieplnej P olitechniki Śląskiej p ro g ram o b liczen io w y FLU EN T.

Program ten napisany je s t w o parciu o m etodę b ilan só w elem en tarn y ch ł w zależności o d w y­

branej opcji m oże by ć stosow any do rozw iązyw ania różnych p ro b lem ó w ciep ln y ch i przepły­

w ow ych. W prezentow anej pracy w ybrano opcję, któ ra u m ożliw ia m ięd zy innym i: 1 - rozpa­

tryw anie trójw ym iarow ego p o la tem peratury w układzie kartezjań sk im , 2 - analizę ustalonego lub n ieu stalo n eg o p o la tem peratury, 3 - uw zględnienie w y stęp o w an ia w an alizo w an y m obsza­

rze ob jęto ścio w y ch źródeł ciepła o skończonych rozm iarach, 4 - uw zg lęd n ien ie z m ian para­

m etrów term o fizy czn y ch m ateriałó w z tem peraturą, 5 - uw zględnienie p rzep ły w u cie p ła od p ow ierzchni zew n ętrzn y ch p ły tek m odułow ych do otoczenia d ro g ą k o n w ek cji w ym uszonej i p ro m ien io w an ia, 6 - rozpatryw anie zm ian tem peratury i prędkości p rzep ły w u czy n n ik a ch ło ­ d zącego na w lo cie do kanałów .

W ykorzystując o p is a n ą opcję p rzeprow adzono analizę w pływ u ró żn y ch p aram etró w ciepl­

nych i przep ły w o w y ch na rozkład tem peratury w kanale m odułow ym . W sym ulacji num e­

rycznej zam o d elo w an o kanał m odułow y (rys. ł) , który m iał w ym iary p o p rzeczn e 150-40 m m 2, z p ły tk ą m o d u ło w ą o gru b o ści 5 = 2 m m . Z e w zględu n a ko n ieczn o ść dokładnej identyfikacji w arunków o b liczen io w y ch do m o d elo w an ia w ykorzystano, ja k o elem en t g rzejny, p ły tk ę ce­

ra m ic z n ą z c ie n k ą w a rstw ą o p o ro w ą o w y m iarach 26-27 m m 2. P ły tk a z am o n to w a n a była 150 m m przed w y lo tem z kanału. W obliczeniach przed staw io n y ch w pracy z ad an a b y ła stała p rędkość p o w ietrza w =2 m /s w odległości 500 m m p rzed p ły tk ą g rz e jn ą o raz stała m oc ciep l­

na P=5 W.

3.2. P rzyk ład ow e w y n ik i an alizy num erycznej

W ybrane w y n ik i analizy num erycznej przedstaw iono na rys.(2-4).

?.!£e»a¡

ł.93e«00

! JSe*0G 106e«CC a.uc-01 5.41 e-c i

s '/'e-0.1

Rys.4. Rozkład tem peratury na płytce grzejnej i modułowej Fig.4. Tem perature distribution on the heating plate and modul plate

Rys.2. Rozkład prędkości powietrza .w kanale na wysokości 1 mm nad płytką grzejną Fig.2. Velocity distribution o f air in the duct 1 mm over the heating plate

Rys.3. Rozkład tem peratury pow ietrza w kanale na wysokości I mm nad płytką grzejną Fig.3. Tem perature distribution o f air in the duct 1 mm over the heating plate

_*i5á-33 1404* .02

|3JÜr*tó

|2 S t t * 0 2

|3 Í S e < ¡ E

■ 3>5?r*C2

|3 .4 će -G 2

I SJKe.02

1223^02

| 2 . n e . C 2

*¡3CCe*02

P rzed staw io n e na rysunkach (2-4) rozkłady prędkości i tem peratury n a su w a ją następujące spostrzeżenia:

1. W ystępujące na rys.2 zaburzenie w zdłużnego rozkładu pręd k o ści w o kolicach płytki grzej­

nej m oże być sp ow odow ane położeniem sam ej płytki i prąd am i konw ekcyjnym i.

2. Z w ężający się profil tem peratury p o w ietrza za p ły tk ą g rz e jn ą (rys.3) sp o w o d o w an y jest zasysaniem ch ło d n iejszy ch cząsteczek pow ietrza opływ ającego p ły tk ę z boku.

3. S to su n k o w o w yrów nany rozkład tem peratury płytki m odułow ej (rys.4) sp o w o d o w an y jest g łó w n ie je j n agrzew aniem ciepłym pow ietrzem chłodzącym .

4. Analiza eksperymentalna

4.1. O pis sta n o w isk a pom iarow ego

S chem at stan o w isk a pom iarow ego przedstaw iono na rysunku 5. D o p o m iaró w w części sterującej i zap isu danych p om iarow ych w ykorzystano układ steru jąco -p o m iaro w y , [6]. kanał p o m iaro w y i p ły tk a g rzejn a były p o d o b n y ch w ym iarów ja k w części obliczeniow ej niniejszej

WIELKOŚCI

Rys.5. Schemat stanow iska pom iarowego: 1 - dm uchawa, 2 - otametr, 3 - kanał pom iarowy, 4 - płytka grzejna, 5 - term opara, 6 - anem om etr, 7 - struga powietrza

Fig.5. Schem a o f a m easurem ent stand: I - air blower, 2 - rotam etr, 3 - m easurm ent duct, 4 - het plate, 5 - ther­

m ocouple, 6 - anem om etr, 7 - air flux

pracy. P łytka grzejn a o m yw ana była stru g ą pow ietrza p rzep ły w ającą w pro sto k ątn y m k anale z różną p ręd k o ścią średnią. P ow ietrze tłoczono za p o m o cą d m uchaw o m ałej w ydajności. Z e względu n a p otrzebę uzyskania ustalonego rozkładu prędkości pow ietrza przep ły w ająceg o nad płytką g rzejn ą zastosow ano kanał długi, a płytka um ieszczona b y ła u w y lo tu kanału. P o m iar wydajności dm u ch aw m ierzono rotam etrem , a p rędkości strgi pow ietrza anem om etrem o p o ­ rowym. N ato m iast tem peraturę płytki grzejnej m ierzono term o p arą um ieszczo n ą p om iędzy płytką g rzejn ą i p ły tk ą z pleksi. P odobnie ja k w [6] ró w n ież tutaj p rzed p o m iaram i w łaści­

wymi d o konano sk alo w an ia term opar.

4.2. P rzyk ład ow e w y n ik i an alizy ek sperym entalnej

W ybrane w yniki analizy eksperym entalnej przedstaw iono na iys.(6-8).

A nalizując p rzed staw io n e w ykresy m o żn a łatw o stw ierdzić, że:

1. Na rys.6,7 w idać w yraźnie liniow y w pływ generow anej m ocy cieplnej n a tem p eratu rę o b ­ szaru czynnego, przy stałej prędkości czynnika chłodzącego.

2. Z przeprow adzonej analizy w y n ik a nieliniow y w pływ rozkładu prędkości czy n n ik a c h ło ­ dzącego na w artość tem peratury obszaru czynnego, rys.8.

Generowana moc cieplna, W

Rys.6. Zależność tem peratury obszaru czynnego w funkcji generowanej m ocy cieplnej dla prędkości pow ietrza w =1.9 m/s

Fig.6. Tem perature o f the sem iconductor junction as a function o f generated pow er for the velocity o f air w =1.9 m/s

120.00

100.00

80.00 —

60.00 —

40.00 T

1.00 2.00 3.00 4 .0 0 5.00

6.00

Rys.7. Zależność tem peratury obszaru czynnego w funkcji generowanej mocy cieplnej dla prędkości powietrza w =5.2 m /s

Fig.7. Tem perature o f the sem iconductor junction as a function o f generated pow er for the velocity o f air w =5.2 m/s

Prędkość powietrza opfywająoego płytkę, rrVs

Rys.8. Zależność tem peratury obszaru czynnego w funkcji prędkości przepływ ającego pow ietrza dla m ocy gene­

rowanej P=5.7 W

Fig.8. Tem perature o f the sem iconductor junction as a function o f air velocity for generated pow er P=5.7 W

4. W nioski i uwagi końcowe

N a p o d staw ie w ykonanej analizy num erycznej i em pirycznej m o żn a w yciągnąć n astęp u ją­

ce w nioski końcow e:

1. Z w ykonanej analizy w y n ik a w y raźny w pływ rozkładu prędkości czy n n ik a ch ło d zą ceg o n a w artość tem peratury obszaru czynnego płytki grzejnej.

2. W przep ro w ad zo n y ch cieplno-przepływ ow ych an alizach num erycznych w y stąp iła asy m e­

tria w p o ło żen iu m aksym alnej tem peratury na płytce grzejnej. A sy m etria ta nie p o jaw iła się w cieplnej analizie num erycznej ze stałym w spółczynnikiem w n ik an ia ciep ła od po­

w ierzchni płytki do otoczenia.

D alszym zam ierzen iem au to ra je s t głów nie w ykonanie analizy w zajem nego o d d ziały w a n ia cieplno-przepływ ow ugo d la p ły tek grzejnych o różnych w y dajnościach stru m ien ia ciepła. B a­

dania te s ą bardzo w ażne d la elektroniki, g d y ż w czasie pracy urządzenia elek tro n iczn eg o przyrządy p ó łrzew o d n ik o w e o d d ziału ją na sieb ie cieplnie bezpośrednio p rzez p ro m ien io w an ie i w w y n ik k onw ekcji p o p rzez czynnik chłodzący.

LITERATURA

1. G enet M .: T herm al archtecture m ade w ith specific com ponents. S ession PII. C o m p o n en ts m anufacturin tech n o lo g ies, p p 773-803, 1982

2. Pelc T ., B orczyński J.: O dprow adzanie ciepła z p rzyrządów półprzew o d n ik o w y ch . W kł, W arszaw a 1986

3. Stępień St.: Poradnik k o nstruktora sprzętu elektronicznego. W N T, W arszaw a 1981

4. Y eb L .T., G ringrich W .K .: N um erical solutions for a m ulti-channal co u n terflo w h eat ex­

ch anger w ith space-dependent w all heat dissipations, 8th International H eat T ran sfer C o n fe­

rence, vol. 6, San F rancisco 1989

5. Incropera F.P. i inni: C onvection h eat transfer from discrete heat sources in rectan g u lar channal. Int. J. o f H eat and M ass T ransfer. V ol 29.1993

6. K ucypcra S.: E m piryczne badanie w ym iany ciepła od m ałych płaskich p o w ierzch n i zn ajd u ­ ją c y c h się w gazach rozrzedzonych. ZN Pol.Śl. ser. A utom atyka (w druku).

R ecenzent: D oc. d r inż. A ntoni G uzik

W płynęło do R ekacji 20. 07. 1998 r.

A bstract

In general the elem en ts o f electronics equipm ent, i.e. m odule p lates tog eth er w ith sem i­

co n d u cto r devices and external chassis create regular rectangular ducts, so called m odule ducts.

D uring the o peration o f the electronics equipm ent the heat is g enerated in th e sem icon­

d uctor devices. T h at h eat is transferred to the cooling agent w hich flow s a lo n g the duct. In the case the coo lin g sy stem w orks im properly, the tem perature w ithin the sem ico n d u cto r elem ent (especially in th e sem ico n d u cto r ju n c tio n ) can arise above adm issible level, w h at can dam age sem ico n d u cto r elem en t and finally the w hole equipm ent. To avoid m entioned effects th e co­

olin g system o f th e electronic system sh ould be carefully designed taking into consideration heat and flow analysis.

P resen t p ap er sh o w s the resu lts o f num erical m o d elin g o f the velocity d istrib u tio n o f the co o lan t w ith in th e duct. Influence o f the velocity d istribution on the tem perature o f the sem i­

conductor device is analyzed.

T he m easu rin g stand is built and th e influence o f the generated h e a t flux on the sem icon­

d u cto r ju n c tio n tem perature is analyzed too.

Som e chosen results o f analysis are presented in fig. (2-4) and fig. (6-8).