radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2023-26-5-63-75radioelectronics-800Research ArticleПРОЕКТИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВENGINEERING DESIGN AND TECHNOLOGIES OF RADIO ELECTRONIC FACILITIESВлияние конфигурации и формы внешних ребер герметичных корпусов технических средств на эффективность отведения тепла от процессораEffect of the Configuration and Shape of External Ribs of Sealed Enclosures of Electronic Devices on Heat Removal EfficiencyПискунГ. А.PiskunG. А.

Геннадий Адамович Пискун, кандидат технических наук (2015), доцент (2016). Автор более 110 научных работ

кафедра проектирования информационно-компьютерных систем

Сфера научных интересов – воздействие электростатических разрядов на полупроводниковые приборы; методы моделирования и оптимизации параметров радиоэлектронных компонентов, качественно улучшающие их технические характеристики

220013

ул. П. Бровки, д. 6

Минск

Gennady А. Piskun, Cand. Sci. (Eng.) (2015), Associate Professor (2016). The author more than 110 scientific publications

Department of Design of Information and Computer Systems

Area of expertise: the impact of electrostatic discharges on semiconductordevices; methods for modeling and optimizing the parameters of radio-electronic components that qualitatively improve their technical characteristics

220013

6, P. Brovki St.

Minsk

piskun@bsuir.byhttps://orcid.org/0000-0001-7056-6817АлексеевВ. Ф.АlexeevV. F.

Виктор Федорович Алексеев, кандидат технических наук (1991), доцент (1992). Автор более 300 научных работ

кафедра проектирования информационно-компьютерных систем

Сфера научных интересов – тепловая нестационарность полупроводниковых структур и интегральных схем; методы моделирования и их программная реализация; прогнозирование надежности радиоэлектронных средств

220013

ул. П. Бровки, д. 6

Минск

Victor F. Аlexeev, Cand. Sci. (Eng.) (1991), Associate Professor (1992). The authormore than 300 scientific publications

Department of Design of Information and Computer Systems

Area of expertise: thermal nonstationarity of semiconductor structures andintegrated circuits; modeling methods and their software implementation; predicting the reliability of radio-electronic equipment

220013

6, P. Brovki St.

Minsk

v.alekseev@bsuir.byСтепченковО. В.StsepchankouA. V.

Олег Витальевич Степченков, директор. Автор более 20 научных работ

Сфера научных интересов – разработка специальных ПЭВМ и СВЧ-приборов

220040

ул. Богдановича, д. 155

Минск

Aleh V. Stsepchankou, Director. The author more than 20 scientific publications

Area of expertise: development of special PCs and microwave devices

220040

155, Bogdanovicha St.

Minsk

orion@niievm.byПоповА. Н.PopovA. N.

Александр Николаевич Попов, кандидат технических наук (1988), ученый секретарь. Автор более 50 научных работ

Сфера научных интересов – моделирование и испытания радиоэлектронных средств; прогнозирование надежности радиоэлектронных средств

220040

ул. Богдановича, д. 155

Минск

Aleksandr N. Popov, Cand. Sci. (Eng.) (1988), Scientific secretary. The author more than 50 scientific publications

Area of expertise: modeling and testing of radio-electronic equipment; forecasting the reliability of radio-electronic equipment

220040

155, Bogdanovicha St.

Minsk

anp@niievm.byБеликовА. Н.BelikovA. N.

Андрей Николаевич Беликов, студент. Автор пяти научных публикаций

Сфера научных интересов – изучение и моделирование процессов тепломассообмена, протекающих в радиоэлектронных средствах

220013

ул. П. Бровки, д. 6

Минск

Andrey N. Belikov, Student

The author of 5 scientific publications

Area of expertise: modeling of thermal processes occurring in the radioelectronics devices

220013

6, P. Brovki St.

Minsk

andrech1406@gmail.comРыбаковД. Г.RybakovD. G.

Дмитрий Григорьевич Рыбаков,  студент. Автор пяти научных публикаций

Сфера научных интересов – изучение и моделирование процессов тепломассообмена, протекающих в радиоэлектронных средствах

220013

ул. П. Бровки, д. 6

Минск

Dmitry G. Rybakov, Student. The author of 5 scientific publications

Area of expertise: modeling of thermal processes occurring in the radioelectronics devices

220013

6, P. Brovki St.

Minsk

dmitry_ryb10@mail.ruУчреждение образования "Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники"БеларусьEducational Establishment "Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics"BelarusОткрытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт электронных вычислительных машин"БеларусьОpen Joint-Stock Company "NIIEVM"Belarus2023281120232656375Copyright © Пискун Г.А., Алексеев В.Ф., Степченков О.В., Попов А.Н., Беликов А.Н., Рыбаков Д.Г., 20232023Пискун Г.А., Алексеев В.Ф., Степченков О.В., Попов А.Н., Беликов А.Н., Рыбаков Д.Г.Piskun G.А., Аlexeev V.F., Stsepchankou A.V., Popov A.N., Belikov A.N., Rybakov D.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/800   Введение

   Введение. Современные технические (вычислительные, электронные) средства в большинстве случаев строятся на базе радиоэлектронных компонентов, например, процессоры, графические чипы и т. д., которые при работе выделяют десятки ватт тепловой энергии. В связи с этим одной из приоритетных задач проектирования таких устройств становится эффективное отведение посредством введения пассивных или активных систем охлаждения избыточной тепловой энергии как от полупроводниковых приборов, так и от электронных средств в целом.

   Цель работы

   Цель работы. Исследование влияния конфигурации и формы внешних ребер герметичных корпусов технических средств (ГК ТС), особенностью которых является использование внутри корпусов только пассивных систем охлаждения, а также сравнительный анализ эффективности отведения тепла от процессора для каждой рассматриваемой конструкции корпуса.

   Материалы и методы

   Материалы и методы. Эксперименты проводились на разработанных в программной среде SolidWorks Flow Simulation трехмерных параметрических моделях различных типов ГК ТС, особенностью которых являлась различная конфигурация тепловых каналов, сформированных внешним оребрением крышки корпуса.

   Результаты

   Результаты. Реализация моделей позволила исследовать процесс охлаждения процессора, установленного в современных ГК ТС, а также проанализировать влияние конфигурации и формы ребер на отведение избыточной тепловой энергии от процессора в режиме пассивного охлаждения и при обдуве ГК ТС воздухом, движущимся сверху (перпендикулярно крышке) или сбоку (параллельно крышке) при постепенном увеличении мощности процессора c 10 до 25 Вт. Показано, что оребренный корпус при пассивном охлаждении обеспечивает отвод тепла от процессора мощностью 10 Вт больше, чем неоребренный (понижение температуры составляет 4.1 °С); при 25 Вт – на 11.01 °С. Установлено, что направление (перпендикулярное или параллельное) движения воздуха при обдуве ГК ТС значительно влияет на эффективность охлаждения нагретой поверхности корпуса (при мощности процессора 45 Вт разность составляет более 10 °С).

   Заключение

   Заключение. Разработанные трехмерные модели позволили наиболее эффективно реализовать систему охлаждения теплонагруженных высокомощных радиоэлектронных компонентов, расположенных в герметичных корпусах, за счет реализации внешнего оребрения корпусов.

   Introduction

   Introduction. Modern computing and electronic devices are constructed on the basis of radio-electronic components, such as processors, graphics processing units, etc. During operation, these components emit tens of watts of thermal energy. Therefore, effective excess heat removal from both semiconductor electronic devices and electronic systems as a whole through the use of passive or active cooling systems represents an important research problem.

   Aim

   Aim. To study the influence of the configuration and shape of external ribs of sealed enclosures of electronic devices, which use solely passive cooling systems inside, on the efficiency of heat removal from the processor for eachenclosure design under consideration based on their comparative analysis.

   Materials and methods

   Materials and methods. Simulation experiments were carried out using 3D parametric models of various device types, which were developed in the SolidWorks Flow Simulation software environment. These models differed in terms of configuration of thermal channels formed by the external enclosure ribs.

   Results

   Results. The conducted simulation experiments allowed the authors to study the cooling process of processors installed in modern electronic devices. The influence of the configuration and shape of the enclosure ribs on excess heat removal from the processor was studied in a passive cooling mode and when blowing the devices with air moving from above (perpendicular to the cover) or laterally (parallel to the cover) with a gradual increase in a processor power from 10 to 25 W. A ribbed enclosure with passive cooling was shown to ensure a more effective heat removal from a 10 W processor compared to a non-ribbed enclosure (the temperature drop is 4.1 °C). For a 25 W processor, this value comprises 11.01 °C. When blowing the device, the direction (perpendicular or parallel) of air movement significantly affects the cooling efficiency of the heated surface (with a processor power of 45 W, the difference is more than 10 °C).

   Conclusion

   Conclusion. The developed 3D models effectively simulate the cooling system of heat-loaded high-power radio-electronic components located in sealed enclosures, due to the implementation of their external ribbing.

герметичный корпуснаружный обдувпассивное охлаждениепроцессортеплообментепловой режимsealed enclosureexternal airflowpassive coolingprocessorheat transferthermal conditionsРабота выполнена в рамках договора № 23-1051 на выполнение научно-исследовательской работы на тему «Моделирование тепловых процессов в безвентиляторных ПЭВМ и разработка рекомендаций по оптимизации их конструкции» (№ гос. рег. 20231182 от 13. 07. 2023)The work was performed under contract № 23-1051 for research work on the topic "Modeling of thermal processes in fanless PCs and development of recommendations for optimizing their design" (State Reg. № 20231182 dated 13. 07. 2023)ReferencesМоделирование распределения температуры в токоведущих элементах интегральных микросхем в результате воздействия электростатических разрядов / Г. А. Пискун, В. Ф. Алексеев, В. Л. Ланин, В. Г. Левин // Докл. БГУИР. 2014. № 4 (82). С. 16–22.Моделирование распределения температуры в токоведущих элементах интегральных микросхем в результате воздействия электростатических разрядов / Г. А. Пискун, В. Ф. Алексеев, В. Л. Ланин, В. Г. Левин // Докл. БГУИР. 2014. № 4 (82). С. 16–22.Основы конструирования и технологии радиоэлектронных средств / Г. М. Алдонин, А. М. Алешечкин, М. М. Валиханов, С. П. Желудько, О. А. Тронин. Красноярск: ИПЦ СФУ, 2011. 360 с.Основы конструирования и технологии радиоэлектронных средств / Г. М. Алдонин, А. М. Алешечкин, М. М. Валиханов, С. П. Желудько, О. А. Тронин. Красноярск: ИПЦ СФУ, 2011. 360 с.The Impact of ESD on Microcontrollers / G. A. Piskun, V. F. Alexeev, S. M. Avakov, V. E. Matyushkov, D. S. Titko / ed. by V. E. Alexeev. Minsk: Kolorgrad, 2018. 184 p.The Impact of ESD on Microcontrollers / G. A. Piskun, V. F. Alexeev, S. M. Avakov, V. E. Matyushkov, D. S. Titko / ed. by V. E. Alexeev. Minsk: Kolorgrad, 2018. 184 p.Яновский А. А., Каныгин Я. В. Математическое моделирование и разработка систем охлаждения процессоров персональных компьютеров // Междунар. студенческий науч. вестн. 2015. № 3–4. С. 496–498. URL: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=14148 (дата обращения 10. 06. 2023).Яновский А. А., Каныгин Я. В. Математическое моделирование и разработка систем охлаждения процессоров персональных компьютеров // Междунар. студенческий науч. вестн. 2015. № 3–4. С. 496–498. URL: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=14148 (дата обращения 10. 06. 2023).Дульнев Г. Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Высш. шк., 1984. 247 с.Дульнев Г. Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Высш. шк., 1984. 247 с.Критериальные уравнения теплообмена: расчет теплоотдачи в трубах и каналах. URL: http://thermalinfo.ru/eto-interesno/kriterialnye-uravneniya-teploobmena-raschet-teplootdachi-v-trubah-i-kanalah?ysclid=lisz04evan563077006 (дата обращения 10. 06. 2023).Критериальные уравнения теплообмена: расчет теплоотдачи в трубах и каналах. URL: http://thermalinfo.ru/eto-interesno/kriterialnye-uravneniya-teploobmena-raschet-teplootdachi-v-trubah-i-kanalah?ysclid=lisz04evan563077006 (дата обращения 10. 06. 2023).Numerical Basis of CAD-Embedded CFD. URL: https://www.solidworks.com/sw/docs/flow_basis_of_cad_embedded_cfd_whitepaper.pdf (дата обращения 10. 06. 2023).Numerical Basis of CAD-Embedded CFD. URL: https://www.solidworks.com/sw/docs/flow_basis_of_cad_embedded_cfd_whitepaper.pdf (дата обращения 10. 06. 2023).Intel® Core™ i5-10210U Processor. URL: https://ark.intel.com/content/www/us/en/ark/products/195436/intel-core-i510210u-processor-6m-cache-up-to-4-20-ghz.html (дата обращения 10. 06. 2023).Intel® Core™ i5-10210U Processor. URL: https://ark.intel.com/content/www/us/en/ark/products/195436/intel-core-i510210u-processor-6m-cache-up-to-4-20-ghz.html (дата обращения 10. 06. 2023).Intel® Core™ i5-10200H Processor. URL: https://ark.intel.com/content/www/us/en/ark/products/208016/intel-core-i510200h-processor-8m-cache-up-to-4-10-ghz.html (дата обращения 10. 06. 2023).Intel® Core™ i5-10200H Processor. URL: https://ark.intel.com/content/www/us/en/ark/products/208016/intel-core-i510200h-processor-8m-cache-up-to-4-10-ghz.html (дата обращения 10. 06. 2023).iBOX-8365UE Fanless Embedded BOX PC. URL: https://www.asrockind.com/en-gb/iBOX-8365UE (дата обращения 10. 06. 2023).iBOX-8365UE Fanless Embedded BOX PC. URL: https://www.asrockind.com/en-gb/iBOX-8365UE (дата обращения 10. 06. 2023).В мини-ПК Sparton LPC-835 используется процессор Intel Core i5 или i7 с пассивным охлаждением. URL: https://www.ixbt.com/news/2017/05/02/sparton-lpc-835-intel-core-i5-i7.html (дата обращения 10. 06. 2023).В мини-ПК Sparton LPC-835 используется процессор Intel Core i5 или i7 с пассивным охлаждением. URL: https://www.ixbt.com/news/2017/05/02/sparton-lpc-835-intel-core-i5-i7.html (дата обращения 10. 06. 2023).AIPC-A3601. URL: http://www.ask-ia.com.cn/en/products/%e5%b7%a5%e4%b8%9a%e7%94%b5%e8%84%91aipc-a3602 (дата обращения 10. 06. 2023).AIPC-A3601. URL: http://www.ask-ia.com.cn/en/products/%e5%b7%a5%e4%b8%9a%e7%94%b5%e8%84%91aipc-a3602 (дата обращения 10. 06. 2023).DX-1100. URL: https://www.cincoze.com/goods_info.php?id=286 (дата обращения 10. 06. 2023).DX-1100. URL: https://www.cincoze.com/goods_info.php?id=286 (дата обращения 10. 06. 2023).AI Vehicle Computer RSL A3 Jetson AGX Xavier. URL: https://www.syslogic.com/eng/ai-vehicle-computer-rsl-a3-jetson-agx-xavier-113419.shtml?parentPageId=113479 (дата обращения 10. 06. 2023).AI Vehicle Computer RSL A3 Jetson AGX Xavier. URL: https://www.syslogic.com/eng/ai-vehicle-computer-rsl-a3-jetson-agx-xavier-113419.shtml?parentPageId=113479 (дата обращения 10. 06. 2023).Моделирование отведения тепловой энергии от процессоров при помощи кулеров воздушного охлаждения / Г. А. Пискун, В. Ф. Алексеев, А. Н. Беликов, Д. Г. Рыбаков // Докл. БГУИР. 2023. Т. 21, № 4. С. 54–62. doi: 10.35596/1729-7648-2023-21-4-54-62Моделирование отведения тепловой энергии от процессоров при помощи кулеров воздушного охлаждения / Г. А. Пискун, В. Ф. Алексеев, А. Н. Беликов, Д. Г. Рыбаков // Докл. БГУИР. 2023. Т. 21, № 4. С. 54–62. doi: 10.35596/1729-7648-2023-21-4-54-62Перенести в английский вариантПеренести в английский вариантPiskun G. A., Alekseev V. F., Lanin V. L., Levin V. G. Modeling of Temperature Distribution in Current-Carrying Elements of Integrated Circuits as a Result of Exposure to Electrostatic Discharges. Reports of BSUIR. 2014, no. 4 (82), pp. 16–22. (In Russ.)Piskun G. A., Alekseev V. F., Lanin V. L., Levin V. G. Modeling of Temperature Distribution in Current-Carrying Elements of Integrated Circuits as a Result of Exposure to Electrostatic Discharges. Reports of BSUIR. 2014, no. 4 (82), pp. 16–22. (In Russ.)Aldonin, G. M., Aleshechkin A. M., Valikhanov M. M., Zheludko S. P., Tronin O. A. Fundamentals of Design and Technology of Radio-Electronic Means. CPI SibFU, 2011, 360 p. (In Russ.)Aldonin, G. M., Aleshechkin A. M., Valikhanov M. M., Zheludko S. P., Tronin O. A. Fundamentals of Design and Technology of Radio-Electronic Means. CPI SibFU, 2011, 360 p. (In Russ.)Piskun G. A., Alexeev V. F., Avakov S. M., Matyushkov V. E., Titko D. S. The Impact of ESD on Microcontrollers. Ed. by V. E. Alexeev. Minsk, Kolorgrad, 2018. 184 p.Piskun G. A., Alexeev V. F., Avakov S. M., Matyushkov V. E., Titko D. S. The Impact of ESD on Microcontrollers. Ed. by V. E. Alexeev. Minsk, Kolorgrad, 2018. 184 p.Yanovsky A. A., Kanygin Y. V. Mathematical Modeling and Development of Cooling Systems for Personal Computer Processors. Intern. Student Scientific Bulletin. 2015, no. 3–4, pp. 496–498. Available at: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=14148 (accessed 10. 06. 2023). (In Russ.)Yanovsky A. A., Kanygin Y. V. Mathematical Modeling and Development of Cooling Systems for Personal Computer Processors. Intern. Student Scientific Bulletin. 2015, no. 3–4, pp. 496–498. Available at: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=14148 (accessed 10. 06. 2023). (In Russ.)Dulnev G. N. Heat and Mass Transfer in Electronic Equipment. Moscow, Higher School, 1984, 247 p. (In Russ.)Dulnev G. N. Heat and Mass Transfer in Electronic Equipment. Moscow, Higher School, 1984, 247 p. (In Russ.)Criteria Heat Transfer Equations: Calculation of Heat Transfer in Pipes and Channels. Available at: http://thermalinfo.ru/eto-interesno/kriterialnye-uravneniya-teploobmena-raschet-teplootdachi-v-trubah-i-kanalah?ysclid=lisz04evan563077006 (accessed 10. 06. 2023).Criteria Heat Transfer Equations: Calculation of Heat Transfer in Pipes and Channels. Available at: http://thermalinfo.ru/eto-interesno/kriterialnye-uravneniya-teploobmena-raschet-teplootdachi-v-trubah-i-kanalah?ysclid=lisz04evan563077006 (accessed 10. 06. 2023).Numerical Basis of CAD-Embedded CFD. Available at: https://www.solidworks.com/sw/docs/flow_basis_of_cad_embedded_cfd_whitepaper.pdf (accessed 10. 06. 2023).Numerical Basis of CAD-Embedded CFD. Available at: https://www.solidworks.com/sw/docs/flow_basis_of_cad_embedded_cfd_whitepaper.pdf (accessed 10. 06. 2023).Intel® Core™ i5-10210U Processor. Available at: https://ark.intel.com/content/www/us/en/ark/products/195436/intel-core-i510210u-processor-6m-cache-up-to-4-20-ghz.html (accessed 10. 06. 2023).Intel® Core™ i5-10210U Processor. Available at: https://ark.intel.com/content/www/us/en/ark/products/195436/intel-core-i510210u-processor-6m-cache-up-to-4-20-ghz.html (accessed 10. 06. 2023).Intel® Core™ i5-10200H Processor. Available at: https://ark.intel.com/content/www/us/en/ark/products/208016/intel-core-i510200h-processor-8m-cache-up-to-4-10-ghz.html (accessed 10. 06. 2023).Intel® Core™ i5-10200H Processor. Available at: https://ark.intel.com/content/www/us/en/ark/products/208016/intel-core-i510200h-processor-8m-cache-up-to-4-10-ghz.html (accessed 10. 06. 2023).iBOX-8365UE Fanless Embedded BOX PC. Available at: https://www.asrockind.com/en-gb/iBOX-8365UE (accessed 10. 06. 2023).iBOX-8365UE Fanless Embedded BOX PC. Available at: https://www.asrockind.com/en-gb/iBOX-8365UE (accessed 10. 06. 2023).The Sparton LPC-835 Mini-PC Uses an Intel Core i5 or i7 Processor with Passive Cooling. Available at: https://www.ixbt.com/news/2017/05/02/sparton-lpc-835-intel-core-i5-i7.html (accessed 10. 06. 2023). (In Russ.)The Sparton LPC-835 Mini-PC Uses an Intel Core i5 or i7 Processor with Passive Cooling. Available at: https://www.ixbt.com/news/2017/05/02/sparton-lpc-835-intel-core-i5-i7.html (accessed 10. 06. 2023). (In Russ.)AIPC-A3601. Available at: http://www.ask-ia.com.cn/en/products/%e5%b7%a5%e4%b8%9a%e7%94%b5%e8%84%91aipc-a3602 (accessed 10. 06. 2023).AIPC-A3601. Available at: http://www.ask-ia.com.cn/en/products/%e5%b7%a5%e4%b8%9a%e7%94%b5%e8%84%91aipc-a3602 (accessed 10. 06. 2023).DX-1100. Available at: https://www.cincoze.com/goods_info.php?id=286 (accessed 10. 06. 2023).DX-1100. Available at: https://www.cincoze.com/goods_info.php?id=286 (accessed 10. 06. 2023).AI Vehicle Computer RSL A3 (Jetson AGX Xavier). Available at: https://www.syslogic.com/eng/ai-vehicle-computer-rsl-a3-jetson-agx-xavier-113419.shtml?parentPageId=113479 (accessed 10. 06. 2023).AI Vehicle Computer RSL A3 (Jetson AGX Xavier). Available at: https://www.syslogic.com/eng/ai-vehicle-computer-rsl-a3-jetson-agx-xavier-113419.shtml?parentPageId=113479 (accessed 10. 06. 2023).Piskun G. A., Alexeev V. F., Belikov A. N., Rybakov D. G. Simulation of Thermal Energy Removal from Processors Using Air Coolers. Doklady BGUIR. 2023, vol. 21, iss. 4, pp. 54–62. doi: 10.35596/1729-7648-2023-21-4-54-62. (In Russ.)Piskun G. A., Alexeev V. F., Belikov A. N., Rybakov D. G. Simulation of Thermal Energy Removal from Processors Using Air Coolers. Doklady BGUIR. 2023, vol. 21, iss. 4, pp. 54–62. doi: 10.35596/1729-7648-2023-21-4-54-62. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.