Влияние конфигурации и формы внешних ребер герметичных корпусов технических средств на эффективность отведения тепла от процессора

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

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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).

5. Дульнев Г. Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Высш. шк., 1984. 247 с.

6. 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).

7. 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).

8. 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).

9. 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).

10. iBOX-8365UE Fanless Embedded BOX PC. URL: https://www.asrockind.com/en-gb/iBOX-8365UE (дата обращения 10. 06. 2023).

11. 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).

12. 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).

13. DX-1100. URL: https://www.cincoze.com/goods_info.php?id=286 (дата обращения 10. 06. 2023).

14. 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).

15. 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: 10.35596/1729-7648-2023-21-4-54-62

16. Перенести в английский вариант

17. 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.)

18. 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.)

19. 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.

20. 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.)

21. Dulnev G. N. Heat and Mass Transfer in Electronic Equipment. Moscow, Higher School, 1984, 247 p. (In Russ.)

22. 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).

23. 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).

24. 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).

25. 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).

26. iBOX-8365UE Fanless Embedded BOX PC. Available at: https://www.asrockind.com/en-gb/iBOX-8365UE (accessed 10. 06. 2023).

27. 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.)

28. 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).

29. DX-1100. Available at: https://www.cincoze.com/goods_info.php?id=286 (accessed 10. 06. 2023).

30. 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).

31. 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.)