Моделирование и оптимальное проектирование системы жидкостного охлаждения электронного модуля

1.

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
(ФГБОУ ВО «ВГТУ», ВГТУ)
Воронин Данила Романович
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЖИДКОСТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО
МОДУЛЯ
Направление подготовки/специальность 11.04.03 «Конструирование и технология электронных средств»
(код, наименование)
Профиль/программа/направленность Теплофизические процессы в электронных средствах
Руководитель:
Самойленко Наталья Эдуардовна, Ципина Наталья Викторовна
Воронеж 2023
1

2.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Целью работы является компьютерное моделирование и оптимизация лабораторного
стенда, разработанного на кафедре КИПР.
Для достижения поставленной цели представляется необходимым решение следующих
задач:
• Разработать модель исследуемого блока.
• Произвести моделирование в различных средах и сравнить результаты.
• Провести оптимизацию различных параметров конструкции.
2

3.

Описание блока
Проектируемым объектом является алюминиевый блок, внутри которого находится дистиллированная
вода и транзистор КТ805А. Размеры блока 114х64х56 мм. Мощность транзистора установлена на
уровне 3 Вт.
3

4.

Параметры проекта и сетка
Материал корпуса
Алюминий
Материал транзистора
Сплав железо-кремний-бор (Fe-Si-B)
Материал жидкости
Дистиллированная вода
Мощность транзистора
3 Вт
Коэффициент конвекции
5,7 Вт/(м2∙К)
4

5.

Моделирование в FLOEFD
5

6.

Результат моделирования и вывод (FLOEFD)
Мощность
3 Вт
Средняя температура жидкости
38,59 oC
Средняя температура корпуса
34,9 oC
Максимальная температура транзистора
55,47 oC
Исходя из температуры кипения жидкости в 100 oC, мы
можем повысить мощность транзистора.
6

7.

COMSOL. Сетка и результат исследования
Мощность
3 Вт
Средняя температура жидкости
33,7 oC
Средняя температура корпуса
30,03 oC
Максимальная температура транзистора
49,98 oC
7

8.

Результат исследования в COMSOL
8

9.

Результат моделирования в COMSOL и вывод
COMSOL​
FLOEFD​
P​
tср жидкости, oC
tср корпуса, oC
tмакс транзистора, oC
tср жидкости, oC
tср корпуса, oC
tмакс транзистора, oC
3​
33,7​
30,03​
49,98​
38,59​
34,9​
55,47​
• Можно сделать вывод, что мы получили достаточно разные
результаты в двух программах. Разница составила около 5oC . В связи
с этим было решено провести ряд исследований для сравнения
результатов.
9

10.

Сравнение результатов в FLOEFD и COMSOL
COMSOL
FLOEFD
P
tср жидкости, oC
tср корпуса, oC
tмакс транзистора, oC
tср жидкости, oC
tср корпуса, oC
tмакс транзистора, oC
3
33,7
30,03
49,98
38,59
34,9
55,47
6
47,4
40,6
79,97
57,14
49,78
90,9
9
61,1
50,9
109,96
75,63
65,44
125,97
12
74,8
61,2
139,95
94,16
79,53
161,28
15
88,5
71,5
169,93
112,69
94,4
196,59
10

11.

Сравнение результатов в виде графика и выводы
Разница в средней температуре жидкости составила от 4,89 до 24,19 oC; в средней температуре корпуса от 4,87 до
22,9 oC; в максимальной температуре транзистора от 5,49 до 26,66 oC. Связано это может быть с различными
расчётными моделями программ. Определить, какая из этих моделей считает правильно, можно проведя реальный
эксперимент.
11

12.

Оптимизация по местоположению транзистора
Min X
Min Y
Min Z
20 мм
20,5 мм
15,4 мм
Max X
Max Y
Max Z
94 мм
43,5 мм
37,8 мм
Как можно увидеть, температуру транзистора удалось
снизить на 9,13oC. Средняя температура жидкости
также была снижена на 2,21oC. Средняя температура
корпуса, в свою очередь, поднялась на 0,72oC.
12

13.

Результаты оптимизации по местополежению и выводы
Мощность
3 Вт
Средняя температура жидкости
31,49 oC
Средняя температура корпуса
30,75 oC
Максимальная температура транзистора
40,85 oC
Теперь можно сделать некоторые выводы по поводу полученных результатов оптимизации. Транзистор программа
поместила возле как можно большего количества стенок и наиболее плотно к ним. Причиной этому является
кондуктивная теплопередача.
13

14.

Моделирование с оребрённой крышкой
Мощность
3 Вт
Средняя температура жидкости
24,63 oC
Средняя температура корпуса
23,56 oC
Максимальная температура
32,99 oC
транзистора
14

15.

Оптимизация по материалам
Материал
Средняя t корпуса
Средняя t жидкости
Максимальная t транзистора
Медь
23,7 oC
24,65 oC
33,48 oC
Алюминий
23,56 oC
24,63 oC
32,99 oC
Сталь
24,63 oC
25,81 oC
37,23 oC
Тип
Средняя t корпуса
Средняя t жидкости
Максимальная t транзистора
Дистиллированная вода
23,56 oC
24,63 oC
32,99 oC
Dynalene HC-10
23,79 oC
24,76 oC
33,87 oC
Антифриз
23,63 oC
25,81 oC
37,23 oC
корпуса
жидкости
15

16.

Оптимизация ребер крышки
До оптимизации
После оптимизации
Вес
tср жидкости
tср корпуса
tмакс транзистора
Вес
tср жидкости
tср корпуса
tмакс транзистора
477 г
24,63oC
23,56 oC
32,99 oC
344 г
24,99 oC
23,97 oC
33,43 oC
В итоге удалось снизить вес конструкции на 133 г. При этом
температура корпуса поднялась на 0,41oC; температура
жидкости на 0,36oC; температура транзистора на 0,44oC.
16

17.

Возможности исследования модели в будущем
- оптимизация основания и топологическую оптимизацию рёбер
крышки;
- верификация моделирования и оптимизаций будет проведена по
результатам эксперимента на стенде, параллельно разрабатываемом
на кафедре КИПР;
- сравнение с результатами аналитического расчёта.
17