TUTCRIS - Tampereen teknillinen yliopisto

TUTCRIS

Optimization of Fin Arrays Cooled by Forced or Natural Convection

Tutkimustuotos

Yksityiskohdat

AlkuperäiskieliEnglanti
KustantajaTampere University of Technology
Sivumäärä71
ISBN (elektroninen)978-952-15-4175-9
ISBN (painettu)978-952-15-4171-1
TilaJulkaistu - 24 elokuuta 2018
OKM-julkaisutyyppiG5 Artikkeliväitöskirja

Julkaisusarja

NimiTampere University of Technology. Publication
Vuosikerta1558
ISSN (painettu)1459-2045

Tiivistelmä

Elektroniset komponentit tarvitsevat jäähdytystä, jotta niiden käyttölämpötilat pysyvät sallittujen raja-arvojen sisällä. Mikäli sallitut käyttölämpötilat ylitetään, komponenttien käyttöikä laskee merkittävästi. Haasteena onkin, että komponenttien tehotiheydet ovat kasvaneet merkittävästi viime vuosikymmeninä, jolloin niiden lämmönpoisto vaatii käytännössä jäähdytyspinta-alan kasvattamista jäähdytysrivastojen avulla. Optimaalisen jäähdytysrivaston suunnittelu ei ole kuitenkaan helppoa, koska sen geometrinen rakenne, ja käyttöympäristö, vaikuttavat sen lämmönsiirtotehoon.

Tässä työssä esitetään nopea metodi tietyn komponenttijakauman jäähdyttämiseen tarkoitetun jäähdytysrivaston optimoinnille. Optimoinnissa vaaditaan yleensä vähintään satojen erilaisten rakenteiden lämpötilajakaumien laskeminen, jotta löydetään optimaalinen geometria. Nämä laskennat kuluttavat paljon CPU-aikaa, jos ne tehdään virtauslaskennalla (CFD). Ratkaisuna tässä työssä esitetään nopea laskentamalli, joka suoriutuu lämpötilakentän laskennasta huomattavasti CFD:tä nopeammin. Laskentamallissa hyödynnetään nopeita 1D-ratkaisuja ilmavirtauksen keskimääräisille nopeus- ja lämpötilajakaumille, ja niillä korvataan CFD:n yksityiskohtaisemmat ilman nopeus- ja lämpötilajakaumien 3D-ratkaisut. Ainoastaan jäähdytysrivaston lämpötilakenttä ratkaistaan kolmiulotteisesti. Näillä muutoksilla uusi laskentamalli on yli tuhat kertaa CFD:tä nopeampi jäähdytysrivaston lämpötilakentän laskennassa.

Laskentamallin soveltuvuutta optimointiin testattiin vertailemalla sillä laskettuja arvoja analyyttisiin laskentoihin, CFD-laskentoihin ja kokeellisiin tuloksiin. Laskentamallin antamat tulokset komponenttien maksimilämpötiloille poikkesivat alle 10 % vertailuarvoista kaikissa testitapauksissa. Tulos oli hyvä, koska maksimilämpötilan tarkka laskenta on tärkeää optimoinnin onnistumisen kannalta.

Laskentamallia käytettiin maksimilämpötilojen määrittämiseen monitavoitteisessa optimoinnissa, jossa etsitään matemaattisesti parhaat kompromissit, Pareto optimaaliset ratkaisut, valittujen kriteerien mukaan. Useimmiten optimointikriteerit ovat komponenttien maksimilämpötilat, rivaston massa ja ulkotilavuus. Optimoinnin avulla voidaan saavuttaa merkittäviä materiaalisäästöjä. Esimerkiksi tyypillisessä tämän työn tapauksessa jäähdytysrivaston massaa saatiin vähennettyä noin 50 %. Koska kansainvälisten markkinoiden koko tehostetulle lämmönsiirrolle on valtava, optimoinnilla voidaan saavuttaa merkittäviä kokonaissäästöjä materiaalin ja energian kulutuksessa sekä CO2-päästöissä.

Tilastokeskuksen tieteenalat

Latausten tilastot

Ei tietoja saatavilla