МЕТОДИКА ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО МОДУЛЯ

УДК 62-712

МЕТОДИКА ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ

ЭЛЕКТРОННОГО МОДУЛЯ

Н.В. Ципина, С.С. Потапов, И.В. Чепрасов Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия

Аннотация: при проектировании современных радиоэлектронных устройств возникает необходимость в соблюдении температурного режима для функционирования силовых элементов аппаратуры. Чаще всего задачу можно решить установкой радиатора. Сложность заключается в выборе его размеров, формы и материала, из какого он будет изготовлен. Для того, чтобы определить все эти характеристики, конструкторы прибегают к аналитическим расчетным методам, которые страдают своей точностью и затратами времени на проектировку. В данной статье рассматривается конструкция биметаллического (медь—алюминий) паяного радиатора, эффективно охлаждающего элементы электронного модуля с высокой неравномерностью тепловых потоков. Приведены характеристики радиатора и метод построения начальной (неоптимизированной) модели с учетом требуемых ограничений. С помощью современных средств автоматизированного проектирования было произведено исследование, на основе результатов которого осуществлена дальнейшая оптимизация конструкции. Оптимизация производилась в два этапа. Первый этап состоял в поиске оптимальной геометрии конструкции радиатора, где в роли переменных выступали толщины и высоты рёбер и планок. Второй этап заключался в постепенной замене материала элементов с меди на алюминиевый сплав. Описано влияние изменения того или иного параметра конструкции. Приведены графики и таблицы результатов, на основе которых можно сделать выводы о значимости конкретного параметра на распределение тепловых потоков. Описаны все сложности, с которыми авторы столкнулись в ходе оптимизации конструкции радиатора в среде моделирования, и способы их решения. Основными задачами, решаемыми с помощью разработанного алгоритма оптимизации, являются повышение точности, снижение трудоемкости и продолжительности поиска оптимальной конструкции, исключение влияния «человеческого» фактора

Ключевые слова: биметаллический радиатор, термическое исследование, оптимизация, система охлаждения Solidworks Simulation

Введение

В процессе проектирования радиоэлектронной аппаратуры возникает необходимость в обеспечении требуемого температурного режима [1-2]. Для функционирования мощных электронных компонентов малых размеров используются различные охлаждающие устройства. Чаще всего это медные либо алюминиевые радиаторы, минимизация массы которых актуальная для проектировки устройства задача.

В современных электронных устройствах контактная площадь используемых элементов составляет порядка 410-4 м2, а выделяемая мощность достигает до 300 Вт. Площадь корпуса силового элемента часто значительно превосходит контактную площадь элемента. В этом случае при большом значении коэффициента теплоотдачи оребренной поверхности локальным источником теплоты создается неравномерность температурного поля основания радиатора.

Плотности теплового потока в зоне расположения локального источника теплоты и в об-

ластях, удаленных от источника, существенно различаются. Поэтому в области, близкой к источнику теплоты, используют высокотеплопроводные материалы. На краях основания радиатора можно применить материал (сплав алюминия), имеющий меньшую плотность и теплопроводность по сравнению с медными сплавами. Таким образом можно существенно уменьшить массу радиатора и, соответственно, его стоимость.

Такое техническое решение можно реализовать, используя технологию создания паяных радиаторов, разработанную в БНТ „Прибой" (г. Санкт-Петербург). Такие радиаторы состоят из спаянных между собой ребер и планок. Основание радиатора образуют планки и торцы ребер. Каждое ребро запаяно в два параллельных основания. Толщина основания есть толщина планки. Как планки, так и ребра могут быть медными и алюминиевыми в различных сочетаниях, например, по краям — из сплава алюминия, а в центре — из меди [3-4].

© Ципина Н.В., Потапов С.С., Чепрасов И.В., 2018

Постановка задачи и описание математической модели

В работе [3] предлагается оптимизация электронного модуля в целях минимизации его веса аналитическим расчетом.

В настоящей работе предлагается оптимизация системы охлаждения подобного модуля (рис. 1) с использованием современных программных средств моделирования (CreoPara-metric, ANSYS, TFlex, Nastran), в частности используем Solidworks Simulation [5-6].

Solidworks Simulation так же, как и многие другие системы автоматизированного проектирования, для теплового расчёта использует метод конечных элементов, но также программа обладает удобным инструментом конфигурации сценариев, позволяющим определить ход исследования проектирования и реализовать оптимизацию сложных многосегментных конструкций. Подробнее о конфигураторе сценариев можно узнать из статьи [7].

Тепловыделяющие элементы

#=11)5 мм

Воздушный канал

Рис. 1. Конструкция радиатора

Все параметры исследования и характеристики начальной конструкции соответствуют проведенному исследованию в работе [3].

Для обеспечения требуемого температурного режима электронных компонентов используется принудительное воздушное охлаждение. Несущими элементами конструкции являются пластины, образующие каналы прямоугольного сечения. На входе и выходе каналов (длиной L = 0,25 м) закреплены вентиляторы. На двух противоположных пластинах (основаниях радиатора) размещены тепловыделяющие элементы. Ширина оснований фиксирована. На основании 1 расположены два транзистора мощностью по 175 Вт, отстоящие на расстояние 10 мм. Удельная мощность тепловыде-

лений каждого из них составляет 8 105 Вт/м2. Кроме того, на основании 1 размещены также три транзистора мощностью по 15 Вт. Размеры контактных площадок транзисторов 24^9 мм. На основании 2 расположены три преобразователя мощностью по 45 Вт, общее тепловыделение которых составляет 140 Вт. Размеры контактных площадок преобразователей 60*70 мм. При температуре воздуха на входе в каналы tm = 50 °С необходимо обеспечить предельную температуру контактных площадок преобразователя (95 °С) и транзистора (80 °С).

Площадь оснований радиатора значительно превосходит площадь контакта локальных источников теплоты. Самые мощные источники теплоты находятся в центре основания, поэтому при расчетах появляется возможность применения алюминиевых ребер в крайних областях. В рассматриваемой конструкции радиатора толщина всех ребер одинакова, также одинакова и толщина всех планок. Искомыми параметрами являются толщины двух оснований, ребер и планок между ними, количество медных ребер и планок, количество алюминиевых ребер и планок. Как показали предварительные оценки, плотность теплового потока на основании 2 в 50 раз меньше, чем на основании 1. Поэтому на начальном этапе расчетов используем сплав алюминия для всех планок основания 2 и сплав меди — для планок основания 1. Все ребра медные. Учитывая высокую плотность теплового потока, выбираем толщину ребра d = 1 мм и толщину планки b = 1 мм. Начальная толщина обоих оснований 8 мм.

Математическая постановка оптимизационной задачи реализована как однокритериаль-ная задача с четырьмя варьируемыми параметрами и ограничениями по результатам теплового анализа. Критерием качества является масса изделия (минимизируемый критерий), он же и составляет целевую функцию. В целях сокращения рабочего времени оптимизации для каждого параметра сформирован ограниченный сценарий. Таким образом, целевая функция описывается формулой:

F = mp(Sh1, Sh2, Ht, Н2) ^ min при Тк < 80 (°С),

где тр- масса радиатора; Sht - ширина планок; Sh2 - ширина ребер; Ht- высота верхних планок; Н2 - высота нижних планок; Тк-максимальная температура корпуса самого теп-лонагруженного компонента.

Методика моделирования

Исходными данными моделирования является модель радиатора (рис. 2), построенная также в SoHdworks и имеющая характеристики, представленные в табл. 1.

Рис. 2. Модель радиатора

Таблица 1 Исходные характеристики радиатора

Ширина планок, Б^(мм) 1

Ширина ребер, (мм) 1

Высота верхних планок, Н (мм) 8

Высота нижних планок, Н2 (мм) 8

Масса радиатора, тр (кг) 12,9

Температура самого теплонагруженного транзистора, Тк (°С) 68

Длина, высота и ширина радиатора - фиксированные величины. Изменяя ширину ребер либо планок, перестроение радиатора происходит без изменения его габаритов.

В список исходных данных моделирования входит коэффициент конвекции. Для расчета коэффициента конвекции использовали упрощенный алгоритм [5], учитывающий площадь поперечного сечения и длину канала, скорость потока воздуха, температуру окружающего воздуха и производительность вентиляторов. В результате получены следующие значения: при любой ширине канала от одного до двух миллиметров, коэффициент теплоотдачи принимает значения около 150 Вт/м2-К, согласно приведенной табл. 2 [5].

Таблица 2 Характерные коэффициенты конвекции

Теплоноситель и условия Коэффициент конвекции а, Вт/м2 • К

Воздух (естественная конвекция) 5 - 25

Воздух/ перегретый пар (принудительная конвекция) 20 - 300

Масло (коэффициент конвекции) 60 - 1800

Вода (принудительная конвекция) 300 - 6000

Вода (кипящая) 3000 - 60000

Пар (конденсирующийся) 6000 - 120000

Для проведения термического исследования необходимо приложить тепловые нагрузки. Согласно начальным условиям [3] в качестве нагрузки применили тепловую мощность, рассеиваемую с поверхностей транзисторов и преобразователей.

После проведения термического исследования следует конфигурация процедуры оптимизации. Добавляются все варьируемые характеристики модели конструкции, устанавливается необходимое ограничение в виде максимальной температуры самого теплонагружен-ного силового элемента, а также производится конфигурация сценариев исследования [7].

Алгоритм исследования проектирования системы охлаждения можно представить следующей блок-схемой (рис. 3).

Рис. 3. Алгоритм исследования проектирования системы охлаждения электронного модуля

Оптимизация производится в два этапа. Первоначально исследована возможность минимизации массы радиатора путем изменения толщин планок, ребер и оснований, затем возможность замены материала крайних ребер и планок на алюминий. Разделение обусловлено необходимостью уменьшения количества сценариев, которое в случае проведения всех изменений в рамках одного исследования превышает допустимое количество в 4096.

Термический анализ исходной конструкции показал, что температура основания самого теплонагруженного транзистора составляет 68° С, температура основания преобразователей около 52° С. Распределение температурных полей представлено на рис. 4.

Рис. 4. Распределение температурных полей

Диапазон и шаг варьируемых характеристик конструкции приведены в табл. 3.

Таблица 3

Диапазон и шаг параметров конструкции

Наименование параметра Диапазон Шаг

Ширина планок, Б^(мм) 1-2 0,5

Ширина ребер, Sh2 (мм) 1-2 0,5

Высота верхних планок, Н (мм) 4-10 2

Высота нижних планок, Н2 (мм) 4-10 2

С помощью программного комплекса SoПdworks по завершению первого этапа исследования было быстро получено 144 варианта конструкции, каждый из которых был рассчитан. Все результаты сохраняются в истории исследования и с каждым из них можно ознакомиться. Среди всех значений программа отбирает самое оптимальное по массе и выводит на экран.

На рис. 5 представлена зависимость температуры от массы системы охлаждения при изменении одной из её характеристик.

35Z.il

351.0

350.0

34Э.О

р, 34Б.О

&

Н 347,0 £

34 &.0

345.il

344,-:

343.0

342.0

ЙЬ1

\ < Ш /

\ /

Ш > А.

О ащая Н1

в к 1ЧШШ аордината

10 11 12 13 14 15

Масса, кг

Рис. 5. График зависимости температуры от массы при изменении характеристик радиатора

Исходя из графика, стоит отметить, что изменение высоты нижних планок практически не оказало никакого влияния на максимальную температуру корпуса силовых элементов. С увеличением высоты верхних планок активно уменьшается максимальная температура. С увеличением ширины планок достаточно пропорционально понижается масса и увеличивается температура. И с увеличением ширины ребер активно увеличивается масса конструкции.

Все 144 варианта конструкции удовлетворяли ограничению в 80° С, и запас температуры для дальнейшей оптимизации по материалу ещё остаётся. Характеристики системы охлаждения после первого этапа оптимизации приведены в табл. 4.

Таблица 4

Характеристики радиатора после первого этапа

Ширина планок, Б^(мм) 2

Ширина ребер, Sh2 (мм) 1

Высота верхних планок, Н (мм) 4

Высота нижних планок, Н2 (мм) 4

Масса радиатора, тр (кг) 8,81

Температура самого теплонагруженного транзистора, Тк (°С) 78,33

Ширина планок выбрана максимальной, так как при такой конфигурации минимальное количество ребер, тем самым облегчается конструкция и увеличивается воздушный канал.

Рассмотрена возможность замены материала крайних ребер и планок с меди на алюминий в целях уменьшения массы конструкции. Для этого необходимо создать индивидуальные конфигурации для каждого из интересующих нас элементов с помощью функции "Добавить конфигурацию" в дереве модели. Симметричные элементы при этом имеют одну конфигурацию, например, крайние ребра имеют конфигурацию с именем "1", крайние планки - "2" и так далее поочередно от края конструкции к ее центру. В новом исследовании оптимизации создаем переменные, каждой из которых в целях уменьшения количества сценариев присваиваем пару "ребро-планка". Всего переменных получилось десять, каждой из которых в ручном режиме создания сценариев назначен один из возможных материалов, медь или алюминий. Автоматический режим создания сценариев в данном случае не подходит, так как создает избыточное количество (102) ненужных комбинаций, например, когда средние ребра алюминиевые, а крайние - медные.

Зависимость изменения температуры от количества алюминиевых ребер изображена на графике

355

354

* 353

Й 352

Л

(U

351

350

349

(N m íf

<N m íf

Al/Cu

Рис. 6. График зависимости изменения температуры от количества алюминиевых сегментов "ребро-планка"

Из графика видно его характерное возрастание при замене ближайших к силовым элементам ребер и планок на алюминиевые. Также стоит отметить, что замена крайних ребер и планок практически не повлияла на рост температуры.

Результаты финального этапа оптимизации приведены в табл. 5.

В результате оптимизации 16 медных ребер и планок были заменены на алюминиевые, масса снижена с 8,81 кг до 6,05 кг, что составляет 47,3% от первоначальной массы конструкции.

Таблица 5

Результаты финального этапа оптимизации

Количество алюминиевых сегментов "ребро-планка", Al/Cu 2/32 4/32 6/32 8/32 10/32 12/32 14/32 16/32 18/32 20/32

Масса радиатора, тр (кг) 8,47 8,12 7,78 7,43 7,09 6,74 6,39 6,05 5,70 5,36

Температура самого теплонагруженного транзистора, Тк (°С) 78,50 78,55 78,61 78,71 78,85 79,05 79,36 79,83 80,55 81,69

Последовательная замена по материалу крайних ребер и планок радиатора на более легкий и менее теплопроводящий сплав металла оказала эффективное воздействие на параметры конструкции. Заметно сильное уменьшение массы и медленное возрастание температуры.

Предлагаемая методика оптимального проектирования многосегментных систем охлаждения электронных модулей с использованием возможностей современных программ моделирования позволяет эффективно разрабатывать и оптимизировать конструкции сложных устройств теплоотвода.

Выводы

Таким образом, благодаря полному использованию возможностей современных программ моделирования, становится возможным значительное повышение эффективности процесса проектирования и оптимизации различных конструкций, в том числе конструкций систем охлаждения электронных средств. В рамках данной работы удалось добиться снижения массы конструкции паяного биметаллического радиатора практически в два раза, что позволяет с уверенностью сказать о необходимости и

целесообразности применения описанных в статье методов в широком производстве.

Литература

1. Комплексное моделирование и оптимизация характеристик в процессе конструкторского проектирования РЭС / О.Ю. Макаров, А.В. Турецкий, Н.В. Ципина,

B.А. Шуваев // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2015. Т. 11. № 6. С. 100-104.

2. Комплексный подход при моделировании и оптимизации характеристик РЭС в процессе проектирования / О.Ю. Макаров, А.В. Турецкий, Н.В. Ципина, В.А.Шуваев // Радиотехника. 2016. № 6. С. 50-54.

3. Оптимизация конструкции системы охлаждения электронного модуля / Г.В. Бирюлин, В.И. Егоров,

C.Ю. Муров, И.В. Невский // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2012. № 3. С. 61-64.

4. CadLife [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://cad.Hfo/mdeXrascheti/formuli-rascheta-radiatora-oxlazhdeniya.html

5. Solidworks Web Help [Электронный ресурс] -Режим доступа:

help.solidworks.com/2012/Russian/solidworks/cworks/Conve ction_Heat_Coefficient.htm

6. Solidworks Web Help [Электронный ресурс] -Режим доступа:

http://help.solidworks.com/2012/russian/solidworks/cworks/id c_help_meshsolid.htm

7. Оптимизация конструкции системы охлаждения электронного модуля с помощью применения системы автоматизированного проектирования SolidWorks / Н.Э. Самойленко, С.С. Потапов, И.В. Чепрасов, А.Ю. Барагузин // SciencesofEurope. 2017. Т. 1. № 16. С. 93-101.

Поступила 10.04.2018; принята к публикации 20.07.2018 Информация об авторах

Ципина Наталья Викторовна - канд. техн. наук, доцент кафедры конструирования и производства радиоаппаратуры, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. 8(473)-243-77-06, e-mail: tcnv@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5688-355X

Потапов Степан Сергеевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), е-mail: stptpv@gmail.com, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3511-8223 Чепрасов Игорь Викторович - студент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), е-mail: leoric16@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1108-9381

TECHNIQUE OF OPTIMUM DESIGNING OF AN ELECTRONIC MODULE COOLING SYSTEM

N.V. Tsipina, S.S. Potapov, I.V. Cheprasov

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia

Abstract: when designing modern radioelectronic devices, there is a need for observing the temperature regime for the functioning of the power elements of the apparatus. Most often, the problem can be solved by installing a radiator. The difficulty lies in the choice of its size, shape and material, from which it will be made. In order to determine all these characteristics, the constructor resorts to analytical calculation methods that suffer from their accuracy and the time required to design. This article deals with the design of a bimetallic (copper-aluminum) brazed radiator, effectively cooling the elements of the electronic module with high heat flow unevenness. The characteristics of the radiator and the method of constructing the initial (non-optimized) model with allowance for the required constraints are given. With the help of modern computer-aided design tools, the study was carried out, based on the results of which further optimization of the design was carried out. The optimization was carried out in two stages. The first stage consisted in the search for the optimal geometry of the radiaor structure, where the thicknesses and heights of the ribs and slats acted as variables. The second stage consisted in the gradual replacement of the material of elements from copper to an aluminum alloy. The influence of a change in a design parameter is described. Graphs and tables of results are given, on the basis of which it is possible to draw conclusions about the significance of a particular parameter on the distribution of heat fluxes. We describe all the difficulties that the authors encountered during the optimization of the design of the radiator in the modeling environment, and the ways to solve them. The main tasks solved with the help of the developed optimization algorithm are the increase in accuracy, the reduction in labor intensity and the duration of the search for the optimal design, the exclusion of the influence of the "human" factor

Key words: bimetallic radiator, thermal research, optimization, system Solidworks Simulation, cooling system

References

1. Makarov O.Yu., Turetskiy A.V., Tsipina N.V., Shuvaev V.A. "Complex modeling and optimization of characteristics in the course of REM design", The Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2015, vol. 11, no. 6, pp 100-104.

2. Makarov O.Yu., Turetsky A.V., Tsipina N.V., Shuvayev V.A. "An integrated approach during the modeling and optimization of characteristics of REM in a designing process", Radiotechniques (Radiotekhnika), 2016, no. 6, pp 50-54.

3. Biryulin G.V., Egorov V.I., Murov S.Yu., Nevskiy I.V. "Optimization of a design of the cooling system of the electronic module", Proc. of higher educational institutions. Instrument making (Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Priborostroyenie), 2012, no. 3, pp. 61-64.

4. "CadLife", available at: http://cad.life/index/rascheti/formuli-rascheta-radiatora-oxlazhdeniya.html

5. "Solidworks Web Help", available at: help.solidworks.com/2012/Russian/solidworks/cworks/Convection_Heat_Coefficient.htm.

6. "Solidworks Web Help" available at: http://help.solidworks.com/2012/russian/solidworks/cworks/idc help meshsolid.htm

7. Samoylenko N.E., Potapov S.S., Cheprasov I.V., Baraguzin A.Yu. "Optimization of a design of system of cooling of the electronic module by means of the use of system automated design of SolidWorks", SciencesofEurope, 2017, vol. 1, no. 16, pp. 93101

Submitted 10.04.2018; revised 20.07.2018 Information about the authors

NataliaV.Tsypina, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), tel. 8(473)-243-77-06, e-mail: tcnv@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5688-355X Stepan S. Potapov, Student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: stptpv@gmail.com, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3511-8223

Igor' V. Cheprasov, Student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: leoric16@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1108-9381