CFD-моделирование импактно-струйного радиатора для проведения термотренировки микропроцессоров

Abstract

Методом CFD-моделирования получены тепло-аэродинамические характеристики импактно-струйного радиатора с воздушным охлаждением и тупиковыми полостями в форме расширяющихся и сужающихся конусов, а также комбинации конусов и цилиндров с дополнительным оребрением в виде прямых ребер. Проведен сравнительный анализ этих характеристик и характеристик радиатора с тупиковыми полостями только в форме цилиндра. Даны рекомендации по конструированию радиадоров предложенного типа для проведения термотренировки микропроцессоров.

Одним з завершальних етапів розробки мікропроцесорів є термотренування. Ця процедура виконується на спеціальному стенді, основним елементом якого є комунікаційна друкована плата із встановленими сокетами мікропроцесорів, чіпсетами, інтерфейсами, перемичками та іншими компонентами, які забезпечують різні режими роботи мікропроцесора. Зміна температури корпусу мікропроцесора здійснюється зазвичай за допомогою термоелектричного модуля. Холодна поверхня модуля з контрольованою температурою знаходиться в прямому тепловому контакті з п’єдесталом корпусу мікропроцесора, призначеним для встановлення кулерів. На гарячій поверхні модуля встановлюється радіатор для розсіювання загального теплового потоку від мікропроцесора та модуля. Високий коефіцієнт заповнення комутаційної плати для тренування, вимога вільного доступу до перемичок, інтерфейсів та наявність численних датчиків обмежують простір для монтажу кулера та вимагають використання надзвичайно компактного радіатора, особливо в умовах повітряного охолодження. Одним з варіантів вирішення цієї задачі може бути зменшення площі поверхонь теплообміну радіатора через різке зростання на них коефіцієнта тепловіддачі без збільшення витрати повітря. Різкого зростання коефіцієнта теплопередачі радіатора можна досягти, якщо виконати у поверхнях теплообміну декілька конічних або комбінованих конічно-циліндричних глухих порожнин з додатковим оребренням, до яких потрапляють ударні струмені повітря. В роботі проведено CFD-моделювання радіаторів такого типу. Визначено, що в діапазоні зміни швидкості повітря на вході в сопла 50—100 м/с досліджені конструкції імпактно-струменевого радіатора мають тепловий опір в діапазоні 0,5—2,2°С/Вт. Цього цілком достатньо для проведення термотренування деяких типів мікропроцесорів із завданням ряду режимів їх функціонування і виконання деяких видів тестових обчислень. Показано, що використання комбінованих глухих порожнин з додатковим оребренням є найкращим з розглянутих рішень і дозволяє різко (до 44%) інтенсифікувати теплопередачу в радіаторі в порівнянні з циліндричними глухими порожнинами, проте з побічним ефектом — зростанням до 20% втрати тиску повітря. В результвті проведеного дослідження встановлено, що імпактно-струменевий радіатор з глухими порожнинами в формі конуса, що звужується, а також комбінації конуса і циліндра з додатковим оребренням може бути успішним рішенням для відводу теплоти від мікропроцесорів при проведенні такого виду їх випробувань, як термотренування. Разом з тим, слід враховувати, що радіатор зазначеного типу має високий аеродинамічний опір і вимагає для своєї роботи джерела повітря високого тиску.

One of the final stages of microprocessor development is thermal testing. This procedure is performed on a special stand, the main element of which is a switching PCB with mounted microprocessor sockets, chipsets, interfaces, jumpers and other components which provide various modes of microprocessor operation. Changing the case temperature of the microprocessor is carried out typically using a thermoelectric module. The cold surface of the module with controlled temperature is in direct thermal contact with the microprocessor housing designed for cooler installation. On the hot surface of the module, the radiator is mounted which dissipates the total heat flux from the microprocessor and the module. High density PCB layout, the requirement of free access to the jumpers and interfaces, and the presence of numerous sensors restrict the space for radiator mounting and require the use of an extremely compact radiator, especially in air cooling conditions. One of possible solutions for this problem may be to reduce the area of the heat-transfer surfaces of the radiator due to a sharp growth of the heat transfer coefficient without increasing the air flow rate. A sharp growth of heat transfer coefficient of the radiator can be achieved by making several conic or combined conic-cylindrical dead-end cavities with extra finning in the heat-transfer surface. Such cavities should absorb the impact air jets. In this study, CFD simulation of such radiators has been conducted. It is determined that when the air velocity at the nozzle entrances is 50—100 m/s, the investigated designs of impact-jet radiators have a thermal resistance in the range of 0.5—2.2°С/W. This is quite sufficient for the thermal testing of some types of microprocessors with setting a number of operational modes and performing of certain types of test computations. It is shown that the use of combined dead-end cavities with extra finning is the best of the considered solutions and allows for a sharp (up to 44%) intensification of heat transfer in the radiator in comparison with cylindrical dead-end cavities, but at a cost — the loss of air pressure increases up to 20%. As a result of the study, it was found that the impact-jet radiator with dead-end tapering cone shaped cavities and combined cone-cylinder shaped cavities with extra finning, can successfully solve the problem of heat removal from microprocessors during thermal testing. However, it should be noted, that such radiators have a high aerodynamic resistance and require a high pressure air source for operation.