Підвищення ефективності охолодження електронних теплонавантажених модулів

  • Ю. Є. Ніколаєнко Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", Київ, Україна http://orcid.org/0000-0002-3036-5305
  • О. В. Баранюк Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", м. Київ, Україна https://orcid.org/0000-0001-6008-6465
  • А. Ю. Рачинський Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", м. Київ, Україна http://orcid.org/0000-0001-6622-1517
  • Д. В. Пекур Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова НАН України https://orcid.org/0000-0002-4342-5717
  • М. А. Міняйло Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова НАН України https://orcid.org/0000-0003-4915-8143
Ключові слова: напівпровідникові електронні модулі, свтодіоди, теплова труба, вільна конвекція, ефективність

Анотація

Розроблено, виготовлено та досліджено за допомогою численних та експериментальних методів діючий зразок типової конструкції системи охолодження електронних теплонавантажених модулів подвійного застосування, який можна використовувати в пристроях як спеціального, так і цивільного призначення. Завдання представленої роботи полягало в організації ефективного охолодження теплонавантаженого модуля для безвідмовної його роботи за допомогою вільної конвекції. Це дозволить забезпечити безшумну і довготривалу роботу системи охолодження. З метою відповідності висунутим вимогам, в якості пристрою передачі теплоти використовувалася гравітаційна теплова труба з різьбовою капілярною структурою. Особливістю розробленої авторами ергономічної конструкції системи охолодження є спільне використання теплової труби і радіатора у вигляді кулі з плоскими радіальними ребрами. У теплонавантаженому модулів використовувалися потужні об'ємні електронні модулі, виконані у вигляді призми з плоскими бічними гранями, на яких були встановлені потужні напівпровідникові електронні компоненти. Дослідження проводилися за допомогою моделювання процесу передачі теплоти від теплонавантаженого модуля до охолоджуючого потоку повітря засобами програмного комплексу ANSYS-Fluent. За рахунок використання високоефективного замкнутого випарно-конденсаційного циклу передачі теплоти, що протікає в теплових трубах, вдалося більш ніж удвічі збільшити потужність електронного модуля при забезпеченні його температури в заданих межах. Моделювання засобами ANSYS-Fluent дозволило розробити конструкцію радіатора охолодження зони конденсації теплової труби, визначити ефективність оребрения радіатора і теплові потоки в зоні нагріву. Розрахунковим шляхом отримані графічні залежності температури напівпровідникових електронних компонентів від споживаної електричної потужності в діапазоні від 13 до 36 Вт. Проведено порівняння експериментальних даних з розрахунковими.

Посилання

Kopp B. A., Billups A. J. and Luesse M. H. (2001) Thermal Analysis and Considerations for Gallium Nitride Microwave Power Amplifier Packaging, Microwave Journal Vol. 44, Iss. 12, pp. 72–82.

Colotun O. (2010) Advanced technologies for the production of microwave transistors by the company Integra Technologies, Inc. for radar systems, CHIP NEWS Ukraine Vol. 8(98), pp. 8-16. (In Russian).

Zakgeim A. L. (2013) Light-emitting Diode Illumination Systems: Energy Efficiency, Visual Perception, and Safety for Health. Light and Engineering, Vol. 21(2), pp. 25–40.

Lishik S. I., Pautino A. A., Posedko V. S., Trofimov Yu. V., Tsvirko V. I. (2010) Structural and Technological Solutions for Light-Emitting Diode Lamps of Direct Replacement. Light and Engineering, Vol. 18(3), pp. 57–63.

Yeh L.T. (1995) Review of Heat Transfer Technologies in Electronic Equipment. Journal of Electronic Packaging, Vol. 117, Iss. 4, pp. 333-339. DOI: 10.1115/1.2792113

Bar-Cohen A., Kraus A. D. and Davidson S. F. (1983) Thermal frontiers in the design and packaging of microelectronic equipment. J. Mech Eng Vol. 105, n. 6, pp. 53–59.

Shakuntala O. (2009) CFD analysis on forced convection cooling of electronic chips. A thesis submitted in partial fulfilment of the requirements for the degree of Master of Technology (Research) in Mechanical Engineering Department of Mechanical Engineering. National Institute of Technology Rourkela, India.

Fan A., Bonner R., Sharratt S. and Ju Y.S. (2012) An innovative passive cooling method for high performance light-emitting diodes. 2012 28th Annual IEEE Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium (SEMI-THERM), pp. 319–324. DOI: 10.1109/stherm.2012.6188867

Yang C., Liu W. and Liu C. (2012) Measurement of thermal resistance of first-level Cu substrate used in high-power multi-chips LED package. Microelectronics Reliability, Vol. 52, Iss. 5, pp. 855-860. DOI: 10.1016/j.microrel.2011.05.002

Jeong M.W., Jeon S.W. and Kim Y. (2015) Optimal thermal design of a horizontal fin heat sink with a modified-opening model mounted on an LED module. Applied Thermal Engineering, Vol. 91, pp. 105-115. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2015.08.001

Wang J. (2014) Analyzing Thermal Module Developments and Trends in High-Power LED. International Journal of Photoenergy, Vol. 2014, pp. 1-11. DOI: 10.1155/2014/120452

Jeng T. (2015) Combined convection and radiation heat transfer of the radially finned heat sink with a built-in motor fan and multiple vertical passages. International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 80, pp. 411-423. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.09.043

Li J., Ma B., Wang R. and Han L. (2011) Study on a cooling system based on thermoelectric cooler for thermal management of high-power LEDs. Microelectronics Reliability, Vol. 51, Iss. 12, pp. 2210-2215. DOI: 10.1016/j.microrel.2011.05.006

Sorensen H. (2012) Water cooling of high power Light Emitting Diode. 13th InterSociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems, pp. 968–974. DOI: 10.1109/itherm.2012.6231531

Zhang X., Li R. and Zheng Q. (2013) Analysis and simulation of high-power LED array with microchannel heat sink. Advances in Manufacturing, Vol. 1, Iss. 2, pp. 191-195. DOI: 10.1007/s40436-013-0027-0

Hsieh S., Hsu Y. and Wang M. (2014) A microspray-based cooling system for high powered LEDs. Energy Conversion and Management, Vol. 78, pp. 338-346. DOI: 10.1016/j.enconman.2013.10.066

Reay D. and Harvey A. (2013) The role of heat pipes in intensified unit operations. Applied Thermal Engineering, Vol. 57, Iss. 1-2, pp. 147-153. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2012.04.002

Faghri A. (2014) HEAT PIPES: REVIEW, OPPORTUNITIES AND CHALLENGES. Frontiers in Heat Pipes, Vol. 5, Iss. 1. DOI: 10.5098/fhp.5.1

Mochizuki M., Nguyen T., Mashiko K., Saito Y., Nguyen T. and Wuttijumnong V. (2011) A REVIEW OF HEAT PIPE APPLICATION INCLUDING NEW OPPORTUNITIES. Frontiers in Heat Pipes, Vol. 2, Iss. 1. DOI: 10.5098/fhp.v2.1.3001

Wits W. W. and Te Riele G. J. (2019) Heat Pipe Array for Planar Cooling of Rotating Radar Systems. Journal of Heat Transfer, Vol. 141, Iss. 9. DOI: 10.1115/1.4043183

Siedel S., Robinson A.J., Kempers R. and Kerslake S. (2014) Development of a naturally aspired thermosyphon for power amplifier cooling. Journal of Physics: Conference Series, Vol. 525, pp. 012007. DOI: 10.1088/1742-6596/525/1/012007

Smith K., Siedel S., Akalanne L., Kempers R. and Robinson A. (2013) Investigation of a Naturally Aspirated Thermosyphon for Power Amplifier Cooling. 8th World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics pp. 1-7.

Tang Y., Chen Q., Guan W., Li Z., Yu B. and Yuan W. (2017) Thermal analysis of an LED module with a novelly assembled heat pipe heat sink. Journal of Central South University, Vol. 24, Iss. 4, pp. 921-928. DOI: 10.1007/s11771-017-3494-9

Zhou J., Chen X., Zhou Z., Peng Y., Wang Y. and Huang J. (2018) Factors Influencing the Temperature Distribution of 200 W Light Emitting Diode Module Used in the Spotlight. Heat Transfer Engineering, Vol. 39, Iss. 6, pp. 493-498. DOI: 10.1080/01457632.2017.1320095

Baranyuk A. and Nikolaenko Y. (2018) NUMERICAL SIMULATION OF THE THERMAL-HYDRAULIC CHARACTERISTICS OF THE DEVELOPED SURFACES WITH MINICHANNELS. Young Scientist, Vol. 64, pp. 224-228. DOI: 10.32839/2304-5809/2018-12-64-56

Pua S., Ong K., Lai K. and Naghavi M. (2019) Natural and forced convection heat transfer coefficients of various finned heat sinks for miniature electronic systems. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, Vol. 233, Iss. 2, pp. 249-261. DOI: 10.1177/0957650918784420

Feng S., Shi M., Yan H., Sun S., Li F. and Lu T.J. (2018) Natural convection in a cross-fin heat sink. Applied Thermal Engineering, Vol. 132, , pp. 30-37. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2017.12.049

Vinod Kumar, Veerbhadrappa.T. (2014) Simulation of fin geometries for heat sink in forced convection flow. International Journal of Research in Engineering and Technology, Vol. 3, Special Iss. 3, pp. 877-882. DOI: 10.15623/ijret.2014.0315166

Nikolaenko Yu. E. (2016) LED lighting device Patent UA114068

Marinenko O. G. and Sokovishin Yu.A. (1982) Free-convective heat exchange: Reference book Minsk, Science and technology, 400 p.

Ivanov D. V. and Dol A. V. (2016) Introduction to Ansys Workbench Saratov, Amirit, 56 p.

Myachenkov V. I., Maltsev V.P. and Mayboroda V.P. (1989) Calculations of Mechanical-Engineering structures by the finite element method, Moskow, Mechanical-Engineering, 520 p.

Nikolaenko Y. E., Pekur D. V. and Sorokin V. M. (2019) Light characteristics of high-power LED luminaire with a cooling system based on heat pipe. Semiconductor physics, quantum electronics and optoelectronics, Vol. 22, Iss. 3, pp. 366-371. DOI: 10.15407/spqeo22.03.366

Опубліковано
2020-06-30
Як цитувати
Ніколаєнко , Ю. Є., Баранюк , О. В., Рачинський , А. Ю., Пекур , Д. В. і Міняйло , М. А. (2020) «Підвищення ефективності охолодження електронних теплонавантажених модулів», Вісник НТУУ "КПІ". Серія Радіотехніка, Радіоапаратобудування, (81), с. 47-55. doi: 10.20535/RADAP.2020.81.47-55.
Номер
Розділ
Конструювання радіоапаратури