vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2024-69-2-139-150vestift-839Research ArticleИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫINFORMATION TECHNOLOGIES AND SYSTEMSОценка влияния длины и количества тепловых трубок на эффективность отведения избыточной тепловой энергии от процессораAssessment of the influence of the length and number of heat pipes on the efficiency of the removal of excess thermal energy from the processorПискунГ. А.PiskunG. A.

Пискун Геннадий Адамович – кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры проектирования информационно-компьютерных систем

ул. П. Бровки, 6, 220013, Минск

Gennady A. Piskun – Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Design Information and Computer Systems

6, P. Brovka Str., 220013, Minsk

piskun@bsuir.byАлексеевВ. Ф.AlexeevV. F.

Алексеев Виктор Федорович – кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры проектирования информационно-компьютерных систем

ул. П. Бровки, 6, 220013, Минск

Victor F. Alexeev – Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Design Information and Computer Systems

6, P. Brovka Str., 220013, Minsk

v.alekseev@bsuir.byСтепченковО. В.StepchenkovO. V.

Степченков Олег Витальевич – директор

ул. Богдановича, 155, 220040, Минск

Oleg V. Stepchenkov – Director

155, Bogdanovich Str., 220040, Minsk

orion@niievm.byПоповА. Н.PopovA. N.

Попов Александр Николаевич – ученый секретарь

ул. Богдановича, 155, 220040, Минск

Aleksander N. Popov – Scientific Secretary

155, Bogdanovich Str., 220040, Minsk

anp@niievm.byБеликовА. Н.BelikovA. N.

Беликов Андрей Николаевич – студент

ул. П. Бровки, 6, 220013, Минск

Andrey N. Belikov – Student

6, P. Brovka Str., 220013, Minsk

andrech1406@gmail.comРыбаковД. Г.RybakovD. G.

Рыбаков Дмитрий Григорьевич – студент

ул. П. Бровки, 6, 220013, Минск

Dmitry G. Rybakov – Student

6, P. Brovka Str., 220013, Minsk

dmitry_ryb10@mail.ruБелорусский государственный университет информатики и радиоэлектроникиBelarusian State University of Informatics and RadioelectronicsБелорусский государственный университет информатики и радиоэлектроникиBelarusian State University of informatics and RadioelectronicsОткрытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт электронных вычислительных машин»Open Joint-Stock Company “Scientific Research Institute of Electronic Computers”202409072024692139150Copyright © Пискун Г.А., Алексеев В.Ф., Степченков О.В., Попов А.Н., Беликов А.Н., Рыбаков Д.Г., 20242024Пискун Г.А., Алексеев В.Ф., Степченков О.В., Попов А.Н., Беликов А.Н., Рыбаков Д.Г.Piskun G.A., Alexeev V.F., Stepchenkov O.V., Popov A.N., Belikov A.N., Rybakov D.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/839

Представлены результаты изучения влияния длины и количества тепловых трубок (ТТ), входящих в состав радиаторной конструкции, на эффективность отведения избыточной тепловой энергии от современных процессоров. Проведены исследования для радиаторных конструкций, состоящих из теплосъемной пластины, тепловой трубки и теплообменника (ребристого радиатора), установленных на процессор и находящихся в открытой среде (движение воздуха происходит без перемешивания, что характерно для свободной конвекции) или в замкнутой среде (происходит циркуляция потоков воздуха в замкнутом контуре, что свойственно для естественной конвекции в ограниченном пространстве). Численное моделирование осуществлялось посредством модуля Flow Simulation программного комплекса SolidWorks. Показано, что от естественного движения потоков воздуха в открытой или замкнутой среде значительно зависит значение разности температур, сформированных на концах ТТ. Установлено, что с увеличением длины трубок от 100 до 500 мм происходит увеличение разности температур как в случае движения потоков воздуха в открытой среде, так и в замкнутой. В частности, увеличение разности температур на концах одной ТТ диаметром 6 мм при мощности процессора 50 Вт составило 29,54 °С (открытая среда) и 47,14 °С (замкнутая среда); для трех ТТ – 9,13 °С (открытая среда) и 16,28 °С (замкнутая среда); для пяти ТТ – 5,24 °С (открытая среда) и 10,11 °С (замкнутая среда). Установлено, что увеличение количества трубок диаметром 6 мм и длиной 500 мм от 1 до 5 шт. приводит к снижению разности температур, в частности, при мощности процессора 50 Вт разность температур составила 36,17 °С (одна ТТ в открытой среде) и 55,59 °С (одна ТТ в замкнутой среде); 11,04 °С (три ТТ в открытой среде) и 19,06 °С (три ТТ в замкнутой среде); а также 6,3 °С (пять ТТ в открытой среде) и 11,56 °С (пять ТТ в замкнутой среде). Полученные результаты могут быть использованы для модернизации систем охлаждения различных технических средств, построенных на базе процессоров, а также проектировании новой высокопроизводительной аппаратуры с учетом использования тепловых трубок.

The results of a study of the influence of the length and number of heat pipes included in the radiator construction on the efficiency of removing excess thermal energy from modern processors are presented. Research was carried out for radiator constructions consisting of a heat sink, a heat pipe and a finned radiator installed on the processor and located in an open environment (air movement occurs without mixing, which is typical for free convection) or in a closed environment (air flows circulate in a closed loop, which is typical for natural convection in a limited space). Numerical modeling was carried out using the Flow Simulation module of the SolidWorks software package. It has been shown that the value of the temperature difference formed at the ends of heat pipes (hereinafter referred to as HP) significantly depends on the natural movement of air flows in an open or closed environment. It has been established that with an increase in the length of the HP from 100 mm to 500 mm, the temperature difference increases both in the case of air flow in an open environment and in a closed environment, in particular, the temperature difference increase at the ends of one HP with a diameter of 6 mm at power 50 W processor will be 29.54 °C (open environment) and 47.14 °C (closed environment); for three HPs – 9.13 °С (open environment) and 16.28 °С (closed environment); for five HPs – 5.24 °С (open environment) and 10.11 °С (closed environment). It has been established that an increase in the number of HPs with a diameter of 6 mm and a length of 500 mm from 1 pc. up to 5 pcs. leads to a decrease in temperature difference, in particular, with a processor power of 50 W, the temperature difference will be 36.17 °C (one HP in an open environment) and 55.59 °C (one HP in a closed environment); 11.04 °С (three HPs in an open environment) and 19.06 °С (three HPs in a closed environment); as well as 6.3 °С (five HPs in an open environment) and 11.56 °С (five HPs in a closed environment). The results obtained can be used to modernize the cooling systems of various technical devices based on processors, as well as to design new high-performance equipment taking into account the use of heat pipes.

процессортепловые трубкитеплопроводностьтеплообменэффективность охлажденияprocessorheat pipesthermal conductivityheat transfercooling efficiencyработа выполнена в рамках договора № 23-1051 на выполнение научно-исследовательской работы на тему «Моделирование тепловых процессов в безвентиляторных ПЭВМ и разработка рекомендаций по оптимизации их конструкции» (№ гос. рег. 20231182 от 13.07.2023).the work was performed under contract no. 23-1051 for research work on the topic “Modeling of thermal processes in fanless PCs and development of recommendations for optimizing their design” (State reg. no. 20231182 dated 13.07.2023).ReferencesNemec, P. Mathematical model for heat transfer limitations of heat pipe / P. Nemec, A. Čaja, M. Malcho // Math. Comput. Model. – 2013. – Vol. 57, iss. 1–2. – P. 126–136. https://doi.org 10.1016/j.mcm.2011.06.047Nemec P., Čaja A., Malcho M. Mathematical model for heat transfer limitations of heat pipe. Mathematical and Computer Modelling, 2013, vol. 57, iss. 1–2, pp. 126–136. https://doi.org 10.1016/j.mcm.2011.06.047Ван, Юй. Моделирование охлаждения процессора в наноспутнике с помощью контурных тепловых труб / Ван Юй, О. В. Денисов, Л. В. Денисова // Вестн. РУДН. Сер.: Инженерные исследования. – 2019. – Т. 20, № 3. – С. 211–219. https://doi.org 10.22363/2312-8143-2019-20-3-211-219Wang Yu, Denisov O. V., Denisova L. V. Simulation of processor cooling in a nanosatellite using loop heat pipes. Vestnik RUDN. Seriya: Inzhenernye issledovaniya = RUDN Journal of Engineering Research, 2019, vol. 20, no. 3, pp. 211–219 (in Russian). https://doi.org 10.22363/2312-8143-2019-20-3-211-219Моделирование отведения тепловой энергии от процессоров при помощи кулеров воздушного охлаждения / Г. А. Пискун [и др.] // Доклады БГУИР. – 2023. – Т. 21, № 4. – С. 54–62. https://doi.org/10.35596/1729-7648-2023-21-4-54-62Piskun G. A., Alexeev V. F., Belikov A. N., Rybakov D. G. Simulation of Thermal Energy Removal from Processors Using Air Coolers. Doklady BGUIR, 2023, vol. 21, no. 4, pp. 54–62 (in Russian). https://doi.org/10.35596/1729-7648-2023-21-4-54-62Влияние ориентации каналов в кулерах воздушного охлаждения на эффективность отведения тепла от мощных полупроводниковых приборов / Г. А. Пискун [и др.] // Доклады БГУИР. – 2023. – Т. 21, № 5. – С. 33–41. https://doi.org/10.35596/1729-7648-2023-21-5-33-41Piskun G. A., Alexeev V. F., Belikov A. N., Rybakov D. G. Influence of channel orientation in air coolers on the efficiency of heat removal from powerful semiconductor devices. Doklady BGUIR, 2023, vol. 21, no. 5, pp. 33–41 (in Russian). https://doi.org/10.35596/1729-7648-2023-21-5-33-41Соколов, Н. Ю. Математическое моделирование и оптимизация систем тепловых труб / Н. Ю. Соколов, В. А. Кулагин, Д. А. Нестеров // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии. – 2021. – Т. 14, № 7. – С. 860–879. https://doi.org/10.17516/1999-494X-0352Sokolov N. Yu., Kulagin V. A., Nesterov D. A. Mathematical modeling and optimization heat pipe systems. Zhurnal Sibirskogo federal’nogo universiteta. Tekhnika i tekhnologii = Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 2021, vol. 14, no. 7, pp. 860–879 (in Russian). https://doi.org/10.17516/1999-494X-0352Абиев, Р. Ш. Математическая модель теплообмена в микроканальной тепловой трубке с циркуляцией двухфазной среды / Р. Ш. Абиев, Р. Кумар // Изв. СПбГТИ (ТУ). – 2020. – Вып. 55 (81). – С. 61–67. https://doi.org/10.36807/1998-9849-2020-55-81-62-67Abiev R. S., Kumar R. Mathematical Model of Heat Transfer in a Microchannel Heat Pipe with Circulation of a TwoPhase Medium. Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo instituta (tekhnicheskogo universiteta) = Bulletin of the Saint Petersburg State Institute of Technology (Technical University), 2020, iss. 55 (81), pp. 61–67 (in Russian). https://doi.org/10.36807/1998-9849-2020-55-81-62-67Heat pipes: progress in thermal performance enhancement for microelectronics / S. U. Khalid [et al.] // J. Therm. Anal. Calorim. – 2020. – Vol. 143. – P. 2227–2243. https://doi.org/10.1007/s10973-020-09820-7Khalid S. U., Babar H., Ali H. M., Janjua M. M., Ali M. A. Heat pipes: progress in thermal performance enhancement for microelectronics. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2020, vol. 143, pp. 2227–2243. https://doi.org/10.1007/s10973-020-09820-7Faghri, A. Heat pipes: Review, opportunities and challenges / A. Faghri // Frontiers in Heat Pipes. – 2014. – Vol. 5. – P. 123–161. https://doi.org/10.5098/fhp.5.1Faghri A. Heat pipes: review, opportunities and challenges. Frontiers in Heat Pipes, 2014, vol. 5, pp. 123–161. https://doi.org/10.5098/fhp.5.1Heat Pipe Design Guide [Electronic resource] // CELSIA: Making Hot Technology Cooler. – Mode of access: https://celsiainc.com/heat-sink-blog/heat-pipe-design-guide. – Date of access: 14.11.2023.Heat Pipe Design Guide. CELSIA: Making Hot Technology Cooler. Available at: https://celsiainc.com/heat-sink-blog/heat-pipe-design-guide (accessed 14 November 2023).Heat Pipes: Effective, Reliable Cooling Solutions [Electronic resource] // BOYD. – Mode of access: https://www.boydcorp.com/thermal/two-phase-cooling/heat-pipe-assemblies.html. – Date of access: 14.11.2023.Heat Pipes: Effective, Reliable Cooling Solutions. BOYD. Available at: https://www.boydcorp.com/thermal/twophase-cooling/heat-pipe-assemblies.html (accessed 14 November 2023).Vasiliev L. L. Heat pipes in modern heat exchangers / L. L. Vasiliev // Appl. Therm. Eng. – 2005. – Vol. 25, № 1. – P. 1–19. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2003.12.004Vasiliev L. L. Heat pipes in modern heat exchangers. Applied Thermal Engineering. 2005, vol. 25, no. 1, pp. 1–19. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2003.12.004Лукс, А. Л. Анализ основных расчетных и экспериментальных теплофизических характеристик аммиачных тепловых труб повышенной тепловой проводимости из алюминиевых сплавов / А. Л. Лукс, А. Г. Матвеев // Вестн. СамГУ. Естественнонаучная серия. – 2008. – № 3 (62). – С. 331–357.Luks A. L., Matveev A. G. Analysis of the main calculated and experimental thermophysical characteristics of ammonia heat pipes with increased thermal conductivity from aluminum alloys. Vestnik Samarskogo universiteta. Estestvennonauchnaya seriya = Vestnik of Samara University. Natural Science Series, 2008, no. 3 (62), pp. 331–357 (in Russian).Соколов, Н. Ю. Численное и физическое моделирование работы системы тепловых труб для отвода тепла от радиоэлектронного оборудования различного назначения / Н. Ю. Соколов, В. А. Кулагин // Информационные и математические технологии в науке и управлении. – 2022. – № 4 (28). – С. 50–69. https://doi.org/10.38028/ESI.2022.28.4.004Sokolov N. Yu., Kulagin V. A. Numerical and physical modeling of the operation of a heat pipe system for heat removal from radioelectronic equipment for various purposes. Informatsionnye i matematicheskie tekhnologii v nauke i upravlenii = Information and Mathematical Technologies in Science and Management, 2022, vol. 4, no. 28, pp. 50– 69 (in Russian). https://doi.org/10.38028/ESI.2022.28.4.004Höhne, T. CFD simulation of a heat pipe using the homogeneous model / T. Höhne // Int. J. Thermofluids. – 2022. – № 15. – P. 24–31. https://doi.org/10.1016/j.ijft.2022.100163Höhne T. CFD simulation of a heat pipe using the homogeneous model. International Journal of Thermofluids, 2022, vol. 15, pp. 24–31. https://doi.org/10.1016/j.ijft.2022.100163SOLIDWORKS Flow Simulation Electronics Cooling. Part 3: Heat Pipes [Electronic resource]. – 2019. – Mode of access: https://www.cati.com/blog/solidworks-flow-simulation-electronics-cooling-part-3-heat-pipes. – Date of access: 14.11.2023SOLIDWORKS Flow Simulation Electronics Cooling. Part 3: Heat Pipes. 2019. Available at: https://www.cati.com/blog/solidworks-flow-simulation-electronics-cooling-part-3-heat-pipes (accessed 14 November 2023).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.