Оценка влияния длины и количества тепловых трубок на эффективность отведения избыточной тепловой энергии от процессора

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.

1. Nemec, 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.2011.06.047

2. Ван, 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 10.22363/2312-8143-2019-20-3-211-219

3. Моделирование 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/10.35596/1729-7648-2023-21-4-54-62

4. Влияние 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/10.35596/1729-7648-2023-21-5-33-41

5. Соколов, 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-0352

6. Абиев, 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/10.36807/1998-9849-2020-55-81-62-67

7. Heat 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/s10973-020-09820-7

8. Faghri, 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.5.1

9. Heat 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.

10. 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.

11. 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.2003.12.004

12. Лукс, 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.

13. 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.2022.28.4.004

14. Höhne, 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.2022.100163

15. SOLIDWORKS 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: 14.11.2023