Wpływ oscylacji strumienia powietrza na temperaturę radiatora chłodzącego układ elektroniczny

Transkrypt

1 WAWRZYNIAK Sylwester 1 KOLBER Piotr 1 PERCZYŃSKI Daniel 1 SZEWS Maciej 2 Wpływ oscylacji strumienia powietrza na temperaturę radiatora chłodzącego układ elektroniczny WPROWADZENIE Układy elektroniczne wymagające chłodzenia podczas pracy wyposażane są w radiatory, których zadaniem jest odprowadzanie ciepła wydzielanego przez układ podczas pracy. Zwiększanie mocy obliczeniowych układów skutkuje zwiększaniem wydzielania ciepła. Zwiększone wydzielanie ciepła wymaga intensyfikacji chłodzenia. Najprostszym i najtańszym sposobem zadziałania jest zamontowanie wentylatora wymuszającego przepływ powietrza będącego czynnikiem chłodzącym. Zastosowanie konwekcji wymuszonej z przepływem, w którym występują okresowe zmiany kierunku przepływu powietrza zwiększa ilość odprowadzonego ciepła w stosunku do konwekcji swobodnej. [4, 6] Radiatory wykonywane są przede wszystkim z metalu, a więc surowca, który na świecie od blisko 10 lat nieustannie drożeje. Radiatory, podobnie jak szereg innych podzespołów elektronicznych, występują na rynku w bardzo wielu typach, rozmiarach i kształtach użebrowania, co sprawia szereg trudności w utrzymaniu przez dostawców wysokich stanów magazynowych dla całości oferty. W wielu przypadkach istotne są nawet drobne różnice w kształcie użebrowania, które pozwalają na modyfikację rezystancji termicznej w zależności od typu chłodzenia wymuszonego lub konwekcyjnego. Rys. 1. Widok radiatorów wykonanych z różnych materiałów i rozmiarów [2, 3] 1 Uniwersytet Technologiczno Przyrodniczy w Bydgoszczy, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Zakład Sterowania, al. Prof. S. Kaliskiego 7, Bydgoszcz, tel , sylwester.wawrzyniak@utp.edu.pl 2 MAKTRONIK, Autoryzowany Servis IVECO, ul. Deszczowa 61, Bydgoszcz, tel.: ; office@maktronik.com.pl 10949

2 Radiatory wykonane z termoprzewodzących tworzyw sztucznych, miedziane przewody cieplne poprawiające stopień odprowadzania ciepła, profile wykonane z kilku metali, na przykład łączące w jednym elemencie miedź i aluminium, wentylatory o dwu kierunkach nawiewu, to przykłady nowinek technicznych ostatnich kilku lat. Niemniej nie sposób nie zauważyć, iż albo są to rozwiązania niszowe przeznaczone do specjalistycznych zastosowań, albo też ich przydatność w elektronice masowej jest dyskusyjna w stosunku do kosztu ich zastosowania i najczęściej można je spotkać w sprzęcie komputerowym. W zastosowaniach masowych wykorzystywane są zwykle tradycyjne elementy profilowane. Jednym z powodów takiego rozdziału jest to, że wymienione nowości są zwykle zbyt drogie w stosunku do ich wydajności chłodzenia i rozmiarów. W układach o większej mocy wymagane jest dołożenie wentylatora wymuszającego przepływ powietrza. Jeśli moc układu nadal wzrasta, najprostszym rozwiązaniem jest zwiększenie rozmiaru radiatora i zwiększenie mocy (rozmiaru) wentylatora (rysunek 1). Dotychczasowe prace [4, 6] wykazały, iż można zwiększyć intensywność wymiany ciepła przy przepływie powietrza z odpowiednią częstotliwością oscylacji przepływu. Badana wcześniej dysza osiowosymetryczna wymagała jednak dodatkowego układu sterowania częstotliwością, odpowiedniego strumienia sterującego, który oscylacyjnie zmieniał kierunek przepływu powietrza w badanym urządzeniu strumieniowym. Wprowadzane dalej modyfikacje strumienia sterującego pozwoliły na zwiększenie ilości wymienianego ciepła w stosunku do przepływu strumienia powietrza bez sterowania. [5] Rozwiązanie to jest zbyt skomplikowane do zastosowania w omawianych układach elektronicznych. Celowym wydaje się przeprowadzenie badań w celu uzyskania oscylatora pneumatycznego, w którym strumień płynącego powietrza oscylowałby w oparciu o efekt Coandy. Projektowane rozwiązanie powinno spełniać następujące założenia: brak dodatkowego sygnału (strumienia) sterującego, uzyskanie oscylacji o częstotliwości przepływu powodującej intensyfikację wymiany ciepła, niewielkie zwiększenie rozmiarów układu lub brak zwiększenia rozmiarów np. kosztem zmniejszenia wysokości radiatora, możliwie minimalny koszt modernizacji takiego układu. 1 MODYFIKACJA UKŁADU I POMIARY Proponowane rozwiązanie polega na wprowadzeniu dodatkowego elementu pomiędzy radiatorem a wentylatorem. Element ten wyposażony w szereg profili o odpowiednim kształcie, rozmiarze i/lub sztywności powinien doprowadzić do okresowych zmian kierunku opływu powierzchni radiatora. Uzyskane oscylacje przepływu strumienia powietrza opływającego radiator powinny zintensyfikować wymianę ciepła między radiatorem a powietrzem, co zmniejszy temperaturę pracy układu elektronicznego. Zmniejszenie temperatury pracy układu pozwoli na zwiększenie obciążenia tego układu lub przy braku zwiększenia obciążenia pozwoli zwiększyć jego trwałość i wydłużyć czas bezawaryjnej pracy. Badania przeprowadzone były dla wstępnie przyjętej liczby czterech profili, dla zakresu częstotliwości wychylenia łopatek w zakresie od 0 do 3Hz. We wstępnej fazie badań ruch łopatek zrealizowano poprzez wymuszenie mechaniczne. Pozwoli to określić czy i jaka częstotliwość wychylenia łopatek intensyfikuje wymianę ciepła między przepływającym powietrzem a radiatorem, co doprowadzi do zmniejszenia temperatury pracy procesora

3 Rys. 2. Schemat elementu pośredniczącego ukierunkowującego przepływ strumienia powietrza wytwarzanego przez wentylator, 1-kierunek wychylenia łopatek, 2-oś obrotu łopatek, 3-wymienne łopatki z możliwością zastosowania różnych profili przekroju poprzecznego, 4-obudowa układu Urządzenie pomiaroweto czterokanałowy cyfrowy miernik temperatury z transmisją danych w standardzie RS232. Czujnikami temperatury są cyfrowe czujniki temperatury z interfejsem 1-wire DS18B20 firmy Dallas Semiconductor.[1] Schemat ideowy układu oparty o mikrokontroler ATmega 32 przedstawiono na rysunku 3. Rys. 3. Schemat ideowy układu pomiarowego temperatury Widok zbudowanego układu z czujnikami przedstawiono na rysunku 4. Czujnik ten zapewnia pomiary temperatur z przedziału <-55 C +125 C>, dokładność pomiaru ±0,5 C osiągana jest w zakresie <-10 C +80 C>, rozdzielczość jest programowalna w zakresie od 9 do 12 bit, co odpowiada rozdzielczości temperatury 0,5 C, 0,25 C, 0,125 C lub 0,0625 C. Stała czasowa określająca własności dynamiczne przy 12 bitowym pomiarze temperatury wynosi 700 µs, przy założeniu maksymalnego skoku temperatury. Stała ta maleje wraz z obniżaniem rozdzielczości termometru. Napięcie zasilania musi mieścić się w zakresie od +3 V do +5,5 V. Moc elektryczna niezbędna do odczytywania wartości, zapisywania ich w pamięcioraz realizacji niezbędnych przekształceń jest otrzymywana z linii danych i nie wymaga żadnych dodatkowych źródeł zasilania. Ponieważ każdy czujnik temperatury DS18B20 zawiera jednoznaczny numer seryjny, zwielokrotnienie tych czujników w jednej linii może nastąpić w ramach tej samej magistrali 1 przewodowej. Umożliwia to rozmieszczenie czujników temperatury w wielu różnych miejscach. Dla pomiaru z wykorzystaniem 1 przewodowej magistrali, pamięć oraz funkcje kontrolne są niedostępne przed uruchomieniem funkcji zawartych w pamięci ROM. [1] 10951

4 Rys. 4. Widok wykonanego czteropunktowego układu pomiaru temperatury Dla celów testowych zbudowano układ grzewczy o regulowanej mocy. Regulacji mocy można dokonać poprzez zmianę napięcia zasilania. Układ ten składa się z 2 rezystorów ceramicznych o rezystancji R=22Ω każdy, połączonych równolegle. Układ grzewczy zasilany jest napięciem 12V DC. Zastępcza rezystancja układu grzewczego wynosi 11Ω. Moc, jaką wydzieli układ grzewczy można wyznaczyć na podstawie równania P = U I, co przy wcześniej podanych danych daje nam wartość 13W. Zbudowany i zastosowany w badaniach radiator, wentylator oraz układ grzewczy przedstawiono na rysunku 5. Rys. 5. Widok radiatora, wentylatora oraz układu grzewczego stosowanego w przeprowadzanych badaniach Na rysunku 6 przedstawiono rozmieszczenie czujników temperatury na powierzchni przylegania radiatora. Cztery punkty pomiarowe umieszczono w różnych punktach w obrysie elementu grzewczego z uwzględnieniem użebrowania radiatora

5 Rys. 6.Schemat rozmieszczenia czujników temperatury na powierzchni radiatora, A powierzchnia radiatora, B powierzchnia styku z układem grzewczym, 1,2,3,4 numery czujników Autor zdaje sobie sprawę z faktu, że zamontowane czujniki i przewody łączące czujniki z układem pomiarowym zakłócają przepływ powietrza między żebrami radiatora. Zakłócenia te jednak występowały podczas wszystkich przeprowadzanych badań i przyjęto że można je pominąć. Widok zmontowanego układu z założoną przekładką i skrzydełkami przedstawiono na rysunku 7. Rys. 7. Widok gotowego układu Na potrzeby badań przyjęto czaszałączenia ogrzewania i czas pomiarów wynoszący 15 minut. Układ pomiarowy rejestrował wyniki na komputerze PC z taktowaniem wynoszącym 1 sekundę

6 Badania przeprowadzono w układzie: a) radiator bez wentylatora, b) radiator z wentylatorem, c) z przekładką bez skrzydełek, d) z przekładką i skrzydełkami bez wymuszenia ruchu, e) z wymuszeniem ruchu z częstotliwością 1 Hz, f) z wymuszeniem ruchu z częstotliwością 1,5 Hz, g) z wymuszeniem ruchu z częstotliwością 2 Hz. Powyższych pomiarów dokonano z ułożeniem skrzydełek przekładki prostopadle do użebrowania radiatora. 2 WYNIKI POMIARÓW Rys. 8. Wykres zmian temperatury dla układu z bez wkładki ze skrzydełkami i z załączonym wentylatorem Podczas badań układu bez wentylatora (chłodzenie konwekcyjne) wartości temperatury odczytane przez czujniki mieściły się w zakresie od 63 do 69 stopni Celsjusza w zależności o położenia czujnika. Rys. 9. Wykres zmian temperatury dla z ruchem skrzydełek o częstotliwości 1,5 Hz 10954

7 Dla łatwiejszego porównania wyników pomiarów wartości średnie uzyskane dla poszczególnych czujników przedstawione zostaną one w postaci tabeli. Obliczona została różnica temperatur : T T (1) gdzie: - obliczana różnica temperatur, T T max - maksymalna wartość temperatury uzyskana w danym pomiarze T - początkowa wartość temperatury w danym pomiarze pocz Tab. 1. Zestawienie obliczonych różnic temperatur uzyskanych w poszczególnych badaniach Oznaczenie Różnica temperatur T dla czujników: pomiaru Czujnik1 Czujnik2 Czujnik3 Czujnik4 a 44,15 41,4 39,7 38,3 b 10,5 6,7 8,05 6,95 c 10,75 7,1 8,15 6,7 d 11,4 7,6 8,8 7,4 e 11,05 7,55 8,9 7,55 f 10,6 6,6 7,8 6,6 g 11,5 8 8,6 7,9 h 11,5 8 8,6 7,9 T Ponieważ ocena wyników bazująca na wartościach bezwzględnych różnic temperatury byłaby utrudniona, obliczone zostały procentowe zmiany uzyskanych wartości temperatury odniesione do układu standardowego radiator - wentylator. Wartości ujemne wskazują na pogorszenie się parametrów procesu wymiany ciepła między radiatorem a opływającym go powietrzem. Wyniki tych obliczeń przedstawiono na rysunku 10. max pocz Rys. 10. Wykres zmian temperatury dla układu z bez wkładki ze skrzydełkami i z załączonym wentylatorem 10955

8 PODSUMOWANIE Przedstawione w tabeli 1. wyniki oraz procentowe zmiany przedstawione na rysunku10 nie wskazują na istotną poprawę parametrów procesu wymiany ciepła. Punktem odniesienia do porównania są wyniki uzyskane dla układu b układu radiatora z wentylatorem. W zdecydowanej większości wyników uzyskano wartości mniejsze od zera świadczące o pogorszeniu się jakości chłodzenia w stosunku do układu bez dodatkowych elementów. Jedynie dla wymuszenia ruchu z częstotliwością 1,5 Hz (układ f) uzyskano niższe wartości temperatury jednak nie na wszystkich czujnikach. Tak niewielkie różnice wyników nie pozwalają na stwierdzenie, iż wprowadzona modyfikacja poprawiła warunki chłodzenia układu. Nawiązując do wcześniejszych założeń dotyczących układu bez dodatkowego zasilania lub wymuszenia kolejnym etapem dalszych badań będzie zastosowanie przekładki z profilowanymi skrzydełkami, których ruch będzie wymuszany poprzez przepływ strumienia powietrza wytwarzanego przez wentylator. Streszczenie W artykule przedstawione zostały wstępne wyniki badań dotyczących modyfikacji układów do chłodzenia elementów elektronicznych. Układ wentylator-radiator rozbudowany został o przekładkę ze skrzydełkami umożliwiającą zmianę kierunku przepływu powietrza płynącego od wentylatora w kierunku radiatora. Celem prowadzonych prac jest zwiększenie wymiany ciepła poprzez wprowadzenie do strumienia powietrza okresowych zmian kierunku przepływu. W tym opracowaniu zmiana kierunku przepływu realizowana była poprzez mechanicznewymuszenie ruchu zastosowanych skrzydełek. Pomiary i rejestrację temperatury zrealizowano z wykorzystaniem zbudowanego czterokanałowego rejestratora temperatury. Uzyskane wyniki (dla przyjętych wartości częstotliwości) nie wykazały poprawy procesu wymiany ciepła. W dalszych pracach autorzy zamierzają zmienić zakres częstotliwości oraz kształt przekroju poprzecznego zastosowanych skrzydełek. The effect of airflow oscillation on the heat sink temperature which cools electronic circuit Abstract The paper demonstrates the preliminary results on the modifications of cooling systems for electronic components. The fan heat sink system was expanded by the element with wings which allowed to change the airflow direction flowing from the fan towards the heat sink. The aim of studies was to increase the heat transfer by adding the periodical changes of the flow direction to the airflow. Changes of the flow direction were carried out by mechanical excitation of the wing motion. Measurements and recording of the temperature were obtained by the use of designed four-channel temperature data logger. The results (for the assumed values of frequency) did not show the improvement of the heat transfer process. In further research, the authors are going to change the frequency range as well as cross-sectional shape of the wings. BIBLIOGRAFIA 1. DS18B20 1-Wire Digital Thermometer (2008), Manual Sheet, Dallas Semiconductor, Maxim Integrated Products ( ) 3. ( ) 4. Peszyński K., Wawrzyniak S. (2005), Badanie strumienia syntetycznego generowanego w szczelinie promieniowej PNEUMATYKA nr 2(51)2005 str Trávníček Z., Tesař V., Broučková Z., Peszyński K. (2012), Annular impinging jet controlled by radial synthetic jets. 9th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics (HEFAT-2012). HEFAT, 2012, S ISBN Wawrzyniak S., Peszyński K. (2005), Preliminary study into thermal properties of controlled axisymmetric nozzle, INŽENÝRSKÁ MECHANIKA 2005 Svratka 10956