Elektroniikan komponenttien ylikuumentuminen rikkoo laitteita. DI Kaj Lampion väitöskirjassaan esittelemän menetelmän avulla voidaan saavuttaa huomattavia säästöjä, kun komponenttien jäähdytykseen käytettävien rivastojen koko pienenee ja rakenne kevenee. Lampion kehittämillä malleilla jäähdytyksen optimointi saadaan laskettua jopa 1000 kertaa nykyistä nopeammin. Jäähdytystä tarvitsevia sähköisiä komponentteja on useimmissa laitteissa. Komponenttien lämmöntuotto on kasvanut suhteessa niiden kokoon, jolloin niiden lämpeneminen asettaa haasteita laitteiden suunnittelulle. Ylikuumentuvat komponentit rikkoutuvat, ellei lämpöä saada poistettua asianmukaisesti.
– Lämpötehon tiheyden kasvu on käytännössä pakottanut ottamaan käyttöön jäähdytyspinta-alaa kasvattavat rivastot. Rivastoissa, joiden pohjalevylle komponentit kiinnitetään, on useita levymäisiä tai puikkomaisia ripoja, jotka kasvattavat virtaukseen koskettavaa pinta-alaa huomattavasti verrattuna komponenttien omaan pinta-alaan. Pienet tehotiheydet voidaan jäähdyttää passiivisesti, jolloin virtaus kulkee rivastossa painovoimaisesti. Suuremmat tehotiheydet vaativat pakotetun virtauksen, jossa puhaltimella tai pumpulla tuotetaan jäähdytyksessä tarvittava virtaus. Kaikista suurimpien tehotiheyksien tapauksessa joudutaan turvautumaan nestejäähdytykseen, Lampio kertoo.
Jäähdytyksessä käytetyt rivastot pyritään tekemään mahdollisimman kevyiksi ja kooltaan pieniksi. Tällaisen rakenteen suunnittelu on haastavaa, koska siinä joudutaan määrittämään samanaikaisesti useita geometrisia mittoja, jotka yhteisvaikuttavat monimutkaisesti laitteen lämmönsiirtoon. Tämän lisäksi on vielä määritettävä sijainti jokaiselle komponentille rivaston pohjalevyllä.
Kaj Lampio esitteli väitöstyössään nopea menetelmän tietyn komponenttijakauman jäähdyttämiseen tarkoitetun jäähdytysrivaston optimoinnille. Optimoinnissa vaaditaan yleensä vähintään satojen erilaisten rakenteiden lämpötilajakaumien laskeminen, jotta löydetään optimaalinen geometria. Nämä laskennat kuluttavat paljon CPU-aikaa, jos ne tehdään virtauslaskennalla (CFD).
Ratkaisuna Lampion työssä esitettiin nopea laskentamalli, joka suoriutuu lämpötilakentän laskennasta huomattavasti CFD:tä nopeammin. Laskentamallissa hyödynnetään nopeita 1D-ratkaisuja ilmavirtauksen keskimääräisille nopeus- ja lämpötilajakaumille, ja niillä korvataan CFD:n yksityiskohtaisemmat ilman nopeus- ja lämpötilajakaumien 3D-ratkaisut. Ainoastaan jäähdytysrivaston lämpötilakenttä ratkaistaan kolmiulotteisesti.
Näillä muutoksilla uusi laskentamalli on yli tuhat kertaa CFD:tä nopeampi jäähdytysrivaston lämpötilakentän laskennassa. Laskentamallin soveltuvuutta optimointiin testattiin vertailemalla sillä laskettuja arvoja analyyttisiin laskentoihin, CFD-laskentoihin ja kokeellisiin tuloksiin. Laskentamallin antamat tulokset komponenttien maksimilämpötiloille poikkesivat alle 10 prosenttia vertailuarvoista kaikissa testitapauksissa. Tulos oli hyvä, koska maksimilämpötilan tarkka laskenta on tärkeää optimoinnin onnistumisen kannalta.
Optimoinnin avulla voidaan saavuttaa merkittäviä materiaalisäästöjä. Esimerkiksi tyypillisessä tapauksessa jäähdytysrivaston massaa saatiin vähennettyä noin 50 prosenttia. Koska tehostetun lämmönsiirron markkinat ovat kooltaan noin 10 miljardia euroa, voidaan optimoinnilla saavuttaa merkittäviä kokonaissäästöjä materiaalin ja energian kulutuksessa sekä CO2-päästöissä.
Lampion väitöskirja Optimization of Fin Arrays Cooled by Forced or Natural Convection tarkastetaan julkisesti Tampereen teknillisessä yliopistossa ensi perjantaina. Väitöskirjaan voi tutustua verkossa osoitteessa http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-15-4175-9.
