Analysis and design of electronic device cooling system elements in forced convection conditions

• Autorzy: Felczak M.

Warianty tytułu

PL

Analiza i projektowanie elementów systemu chłodzenia układów elektronicznych w warunkach konwekcji wymuszonej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The first part of the work includes a study of elements enhancing heat transfer in electronic devices. In the second part, a numerical model for the electronic device placement optimization on the PCB, including a genetic algorithm and a thermal solver is presented. The genetic algorithm searches for arrangements that are checked by the thermal solver if they satisfy requirements of the designer. Three optimizing problems are considered. The optimization of in-line placed devices is the first one. The second one is the optimization of placement of nine devices on the surface of a PCB on the assumption that devices can be placed in nine specified positions on the PCB. The third one is the optimization of placement of nine devices on the assumption that devices can be placed on the whole board.

PL

Zostały opracowane nowe metody wykorzystujące algorytmy genetyczne do optymalizacji rozmieszczenia układów elektronicznych na płytce drukowanej. Umożliwiają one optymalizację położenia układów elektronicznych w jednym oraz w dwóch wymiarach. Modele składają się z dwóch najważniejszych części funkcjonalnych: algorytmu genetycznego (wraz z kryteriami optymalizacji) poszukującego optymalnego rozmieszczenia oraz oprogramowania do obliczeń rozkładu temperatury na powierzchni badanych układów. Pierwszy model dotyczy optymalizacji kolejności elementów elektronicznych umieszczonych w linii. Algorytm umożliwia optymalizację ich kolejności oraz w późniejszej wersji również odstępów pomiędzy nimi. Możliwa jest optymalizacja jednokryterialna przy użyciu termicznych kryteriów optymalizacji takich jak wartość maksymalnej oraz średniej temperatury spośród wszystkich elementów jak również wielokryterialna przy użyciu kryterium ważonego z wartości temperatury maksymalnej i średniej. Stworzony został własny program obliczający wartości temperatury rozważanych układów elektronicznych (poprzez rozwiązanie równań Naviera-Stockesa oraz Kirchhoffa-Fouriera [3]). Drugi algorytm służy do optymalizacji rozmieszczenia układów elektronicznych na powierzchni płytki drukowanej (model termiczny 3D). Założono, że układy elektroniczne będą umieszczone w matrycy nxn elementów. Algorytm ten w porównaniu z poprzednim posiada bardziej skomplikowany model termiczny. Z tego powodu do wyznaczania wartości temperatury zostało użyte oprogramowanie komercyjne ANSYS®. Algorytm genetyczny jako program nadrzędny wywołuje oprogramowanie ANSYS® przekazując jednocześnie informacje o rozmiarach i gęstościach mocy poszczególnych źródeł ciepła. Wynik obliczeń (wartości temperatury poszczególnych źródeł) zwracany jest w pliku tekstowym. Algorytm wykorzystując zadane kryteria ocenia optymalność rozwiązania. Przeprowadzono optymalizację rozmieszczenia układów elektronicznych przy wykorzystaniu modelu jedno- i dwuwymiarowej optymalizacji. Dla pierwszego przypadku przeprowadzono optymalizację położenia układów elektronicznych ze względu na następujące kryteria termiczne: wartość temperatury maksymalnej, średniej, kryterium ważone z wartości temperatury maksymalnej oraz średniej. W drugim przypadku, optymalizowano rozmieszczenie układów elektronicznych na powierzchni podłoża PCB. Rozważono zarówno przypadek, kiedy algorytm może umieścić układy elektroniczne tylko w określonej liczbie miejsc równej liczbie elementów elektronicznych, jak również bardziej skomplikowany przypadek, kiedy układy elektroniczne mogą być umieszczone w dowolnym miejscu płytki drukowanej. Wszystkie dotychczasowe kryteria wzbogacono o kryterium dodatkowe, długości połączeń pomiędzy elementami. Został przeprowadzony szereg optymalizacji dla różnych mocy układów elektronicznych. Uwzględniono skomplikowane przypadki gdzie każdy z układów elektronicznych rozprasza różną gęstość mocy jak również proste przypadki, dla których rozwiązanie jest proste do przewidzenia. Wyniki pokazują, że przyjęta metoda optymalizacji jest uzasadniona. Symulowane modele termiczne zostały zweryfikowane poprzez pomiary termowizyjne w tunelu powietrznym.

Słowa kluczowe

EN

convection condition; turbulence; cooling; electronic device; thermal phenomena

PL

konwekcja wymuszona; turbulencja; chłodzenie; układ elektroniczny; zjawisko cieplne

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe. Elektryka / Politechnika Łódzka
• Rocznik: 2008
• Tom: z. 115
• Strony: 19--25
• Opis fizyczny: Bibliogr. 9 poz.

Twórcy

autor

Felczak M.

• Technical University of Łódź, Institute of Electronics,

Bibliografia

• [1] Electronics Cooling Magazine, "Advances In High-Performance Cooling For Electronics", Vol. 11, No 4, 2005.
• [2] Herrera F.: Genetic algorithms and soft computing. Physica-Verlag, pp. 51-68, April 1996.
• [3] Lienhard IV J.H. J., Lienhard H.: A Heat Transfer Textbook. Cambridge, MA: Phlogiston Press, 2002.
• [4] Dancer D., Pecht M.: Component placement optimization for convectively cooled electronic. IEEE Trans. Syst., Man, Cybern, vol. 18, pp. 199-205, 1989.
• [5] Queipo V., Humphrey J. A.C., Ortega A.: Multiobjective optimal placement of convectively cooled electronic components on printed wiring boards. 1998.
• [6] Svasta P., Carstea, H. Rangu M., Avram A.: Implementation of a Genetic Algorithm for Components Optimal Placement in Electronic Packaging. 26th International Spring Seminar on Electronics Technology May 8-11, 2003, Stara Leśna, Slovak Republic, 2003.
• [7] Felczak M., Wifcek B.: Optymalizacja położenia układów elektronicznych na płytce drukowanej przy użyciu algorytmów genetycznych. VII Krajowa Konferencja Termografia i Termometria w Podczerwieni, Ustroń-Jaszowiec, 2006, Ustroń-Jaszowiec, 16-18 listopada 2006, str. 115-123, 2006.
• [8] Felczak M., Więcek B.: Numerical simulations and measurements of thermal wake effect in electronics. 14th International Conference on Thermal Engineering and Thermogrammetry (THERMO) 2005, Budapeszt, Węgry, 22-24 czerwca 2005,2006.
• [9] Felczak M., Wajman T., Więcek B.: Optimization of electronic devices placement on printed circuit board", 8th Conference on Quantitative InfraRed Thermography QIRT 2006, Padova, Italy, 28-30 June 2006.