Bài viết Giải pháp nâng cao khả năng tản nhiệt cho khung vỏ chứa bo mạch điện tử dạng kín trình bày kết quả nghiên cứu giải pháp làm tăng khả năng tản nhiệt cho khung vỏ chứa bo mạch điện tử dạng kín sử dụng quạt gió luân chuyển tuần hoàn không khí bên trong. Xây dựng mô hình và phương pháp giải bài toán truyền nhiệt.
Thông tin khoa học công nghệ Giải pháp nâng cao khả tản nhiệt cho khung vỏ chứa bo mạch điện tử dạng kín Lê Thạc Tài*, Trần Hồng Quân Trung tâm Cơng nghệ Cơ khí Chính xác, Viện Khoa học Công nghệ quân * Email: lethactai@gmail.com Nhận bài: 05/9/2022; Hoàn thiện: 20/10/2022; Chấp nhận đăng: 24/10/2022; Xuất bản: 28/12/2022 DOI: https://doi.org/10.54939/1859-1043.j.mst.84.2022.159-162 TĨM TẮT Bài báo trình bày kết nghiên cứu giải pháp làm tăng khả tản nhiệt cho khung vỏ chứa bo mạch điện tử dạng kín sử dụng quạt gió ln chuyển tuần hồn khơng khí bên Xây dựng mơ hình phương pháp giải tốn truyền nhiệt Trên sở đó, khảo sát ảnh hưởng tốc độ dịng khí tới chênh lệch nhiệt độ bên so với môi trường bên ngồi nhiệt độ bề mặt chíp Bài báo đề xuất lựa chọn thông số cấu trúc số chi tiết quan trọng phù hợp cho phương án tản nhiệt với công suất nguồn nhiệt cụ thể tiến hành thử nghiệm kiểm chứng Kết nghiên cứu báo ứng dụng thiết kế khung vỏ tản nhiệt chứa bo mạch điện tử dạng kín Từ khố: Khung vỏ tản nhiệt; Bo mạch điện tử dạng kín; Tỏa nhiệt đối lưu MỞ ĐẦU Khoa học công nghệ ngày phát triển, cho phép chế tạo loại vi mạch điện tử có kích thước nhỏ gọn tốc độ xử lý ngày cao Tuy nhiên, kèm với lượng nhiệt sinh lớn làm việc Thông thường nhiệt độ giới hạn cho phép làm việc thiết bị điện tử nằm khoảng từ 85 oC đến 100 oC [1] Do đó, việc đặt giải pháp thiết kế đảm bảo khả tản nhiệt cho thiết bị bo mạch điện tử cấp thiết Đối với bo mạch điện tử chứa khung vỏ dạng kín, vấn đề tản nhiệt trở lên phức tạp phần khơng khí nóng luân chuyển vùng thể tích kín Quá trình tản nhiệt thực chủ yếu dựa vào tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên khung vỏ với mơi trường bên ngồi Nội dung nghiên cứu báo tập trung vào xây dựng phương pháp giải toán tản nhiệt cho khung vỏ chứa bo mạch điện tử dạng kín Trên sở phương pháp, tiến hành khảo sát ảnh hưởng tốc độ dịng khí tuần hồn tới độ chênh lệch nhiệt độ bên so với nhiệt độ mơi trường bên ngồi nhiệt độ bề mặt chíp trường hợp cơng suất nguồn nhiệt khác Từ đó, đề xuất giải pháp lựa chọn chi tiết tham số kết cấu ảnh hưởng đến thơng số dịng khí tuần hồn cho phù hợp với u cầu tốn tản nhiệt Đây phần tính tốn tản nhiệt việc thiết kế chế tạo khung vỏ dạng kín chuyên dụng gá bo mạch điện tử dùng quân sự, với tiêu khoảng chênh lệch nhiệt độ khung vỏ ngồi mơi trường khơng vượt q 20 oC, với môi trường làm việc - 50 oC MƠ HÌNH VÀ TÍNH TỐN TẢN NHIỆT 2.1 Mơ hình q trình truyền nhiệt Kết cấu khung vỏ chứa bo mạch điện tử thực mơ tả hình gồm: Bo mạch điện tử bố trí bên khung vỏ kín Gắn nhơm tản nhiệt với bề mặt chíp keo tản nhiệt (sau gọi chíp) Sử dụng hệ thống quạt gió tạo luồng khơng khí ln chuyển tuần hồn bên khung vỏ kín, qua bề mặt chíp bề mặt bên khung vỏ kín Bề mặt bên ngồi khung vỏ xẻ rãnh để tăng khả trao đổi nhiệt với mơi trường Dịng khí tuần hồn bên khung vỏ kín mơ tả hình Q trình truyền nhiệt từ bề mặt chíp ngồi môi trường thực qua giai đoạn sau: Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 84, 12 - 2022 159 Thông tin khoa học công nghệ - Tỏa nhiệt đối lưu cưỡng chíp dịng khí bên khung vỏ kín - Tỏa nhiệt đối lưu cưỡng dịng khí bề mặt bên khung vỏ kín Hình Kết cấu khung vỏ chứa bo mạch điện tử dạng kín Hình Mơ tả di chuyển dịng khí bên khung vỏ - Dẫn nhiệt qua vách khung vỏ: dẫn nhiệt từ vách vách - Tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên bề mặt khung vỏ mơi trường Khi q trình trao đổi nhiệt đạt cân lượng nhiệt từ chíp truyền sang dịng khí với lượng nhiệt truyền mơi trường Mục tiêu báo xác định tham số thiết kế hệ tuần hồn khí cho kết cấu có khả tản nhiệt nguồn nhiệt công suất Q0 chênh lệch nhiệt độ bên khung vỏ so với mơi trường ngồi khơng q Δtmax, đồng thời nhiệt độ bề mặt chíp khơng lớn giá trị tmax Hệ phương trình truyền nhiệt cho q trình trao đổi nhiệt nêu sau [6]: 1 (tw1 t f ) F1 Q0 (tw2 t f ) F2 Q0 (tw3 t f ) F3 Q0 t t Q f f F F F 3 2 Với Q0 công suất tỏa nhiệt khảo sát; α1, α2,α3 hệ số tỏa nhiệt bề mặt chíp dịng khí, dịng khí sang bề mặt vách trong, bề mặt vách ngồi mơi trường; tf1, tf2,tf3 nhiệt độ chíp, nhiệt độ trung bình vách trong, nhiệt độ mơi trường ngồi; F1 diện tích bề mặt chíp; F2 diện tích bề mặt vách trong; F3 diện tích bề mặt vách ngồi; δ chiều dày vách; λ hệ số dẫn nhiệt vật liệu chế tạo vách Hình Đồ thị độ chênh lệch nhiệt độ khung vỏ với môi trường theo công suất nguồn nhiệt tốc độ dịng khí 160 Hình Đồ thị khảo sát nhiệt độ bề mặt chíp theo cơng suất nguồn nhiệt tốc độ dịng khí L T Tài, T H Quân, “Giải pháp nâng cao khả tản nhiệt … bo mạch điện tử dạng kín.” Thơng tin khoa học công nghệ Các hệ số tỏa nhiệt xác định theo tiêu chuẩn đồng dạng [6, 7] Giải hệ phương trình giá trị khác cơng suất tỏa nhiệt vận tốc dịng khí nhiệt độ môi trường tw3 = 35 0C nhận giá trị chênh lệch nhiệt độ Δt nhiệt độ bề mặt chip tw1 tương ứng hình hình Từ đồ thị nhận thấy, tốc độ dịng khí có ảnh hưởng đáng kể tới khả tản nhiệt kết cấu khung vỏ chứa bo mạch điện tử dạng kín Khi tăng tốc độ dịng khí, giá trị cơng suất nguồn nhiệt, khả tản nhiệt kết cấu tăng Hiệu việc thay đổi tốc độ dịng khí giá trị công suất nguồn nhiệt cao thể rõ rệt so với giá trị công suất nguồn nhiệt thấp Ở vùng khảo sát tốc độ dịng khí cơng suất nguồn nhiệt, nhiệt độ bề mặt chíp 90 0C Dựa vào kết khảo sát sơ xác định tốc độ dịng khí cần thiết để đảm bảo khả tản nhiệt nguồn nhiệt công suất cho trước, thỏa mãn điều kiện chênh lệch nhiệt độ dịng khí bên với mơi trường bên ngồi nhiệt độ tối đa cho phép chíp, làm tiền đề để chế tạo kết cấu khung vỏ tản nhiệt KẾT QUẢ SẢN PHẨM CHẾ TẠO Tiến hành thí nghiệm xác định khả tản nhiệt kết cấu giá trị khác tốc độ dịng khí cơng suất tỏa nhiệt Thí nghiệm sử dụng quạt sử dụng điện áp định mức 12 V với lưu lượng dịng khí định mức quạt 16,4CFM (≈ 27,86 m3/h) Việc điều chỉnh lưu lượng dòng khí thực cách thay đổi giá trị điện áp cấp cho quạt Kết thử nghiệm độ chênh lệch nhiệt độ bên khung vỏ so với bên ngồi mơi trường thể bảng Giá trị tốc độ dịng khí V2 quy đổi theo điện áp làm việc lưu lượng định mức quạt gió Đồ thị so sánh kết thử nghiệm tính tốn thể hình Bảng Kết thử nghiệm chênh lệch nhiệt độ bên khung vỏ so với môi trường U(V) 10 11 12 Q0(W) V2(m/s) 2,83 3,23 3,63 4,03 4,37 4,84 20 50 70 7,7 7,4 6,5 6,2 6,0 5,8 14,7 13,8 13,6 12,5 12,2 11,8 25,1 22,8 22,0 21,1 20,0 19,1 Hình Đồ thị so sánh kết tính tốn lý thuyết thực nghiệm Từ bảng tổng hợp kết nhận thấy: - Khi tăng điện áp (tăng tốc độ quạt) chênh lệch nhiệt độ bên khung vỏ so với mơi trường bên ngồi mơi trường giảm, khung vỏ có khả tản nhiệt tốt Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 84, 12 - 2022 161 Thông tin khoa học công nghệ - Quy luật thay đổi chênh lệch nhiệt độ từ kết thử nghiệm phù hợp với kết tính tốn theo lý thuyết đồng dạng Ở cơng suất nguồn nhiệt 20 W 50 W sai lệch phương pháp không oC Ở công suất nguồn nhiệt cao (70 W) sai lệch oC KẾT LUẬN Trên sở giải toán tỏa nhiệt cho kết cấu khung vỏ chứa bo mạch điện tử dạng kín, báo đề xuất lựa chọn loại quạt phù hợp cho toán tản nhiệt nguồn nhiệt có cơng suất 70 W Kết thử nghiệm cho thấy chênh lệch nhiệt độ bên khung vỏ so với mơi trường bên ngồi quạt hoạt động công suất định mức không 20 oC Kết tương đương với số sản phẩm thương mại chào bán với giá thành cao Điều cho thấy lựa chọn giải pháp dùng quạt gió lưu thơng khơng khí bên hộp kín để tăng khả tản nhiệt phù hợp Đây coi bước ban đầu quan trọng cho nghiên cứu tản nhiệt khung vỏ chứa bo mạch điện tử dạng kín Dựa kết nghiên cứu báo tiếp tục nghiên cứu theo hướng tối ưu kết cấu khung vỏ để tăng khả tản nhiệt Lời cảm ơn: Nhóm tác giả cảm ơn tài trợ kinh phí đề tài “Nghiên cứu , thiết kế, chế tạo thiết bị khung vỏ chuyên dụng gá bo mạch điện tử dùng quân sự”, giúp đỡ ý tưởng khoa học TS Nguyễn Trung Kiên, TS Nguyễn Thanh Bình – Viện Khoa học Công nghệ quân TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] H Y Li, M H Chang, C I Lee, W J Yang, “Thermal performance of plate –fin vapor chamber heat sinks,” Int Commun Heat Mass Transf 37(7), pp 731-738, (2010) [2] Atrenne Intergrated Solutions “Choosing the right cooling methodology”, Atrenne.com, (2016) [3] Mike DeGaetano, “Thermal Management for VIA™ and ChiP™ Modules”, Vicor Corporation, (2017) [4] H E Ahmed, B H Salman, A S Kherbeet, M I Ahmed, “Oprimization of thermal design of heat sinks: A review”, Int J Heat Mass Transf., vol 18, pp 129-153, (2018) [5] W D Jheng, S H Chen, Z Y Lin, “The efficiency of thermoelectric chip by different heat sink”, Appl Mech Mater., Vol 121-126, pp 2974-2978, (2012) [6] N Bốn, H N Đồng, “Nhiệt kỹ thuật”, NXB Giáo dục (1999) [7] B Hải, H N Hồng, “Bài tập Kỹ thuật nhiệt”, NXB Khoa học Kỹ thuật (1999) [8] A Amoako, J Doom, “Optimization of heat sinks in a range of configurations”, Jt Thermophys Heat Transf Conf., (2018) [9] V C Hải, H D Hùng, L Quốc, L H Anh, “Kỹ thuật nhiệt”, NXB Khoa học Kỹ thuật (2012) ABSTRACT A solution to improve heat dissipation for closed circuit board chassis This paper presents the results of research on a solution to increase the heat dissipation for the enclosure containing the closed circuit board using a blower to circulate the air inside Building models and methods to solve heat transfer problems On that basis, investigating the influence of air flow velocity on the temperature difference between the inside and the outside environment and the chip surface temperature The article also proposes to choose the right type of blower for a heat dissipation plan with a specific heat source capacity and conduct verification tests The research results of the article can be applied when designing a heatsink housing containing a closed circuit board Keywords: Heatsink chassis; Enclosed circuit board; Convection heat dissipation 162 L T Tài, T H Quân, “Giải pháp nâng cao khả tản nhiệt … bo mạch điện tử dạng kín.” ... công nghệ - Tỏa nhiệt đối lưu cưỡng chíp dịng khí bên khung vỏ kín - Tỏa nhiệt đối lưu cưỡng dịng khí bề mặt bên khung vỏ kín Hình Kết cấu khung vỏ chứa bo mạch điện tử dạng kín Hình Mơ tả di... Trên sở giải toán tỏa nhiệt cho kết cấu khung vỏ chứa bo mạch điện tử dạng kín, báo đề xuất lựa chọn loại quạt phù hợp cho toán tản nhiệt nguồn nhiệt có cơng suất 70 W Kết thử nghiệm cho thấy... chọn giải pháp dùng quạt gió lưu thơng khơng khí bên hộp kín để tăng khả tản nhiệt phù hợp Đây coi bước ban đầu quan trọng cho nghiên cứu tản nhiệt khung vỏ chứa bo mạch điện tử dạng kín Dựa kết