Trước yêu cầu của thực tiễn, để khắc phục những nhược điểm của các phương pháp tản nhiệt truyền thống, thầy hướng dẫn đã định hướng và giao nhiệm vụ cho nghiên cứu đề tài. “Nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc gió và kết cấu cơ khí đến đặc tính tản nhiệt của thiết bị SiteRouter” Thuyết minh đồ án gồm 69 trang gồm 4 chương: Chương 1: Tổng quan. Chương 2: Tính toán thiết kế tản nhiệt cánh cho thiết bị SiteRouter Chương 3: Thiết kế điều khiển hệ thống quạt làm mát cho thiết bị Chương 4: Kết luận
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - ĐINH SỸ THÔNG Họ tên tác giả luận văn ĐINH SỸ THÔNG CƠ ĐIỆN TỬ TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Nghiên cứu ảnh hưởng vận tốc gió kết cấu khí đến đặc tính tản nhiệt thiết bị SiteRouter LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CƠ ĐIỆN TỬ 2017A Hà Nội – Năm 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Họ tên tác giả luận văn ĐINH SỸ THÔNG TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Nghiên cứu ảnh hưởng vận tốc gió kết cấu khí đến đặc tính tản nhiệt thiết bị SiteRouter Chuyên ngành : CƠ ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CƠ ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS Đặng Thái Việt Hà Nội – Năm 2019 SĐH.QT9.BM11 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn : ………………………………… …………… Đề tài luận văn: ………………………………………… …………… .… Chuyên ngành:…………………………… ………………… … Mã số SV:………………………………… ………………… … Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày… .………… với nội dung sau: …………………………………………………………………………………………………… ……… …………………………………………………………………………………………… ………………… ………………………………………………………………………………… …………………………… ……………………………………………………………………… ……………………………………… …………………………………………………………… ………………………………………………… ………………………………………………… …………………………………………………………… ……………………… Ngày Giáo viên hướng dẫn tháng năm Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 11 1.1 Lý thuyết truyền nhiệt dựa nguyên lý dẫn nhiệt 13 1.2 Lý thuyết truyền nhiệt dựa nguyên lý đối lưu 15 1.3 Lý thuyết truyền nhiệt dựa nguyên lý xạ 16 CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN THIẾT KẾ TẢN NHIỆT CÁNH CHO THIẾT BỊ SITEROUTER 18 2.1 Cơ sở tính tốn nhiệt trở cho tản nhiệt 19 2.2 Thông số tối ưu hóa với mơ hình thực nghiệm 21 2.3 Mô nhiệt 23 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG QUẠT LÀM MÁT CHO THIẾT BỊ SITEROUTER 29 3.1 Yêu cầu toán điều khiển: 29 3.2 Đọc liệu nhiệt độ từ Sensor đo nhiệt 30 3.2.1 Cảm biến nhiệt độ LM35 30 3.2.2 Nguyên lý hoạt động chung IC đo nhiệt độ: 32 3.3 Điều khiển tốc độ quạt bám theo liệu nhiệt đo từ cảm biến 34 3.3.1 Lựa chọn linh kiện vi điều khiển 34 3.3.2 Cơ sở phương pháp điều khiển xung PWM 52 3.3.3 Mạch điều khiển nguyên lý hoạt động 53 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 56 PHỤ LỤC …………………………………………………………….57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 LỜI NĨI ĐẦU Hiện tốn tản nhiệt cho chip điện tử, vi xử lý thiết bị điện, điện tử đặc biệt thiết bị viễn thông SiteRouter hoạt động cường độ cao trình cấp thiết giúp tăng tuổi thọ sản phẩm hiệu sử dụng Một số nhà cung cấp thiết bị viễn thông Huawei, Ericson, Cisco…đã đưa giải pháp cho trình làm mát dùng chất lỏng, khí lạnh,heat pipe nhiên kết cấu phức tạp, giá thành đắt hiệu chưa cao Trước yêu cầu thực tiễn, để khắc phục nhược điểm phương pháp tản nhiệt truyền thống, thầy hướng dẫn định hướng giao nhiệm vụ cho nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng vận tốc gió kết cấu khí đến đặc tính tản nhiệt thiết bị SiteRouter” Thuyết minh đồ án gồm 69 trang gồm chương: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Tính tốn thiết kế tản nhiệt cánh cho thiết bị SiteRouter Chương 3: Thiết kế điều khiển hệ thống quạt làm mát cho thiết bị Chương 4: Kết luận Dù cố gắng hoàn thành đề tài với cường độ làm việc cao, kỹ lưỡng hướng dẫn cụ thể, nhiệt tình thầy mơn điện tử ứng dụng thực tiễn quan làm việc, hiểu biết hạn chế cộng với điều kiện đo kiểm thực nghiệm giới hạn mặt thiết bị nên chắn luận văn khơng tránh khỏi khả thiết sót bất cập Vì em mong sửa chữa góp ý hội đồng, q thầy để em rút kinh nghiệm bổ sung thêm kiến thức cho thân Cuối em xin chân thành cảm ơn quan tâm bảo thầy cô môn Cơ Điện Tử trường Đại học Bách khoa Hà Nội đặc biệt hướng dẫn tận tình TS Đặng Thái Việt giúp em hoàn thành luận văn Hà Nội, ngày 10 tháng năm 2019 Học viên thực hiện: Đinh Sỹ Thông DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT Kí hiệu/ Nội dung Đơn vị Từ viết tắt A Diện tích mặt tiếp xúc m2 Ac Diện tích mặt cắt cánh tản nhiệt m2 Af = H.W Tổng diện tích mặt trước m2 Ap Diện tích biên dạng cánh tản nhiệt m2 α Hệ số tỏa nhiệt đối lưu phụ thuộc nhiều W/m2.K tham số xác định thực nghiệm b Khoảng cách cánh tản nhiệt m C=120 F Là diện tích bề mặt trao đổi nhiệt m2 H Chiều cao tản nhiệt m 10 k= 209 11 θb Là số Sutherland khơng khí Hệ số dẫn nhiệt vật liệu Al6063-T5 Chênh lệch nhiệt độ tản nhiệt với nhiệt độ W/m.K K,0C môi trường = Tb- T0 12 λ Hệ số dẫn nhiệt vật liệu 13 L Là chiều dài tản nhiệt 14 μ Là độ nhớt động nhiêt độ đầu vào T0 15 μ0= 18,27x10-6 16 17 N W/m.K m Độ nhớt tham chiếu nhiêt độ chuẩn T0 W t 1 bt Số cánh tản nhiệt Qx Là nhiệt lượng truyền theo phương x W giây 18 Q Là nhiệt lượng tỏa giây vật 19 qx Là mật độ dòng nhiệt truyền theo phương x W W/m2 20 Rɵ Là đại lượng đặc trưng cho khả cản trở K/W dòng nhiệt vật 21 Rsink Là đại lượng đặc trưng cho khả cản trở dòng nhiệt tản nhiệt 22 Rfin Là đại lượng đặc trưng cho khả cản trở dòng nhiệt cánh tản nhiệt 23 T Là nhiệt độ tuyệt đối vật K 24 ΔT = T1-T2 Độ chênh lệch nhiệt qua vách K,0C 25 Tw Là nhiệt độ trung bình vật K,0C 26 Tf Là nhiệt độ trung bình dịng khí hay chất K,0C lỏng 27 T0=291,15 Là nhiệt độ chuẩn với khơng khí K 28 T0=273+55 Nhiệt độ tuyệt đối môi trường K 29 t Là chiều dày cánh tản nhiệt m 30 tb Là chiều dày phần đế tản nhiệt m 31 W Là chiều rộng tản nhiệt m DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ STT Hình Nội dung Trang Hình 1.1 Dẫn nhiệt từ vùng có nhiệt độ cao đến vùng có 12 nhiệt độ thấp Hình 1.2 Dẫn nhiệt qua vách phẳng nhiệt trở tương 13 đương Hình 1.3 Q trình đối lưu 14 Hình 1.4 Mơ hình tương đương nhiệt trở đối lưu 14 Hình 1.5 Hiện tượng xạ nhiệt 15 Hình 2.1 Hình ảnh thiết bị SiteRouter 16 Hình 2.2 Kết cấu tản nhiệt 17 Hình 2.3 Đồ thị thể mối quan hệ nhiệt trở tản 20 nhiệt Rsink với chiều dày cánh t v=1m/s Hình 2.4 Đồ thị thể mối quan hệ nhiệt trở tản 21 nhiệt Rsink với chiều dày cánh t v=5m/s 10 Hình 2.5 Mơ tản nhiệt với N=15, v=1m/s 24 11 Hình 2.6 Mơ tản nhiệt với N=8, v=1m/s 24 12 Hình 2.7 Mơ tản nhiệt với N=10, v=1m/s 24 13 Hình 2.8 Mơ tản nhiệt với t=0.8 mm, v=5m/s 25 14 Hình 2.9 Mô tản nhiệt với t=0.8 mm, v=5m/s 25 15 Hình 2.10 Mơ tản nhiệt với t=0.8 mm, v=5m/s 25 16 Hình 3.1 Lưu đồ điều khiển tốc độ gió quạt làm mát tản 27 nhiệt 17 Hình 3.2 Hình dạng sơ đồ chân IC cảm biến LM35 28 18 Hình 3.3 Sơ đồ mạch module đọc liệu nhiệt độ từ cảm 31 biến LM35 19 Hình 3.4 Cấu trúc vi điều khiển 32 20 Hình 3.5 Vi điều khiển 8051 35 21 Hình 3.6 Sơ đồ chân vi điều khiển Atmega 16 38 22 Hình 3.7 Sơ đồ khối điều khiển Atmega 16 39 23 Hình 3.8 Vi điều khiển STM8 43 24 Hình 3.9 Sơ đồ chân STM32S 47 25 Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý điều khiển động chiều dùng 47 PWM 26 Hình 3.11 Vị trí quạt tản nhiệt heatsink cho chip T2080 27 Hình 3.12 28 Hình 3.13 Sơ đồ Layout mạch điều khiển 49 29 Hình 3.14 Mạch pcb điều khiển hệ thống 49 30 Hình 3.15 57 31 Hình 3.16 60 32 Hình 3.17 63 33 Hình 3.18 65 34 Hình 3.19 66 sơ đồ nguyên lý cho mạch điều khiển Fan 48 48 10 Hình 3.12: sơ đồ nguyên lý cho mạch điều khiển Fan Sơ đồ Layout mạch in: Hình 3.13: sơ đồ Layout mạch điều khiển 54 Mạch điện dạng 3D Hình 3.14: Mạch pcb điều khiển hệ thống 55 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN Hoàn thành tốt nghiệp chuyên ngành thạc sĩ điện tử em đúc rút nhiều kinh nghiệm thiết kế chế tạo sản phẩm thiết bị cơng nghiệp - Có hiểu biết chung công nghệ nhiệt nắm vững nguyên lý truyền dẫn nhiệt loại vật chất rắn, lỏng, khí - Tối ưu hóa thiết kế tản nhiệt cánh đùn mang lại hiệu cao mang tính kinh tế - Định hướng điều khiển kiểm soát tốc độ gió tản nhiệt - Hiểu quy trình tính tốn mơ hình mơ nhiệt ansys Icepack nhằm phục vụ thiết kế chế tạo sản phẩm tản nhiệt cho thiết bị điện, điện tử Tuy nhiên, trình độ điều kiện đo kiểm thực tế hạn chế nên trình thực luận văn em khơng thể tránh khỏi sai sót Em mong hướng dẫn, bảo thầy cô, góp ý quý báu hội đồng để giúp em củng cố hồn thiện kiến thức Em xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới TS Đặng Thái Việt tận tình hướng dẫn, giúp đỡ chúng em suốt trình làm đồ án Đồng thời cảm ơn thầy, cô môn Cơ Điện Tử trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội hỗ trợ giúp em hồn thành luận văn 56 PHỤ LỤC Chương trình chạy vi xử lý STM8 Lập trình code cho vi điều khiển STM8S103 /** ********************************************************************** ******* * File Name : main.c * Description : Main program body ********************************************************************** ******* * * COPYRIGHT(c) 2019 STMicroelectronics * * Redistribution and use in source and binary forms, with or without modification, * are permitted provided that the following conditions are met: * Redistributions of source code must retain the above copyright notice, * this list of conditions and the following disclaimer * Redistributions in binary form must reproduce the above copyright notice, * this list of conditions and the following disclaimer in the documentation * and/or other materials provided with the distribution * Neither the name of STMicroelectronics nor the names of its contributors * may be used to endorse or promote products derived from this software * without specific prior written permission * * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS "AS IS" 57 * AND ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE ARE * DISCLAIMED IN NO EVENT SHALL THE COPYRIGHT HOLDER OR CONTRIBUTORS BE LIABLE * FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR * SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER * CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY, * OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE * OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE * ********************************************************************** ******** */ /* Includes */ #include "iostm8s103k3.h" /* USER CODE BEGIN Includes */ 58 /* USER CODE END Includes */ /* Private variables -*/ /* USER CODE BEGIN PV */ /* Private variables -*/ /* USER CODE END PV */ /* Private function prototypes -*/ void SystemClock_Config(void); static void MX_GPIO_Init(void); /* USER CODE BEGIN PFP */ /* Private function prototypes -*/ /* USER CODE END PFP */ /* USER CODE BEGIN */ /* USER CODE END */ /*Khai bao bien*/ GPIO_InitTypeDef TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_OCInitTypeDef GPIO_InitStructure; TIM_TimeBaseStructure; TIM_OCInitStructure; void Delay_ms(uint16_t time); 59 void TIM4_Configuraion(void); int main(void) { TIM4_Configuraion(); TIM_SetCompare4(TIM4,2000); while (1) { } } void Delay_ms(uint16_t time) { uint32_t time_n=time*12000; while(time_n!=0){time_n ;} } void TIM1_Configuraion(void) { /*Cap clock*/ RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE); /*Cấu hình chân*/ GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; 60 GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); /* cau hinh timer base */ TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 7199; TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 9999; TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter = 0; TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure); /* cau hinh channel4 o mode PWM */ TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 5000; TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; TIM_OC4Init(TIM4, &TIM_OCInitStructure); TIM_OC4PreloadConfig(TIM4, TIM_OCPreload_Enable); TIM_ARRPreloadConfig(TIM4, ENABLE); /* cho phep TIM4 hoat dong */ TIM_Cmd(TIM4, ENABLE); int main(void) { /* USER CODE BEGIN */ 61 t = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOD, GPIO_PIN_1); /* USER CODE END */ float temperature = (5.0*t*100.0/1024.0); if(t=65 && t75 && t =80 && t95) { HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, TOGGLE_PIN); } /* MCU Configuration */ 62 /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick */ HAL_Init(); /* Configure the system clock */ SystemClock_Config(); /* Initialize all configured peripherals */ MX_GPIO_Init(); /* USER CODE BEGIN */ /* USER CODE END */ /* Infinite loop */ /* USER CODE BEGIN WHILE */ while (1) { /* USER CODE END WHILE */ /* USER CODE BEGIN */ } /* USER CODE END */ } /** System Clock Configuration 63 */ void SystemClock_Config(void) { RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct; RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct; RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSI; RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON; RCC_OscInitStruct.HSICalibrationValue = 16; RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_NONE; HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct); RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2; RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_HSI; RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1; RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1; RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1; HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_0); HAL_SYSTICK_Config(HAL_RCC_GetHCLKFreq()/1000); HAL_SYSTICK_CLKSourceConfig(SYSTICK_CLKSOURCE_HCLK); /* SysTick_IRQn interrupt configuration */ HAL_NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, 0, 0); 64 } /** Configure pins as * Analog * Input * Output * EVENT_OUT * EXTI */ void MX_GPIO_Init(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; /* GPIO Ports Clock Enable */ HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE(); HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE(); /*Configure GPIO pin : PD1 */ GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_1; GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG; HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct); } /* USER CODE BEGIN */ 65 /* USER CODE END */ #ifdef USE_FULL_ASSERT /** * @brief Reports the name of the source file and the source line number * where the assert_param error has occurred * @param file: pointer to the source file name * @param line: assert_param error line source number * @retval None */ void assert_failed(uint8_t* file, uint32_t line) { /* USER CODE BEGIN */ /* User can add his own implementation to report the file name and line number, ex: printf("Wrong parameters value: file %s on line %d\r\n", file, line) */ /* USER CODE END */ } #endif /** * @} */ /** * @} */ /********* (C) COPYRIGHT STMicroelectronics *****END OF FILE****/ 66 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A Bejian, Entropy Generation Through Heat and Fluid Flow, New York;Wiley,1982 [2] W.M.Kays and A.L.London, Compact Heat Exchangers,New York:McGraw-Hill,1984 [3] A.Bejan, Entropy Generation Minimization,Boca Raton,FL;CRC Press,1996 [4] PGS.TS Võ Chí Chính, Kỹ Thuật Nhiệt,nhà xuất khoa học kĩ thuật Hà Nội,2006 [5] PGS.TS.Nguyễn Bốn, Nhiệt Kỹ Thuật, nhà xuất Hà Nội,2003 [6] Xiaobing Luo and Wei Xiong,“ Design and Optimization of Horizontallylocated Plate Fin Heat Sink for High Power LED street Lamps”, IEEE,China,2009 [7] Ir C.J.M Lasance,” Heat transfer Theory applied to Thermal Design and Cooling of Electronics Workshop”,Philips Research, 2003 68 ... cho luận văn thạc sĩ khoa học: Nghiên cứu ảnh hưởng vận tốc gió kết cấu khí đến đặc tính tản nhiệt thiết bị SiteRouter Trong cơng nghệ nhiệt lạnh ngày nay, phát triển đa dạng từ vật liệu đến. .. DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Họ tên tác giả luận văn ĐINH SỸ THÔNG TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Nghiên cứu ảnh hưởng vận tốc gió kết cấu khí đến đặc tính tản nhiệt thiết. .. cho nghiên cứu đề tài ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng vận tốc gió kết cấu khí đến đặc tính tản nhiệt thiết bị SiteRouter? ?? Thuyết minh đồ án gồm 69 trang gồm chương: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Tính