Elektroniikan komponenttien ylikuumentuminen rikkoo laitteita. Kaj Lampion väitöskirjassaan esittelemän menetelmän avulla voidaan saavuttaa huomattavia säästöjä, kun komponenttien jäähdytykseen käytettävien rivastojen koko pienenee ja rakenne kevenee.
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, Tampereen teknillisessä yliopistossa energiatekniikan alalta väittelevä Kaj 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 kehitti väitöstutkimuksessaan uuden tavan jäähdytysrivastojen rakenteiden optimoinnille. Siinä yhdistyvät monitavoitteinen optimointi ja rakenteen lämmönsiirron nopea laskentamalli. Laskentamallissa on yhdistetty analyyttisia ja numeerisia laskentamenetelmiä. Verrattuna perinteisiin ratkaisumenetelmiin (esimerkiksi CFD), tämä uusi laskentamalli vähentää rakenteen lämmönsiirron ja virtauksien laskentaan tarvittavaa aikaa tunneista sekunteihin.
– Tyypillisessä optimointitapauksessa lasketaan satoja erilaisia rakenteita, jolloin uudella laskentamallilla saadaan vähennettyä optimointiin tarvittavaa aikaa useista päivistä tai viikoista muutamaan tuntiin. Tämä mahdollistaa optimoinnin jokaiselle uudelle komponenttijoukolle erikseen. Optimoinnin avulla saadaan vähennettyä jäähdytyksessä käytetyn rivaston painoa ja kokoa jopa kymmeniä prosentteja, Lampio kertoo.
– Jäähdytysrivastoja valmistavan teollisuuden liikevaihto on suuruusluokassa kymmenen miljardia euroa. Uudella laskentamallilla pystyttäisiin siis saavuttamaan huomattavia säästöjä.
Väitöstilaisuus oli 24.8.2018
Diplomi-insinööri Kaj Lampion väitöskirja Optimization of Fin Arrays Cooled by Forced or Natural Convection tarkastettiin julkisesti Tampereen teknillisen yliopiston teknis-luonnontieteellisessä tiedekunnassa 24.8.2018.
Vastaväittäjinä toimivat professori Bengt Sundén Lundin yliopistosta Ruotsista ja dosentti Jussi Hakanen Jyväskylän yliopistosta. Tilaisuutta valvoi emeritusprofessori Reijo Karvinen TTY:ltä. Työn valvoja on professori Jukka Konttinen TTY:n kemian ja biotekniikan laboratoriosta.
INFO
Väitöskirjaan voi tutustua verkossa osoitteessa http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-15-4175-9
Lisätiedot: Kaj Lampio, puh. 0500 813 701, kaj.lampio@tut.fi
