I denne case vil vi undersøge, hvordan CFD-simulationer kan forbedre elektronikkøling i et forenklet set-up med et kabinet, som indeholder et PCB (Printed Circuit Board).

Hvad er problemet?

PCB'et indeholder 1 GPU og 8 hukommelseschips. De producerer alle varme og har en maksimal tilladt ”junction temperatur” temperatur på 70°C. Junction temperaturen er den højeste temperatur i chippen. For at fjerne noget af varmen er der installeret en blæser ved indløbet.

Vi har en fornemmelse af, at det ikke er tilstrækkeligt med én blæser. Men hvor dårlig er situationen egentlig?

Og hvad er nødvendigt for at opnå en acceptabel temperatur?

Hvordan løser vi det?

For at vurdere temperaturerne og forbedre kølingen brugte vi CFD-simulationer til at simulere forskellige scenarier, som kunne have en positiv virkning på kølingen. Processen involverede følgende trin:

1. Model-opbygning: Første trin var at designe en 3D-model af kabinettet og de elektroniske komponenter.
2. Mesh-generering: Dette trin indebærer opdeling af geometrien i små elementer kaldet meshes. Mesh-størrelsen og kvaliteten har en betydelig indvirkning på nøjagtigheden og effektiviteten af ​​simulationen. Ekspertviden og software spiller en vigtig rolle på dette stadie i processen.
3. Valg af fysik og solver: Her specificeres de relevante fysiske fænomener og deres styringsligninger. I dette tilfælde er turbulent strømning og varmeoverførsel for både luft og faste stoffer vigtige fysiske aspekter. Solveren er ansvarlig for at løse styringsligningerne. Den passende solver vælges ud fra problemets kompleksitet og beregningsmæssige effektivitet.
4. Modelopsætning: Her defineres de fysiske egenskaber for luft og komponenter, såsom densitet, viskositet og termisk ledningsevne. Randbetingelser, fx flow rate og temperatur på luften som blæseren sender in i kabinettet, fastsættes også.
5. Simulering: Simuleringen køres for at opnå resultater af temperaturfordelingen og luftstrømningshastigheden i systemet. Resultaterne analyseres derefter og sammenlignes med de ønskede resultater.
6. Iteration: Baseret på resultaterne gentog vi og afprøvede forskellige kølescenarier, indtil vi fandt løsningen, der matchede vores specifikke behov.

Iterationer

Den indledende simulering med én blæser som eneste køling viste en junction temperatur på over 300°C, langt over den tilladte grænse.

For at sænke temperaturen fra 300°C tilføjede vi en køleplade til PCB'et, hvilket reducerede temperaturen til omkring 90°C. Da denne temperatur stadig var for høj, tilføjede den næste iteration også en blæser ved udløbet, hvilket bragte temperaturen ned under 80°C.

I vores endelige iteration og forsøg på at komme under 70°C, blev PCB'et placeret i luftstrømmen fra indløbsblæseren. Dette medvirkede en samlet temperatur på 69°C, og endelig havde vi nået et acceptabelt temperaturniveau inde i skabet, som vist på billedet nedenfor.

Hvad lærte vi?

CFD-simuleringerne viste os, at tilføjelse af en køleplade og en blæser ved udløbet hjalp med at reducere temperaturen, men det var ikke nok til at holde temperaturen under den tilladte grænse. Kun ved at bruge en blæser ved både indløb og udløb kombineret med en optimeret positionering af PCB'et, var det muligt at sænke den samlede temperatur til et acceptabelt niveau.

Denne enkle case fremhæver vigtigheden af at bruge CFD-simulationer til at optimere termiske løsninger for elektronik. Den viser også den iterative proces, der skal til for at finde den mest effektive løsning, hvilket tillader designeren at validere produktets effektivitet.

Synes du at CFD er et interessant emne, kan du læse mere om Computational Fluid Dynamics her. Tænker du, at CFD måske kan bringe værdi til din virksomhed, så tøv ikke med at kontakte vores CTO Jacob til en snak om mulighederne: