Análise de dissipadores térmicos para componentes eletrônicos de alta potência em um equipamento embarcado em aeronave

Abstract

O presente trabalho propõe um estudo numérico a fim de avaliar a eficiência de dissipadores de calor com diferentes geometrias e materiais construtivos. Eles serão instalados em uma placa de circuito impresso a qual possui processadores que dissipam uma grande quantidade de energia. O sistema faz parte de um computador instalado em uma aeronave de grande porte, de forma que severas condições de contorno são impostas e se fazem de fundamental importância na análise. Os dissipadores propostos são placas que possuem furos circulares ou furos quadrados para a passagem do escoamento e dois materiais construtivos, alumínio ou cobre. O “software” utilizado para realizar as simulações computacionais em volumes finitos será o CFX da ANSYS, Inc., auxiliado pelo “software” de desenho 3D SolidWorks da Dassault Systèmes S.A. O escoamento no interior dos furos circulares está na região de transição e no interior dos furos quadrados foi caracterizado como laminar. Foi possível, dessa forma, a partir de um modelo laminar, simular a troca de calor entre os dissipadores e os processadores, encontrando-se, que ainda possuindo uma menor área de contato com o fluido, os furos circulares são mais eficientes, pois sua menor área de seção contribui para uma maior velocidade no interior dos furos. Quanto ao material construtivo, as melhores propriedades de condutividade térmica do cobre se mostraram vantajosas na remoção de calor dos processadores. As temperaturas máximas do processador mais quente ficaram entre 90,7 ºC para o dissipador com furos circulares em cobre e 95,3 °C para o dissipador de furo quadrado em alumínio. Como somente o dissipador foi estudado, não se observando os efeitos do escoamento externo, conclui-se que qualquer das geometrias ou materiais estudados podem ser utilizados para este problema, pois não se atinge o limite de operação do processador de 100 °C.

This report proposes a numerical study to evaluate the efficiency of heat sinks with different geometries and constructive materials. They will be installed on a printed circuit board which has processors that dissipate a large amount of energy. The system is part of a computer installed in a large aircraft, so there are severe boundary conditions imposed and they are of fundamental importance in the analysis. The proposed heat sinks are plates with circular or square holes for the passage of flow and two constructive materials, aluminum or copper. The software employed to perform computer simulations in finite volumes will be the CFX from ANSYS, Inc., aided by the 3D design software SolidWorks from Dassault Systèmes S.A. The flow inside the circular holes is in the transition region, and inside the square holes was characterized as laminar. It was possible, therefore, from a laminar model, simulate the heat exchange between the heat sinks and processors, finding that still having a smaller contact area with the fluid, circular holes are more efficient because its lower sectional area leads to a higher velocity within the holes. Regarding the constructive material, better thermal conductivity properties of the copper proved valid for the removal of heat from the processors. The maximum temperatures of the hottest processor were between 90.7 º C (heat sink with circular holes made of copper) and 95.3 ° C (heat sink with square holes made of aluminum). Since only the heat sink was studied - the effects of external flow were not observed - it is concluded that any of the tested materials or geometries may be used for this problem, because the operational limit of 100 °C is not reached by the processors.