Lista przedmiotów z materiałami udostępnionymi dla studentów

IFE – Mechanical Engineering

IFE – Biomedical Engineering

OiZ - Elektronika Medyczna

IFE – Pattern Recognition

Dla_studentów
  • Increase font size
  • Default font size
  • Decrease font size
Wpływ wilgotności powietrza na proces chłodzenia układów elektronicznych Drukuj

Przedmiotem wniosku były badania pilotażowe dotyczące wpływu wilgotności powietrza na proces chłodzenia układów elektronicznych.

Dostępne wcześniej publikacje koncentrowały się na teoretycznym opisie wpływu wilgotności na parametry termofizyczne powietrza (lepkość, ciepło właściwe, przewodność cieplną, liczbę Nusselta itd) i nie zawierały badań eksperymentalnych. W związku z powyższym, w ramach zrealizowanego projektu za kluczowe uznano przeprowadzenie badań eksperymentalnych i potwierdzenie lub wykluczenie wpływu wilgotności na sprawność procesu chłodzenia układów elektronicznych.

Pierwszym krokiem był zakup ze środków własnych komory badań cieplnych. Wybrano komorę Binder ED115 ze względu na użyty w niej układ grzania płaszczem z obiegiem grawitacyjnym i dużą stabilność warunków w komorze. Ze względu na ograniczenia dopuszczalnej wilgotności w komorze, już na tym etapie podjęto decyzję o konieczności realizacji kluczowych dla działania naukowego badań w komorze klimatycznej. Ze względu na wymuszane przez wentylator mieszający ruchy powietrza wewnątrz komory klimatycznej, konieczne było zaprojektowanie i wykonanie wewnętrznej komory pomiarowej, która osłoniłaby badany układ elektroniczny, a zarazem umożliwiłaby przeprowadzenie pomiarów w stabilnych warunkach temperatury i wilgotności. Konieczne było też wyposażenie komory pomiarowej w otwór umożliwiający wymieszanie powietrza w całym układzie, a po ustabilizowaniu się warunków, jej odcięcie od obiegu powietrza w komorze klimatycznej. Po szeregu prób z różnymi rozwiązaniami, ostatecznie zbudowano komorę pomiarową składającą się z ramy wykonanej z profili Bosch Rexroth, do której przykręcono ścianki z blachy aluminiowej. Kierując się zaleceniami norm JEDEC JESD-51 oraz wielkością planowanej do użycia komory klimatycznej, komora pomiarowa miała postać sześcianu o boku 34 cm. W poszczególnych ściankach umieszczono termowizyjne okno transmisyjne, regulowany wywietrznik rozetowy oraz przepusty kablowe. Użyto modułowych przepustów kablowych firmy Icotek. Zaletą tak zbudowanej komory pomiarowej była możliwość jej dowolnej rekonfiguracji w trakcie eksperymentów. Po ukończeniu montażu ostatecznej wersji komory pomiarowej, została ona poddana próbom w komorze badań cieplnych w celu potwierdzenia jej stabilności mechanicznej w podwyższonej temperaturze i ustalenia sposobu optymalnego ułożenia przewodów. Do kontroli warunków panujących wewnątrz komory klimatycznej oraz komory pomiarowej użyto kompletu miniaturowych czujników temperatury i wilgotności Sensirion SHT-85. Ich wybór został podyktowany małymi rozmiarami oraz zakresem temperatury pracy. W kolejnym etapie zbudowano układ umożliwiający regulację i stabilizację temperatury złącza pracującego tranzystora (60/90/120/150 0C). Po ustabilizowaniu się temperatury układu, moc wydzielana w obwodzie tranzystora stanowiła miarę sprawności jego chłodzenia.

Do badań użyto komorę klimatyczną ESPEC SH-661 udostępnioną przez Zakład Techniki Podczerwieni i Termowizji IOE WAT. Tranzystor pomiarowy wraz z radiatorem umieszczono w komorze pomiarowej, a tę ostatnią w komorze klimatycznej. Odczyt mocy wydzielanej w tranzystorze był realizowany za pomocą mikrowoltomierza AXIOMET AX-178 podłączonego do regulatora i był rejestrowany bezpośrednio na komputerze. Przeprowadzono pomiary dla kolejnych kombinacji temperatury i wilgotności względnej, wynikających z zakresu regulacji parametrów komory. Wykonano kilka serii pomiarów: stabilizacja warunków-pomiar-przywrócenie warunków początkowych-pomiar-itd. Na zakończenie, tranzystor pomiarowy umieszczono na radiatorze kanałowym z wentylatorem Sanyo Denki 9GT i powtórzono badania wykonane wcześniej dla warunków konwekcji naturalnej. Nie uzyskano jednak powtarzalnych wyników pomiarów. Przyczyną była zbyt mała komora pomiarowa prowadząca do silnych turbulencji. Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono brak istotnego wpływu wilgotności powietrza na efektywność chłodzenia układów, dla konwekcji naturalnej. Zjawisko to można więc pominąć w procesie modelowania i projektowania układów.

Planowane jest kontynuowanie tych badań. Konieczne jednak będzie uzyskanie dostępu do dużo większej komory klimatycznej lub zbudowanie własnej, np. w oparciu o konstrukcję komory mroźniczej.

Kierownik projektu: dr inż. Marcin Kałuża

Lata: 2018 – 2019

Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Nauki w ramach konkursu MINIATURA.

Publikacja:

Kopeć, Michał & Olbrycht, Robert & Gamorski, Piotr & Kałuża, Marcin. (2018). The Influence of Air Humidity on Convective Cooling Conditions of Electronic Devices. IEEE Transactions on Industrial Electronics. PP. 1-1. 10.1109/TIE.2018.2823661.

Pole prędkości i rozkład temperatury dla tego samego momentu (500 s od początku): Temperatura (°C) pokazana na wykresie powierzchni, pole prędkości (m/s) pokazane na wykresie objętości strzałki. (a) Powietrze o wilgotności względnej 21%. (b) Powietrze o wilgotności względnej 100%.