Elektroniikkakotelon jäähdytystehokkuuden parantaminen AM-teknologiaa hyödyntäen

Abstract

Opinnäytetyössä tutkittiin, suunniteltiin ja kehitettiin erilaisia ratkaisuvaihtoehtoja elektroniikkakotelon jäähdytystehokkuuden parantamiseksi. Ratkaisuvaihtoehtojen suunnittelu keskittyi ainetta lisääviä valmistustekniikoita hyödyntäviin ratkaisuihin, niiden tuomiin etuihin sekä materiaalivaihtoehtoihin. Suunnittelussa otettiin myös huomioon lentokonekäytön tuomat lisävaatimukset ja tavoitteet suunnitelluille ratkaisuille.

Työssä tutkittiin erilaisia toteutuskelpoisia ratkaisuvaihtoehtoja jäähdytyksen tehostamiseksi. Näistä vaihtoehdoista valittiin kaksi erilaista lähestymistapaa, joita työstettiin eteenpäin. Ensimmäiseksi kehitettäväksi vaihtoehdoksi valittiin elektroniikkakotelon rakenteen muokkaaminen jäähdytystehon lisäämiseksi. Toiseksi kehitettäväksi vaihtoehdoksi valittiin elektroniikkakotelon alle asennettava erillinen jäähdytyselementti.

Ratkaisuvaihtoehto, jossa muokattiin kotelon rakennetta, toteutettiin käyttäen SolidWorksin parametrisen mallintamisen työkaluja. Jäähdytyselementin runkorakenteen suunnittelu toteutettiin SolidWorksissä parametrisenä mallinnuksena, mutta jäähdytyselementin suunnittelu toteutettiin käyttäen Altair Inspiren implisiittisen mallinnuksen työkaluja rakenteen luomisessa.

Alkuperäisille kotelorakenteille sekä uusille ratkaisuvaihtoehdoille tehtiin kokoonpanon simulointi Altair SimLabin lämpösiirtymä analyysia käyttäen. Näiden simulaatioiden tuloksia analysoimalla saatiin vertailukelpoiset tulokset uusien ratkaisujen tehokkuudesta alkuperäiseen koteloon ja sen jäähdytyselementtiin verrattuna.

Simulaatiosta saatujen tulosten perusteella jäähdytystehoa saatiin nostettua kummankin suunnitellun ratkaisun kanssa verrattuna alkuperäisiin rakenteisiin. Implisiittisellä mallinnuksella toteutetusta elementistä simuloitiin kaksi versiota, toinen alumiinista tehtynä ja toinen kuparista tehtynä. Nämä jäähdytyselementit olivat huomattavasti alkuperäistä elementtiä tehokkaampia, kun otettiin huomioon niiden huomattavasti pienempi tilavuus ja massa.

Opinnäytetyön tuloksena tuotettiin uutta suunnittelutyötä koskevaa ohjeistusta sekä toteutusvaihtoehtoja jäähdytystehoa lisääville rakenteille. Työn tulokset ovat hyödynnettävissä tulevaisuuden projektien suunnittelun ja toteutuksen aikana.

The objective of this thesis was to develop new solutions to increase cooling performance of an electronics enclosure. The solutions were to be designed in accordance with regulations regarding airborne equipment and manufactured using additive manufacturing methods.

During this study a variety of feasible solutions were considered and two of them proceeded into design phase. These solutions included a modification of the original enclosure design in a way that increases the cooling performance and development of a new heatsink assembly, which can be installed below the enclosure.

Both the modification of the original enclosure design and the frame structure for the new heatsink design were done using parametric modelling tools within Solid-Works. Heatsink element was designed using implicit modelling tools in Altair Inspire.

The new designs and the original designs were all simulated in Altair SimLab by using thermal transfer analysis. These results were then compared to determine relative effectiveness of the new and old designs. Both of the new designs increased the cooling performance when considering displacement and weight benefits.

The results of this thesis provided beneficial instructions and new design ideas for implicit modelling and heatsink design. These can be utilised during design and implementation of new projects.