Uusi materiaali tehoelektroniikan ilmajäähdytyksessä

Abstract

Puolijohteiden kehittyminen on saanut aikaan sen, että tehoelektroniikassa on tarvetta tehokkaammille jäähdytysratkaisuille. Tehoelektroniikan ilmajäähdytyksessä käytettä-vien jäähdytyselementtien tehokkuutta voidaan lisätä joko lämmönsiirtopinta-alaa tai lämmönsiirtokerrointa kasvattamalla.

Tämän diplomityön tarkoituksena on tutkia, olisiko tilaajan tehoelektroniikkalaitteen jäähdytystä mahdollista tehostaa uudella materiaali- tai valmistusmenetelmävaihtoeh-dolla. Diplomityössä on ensin käyty lyhyesti läpi jäähdytyksen teoriaa. Tämän jälkeen on kirjallisuustutkimuksen avulla selvitetty erilaisten jäähdytyselementtimateriaalien omi-naisuuksia sekä elementtien valmistustekniikoita. Kirjallisuustutkimuksen avulla jatko-tarkasteluun valittiin potentiaalinen materiaalin ja valmistustekniikan yhdistelmä. Valitun jäähdytyselementin toimivuutta testattiin simuloimalla elementin jäähdytysomi-naisuuksia Flow-3D virtausmallinnusohjelmalla.

Simuloinneissa etsittiin myös optimaalisia arvoja jäähdytyselementin pohjan ja ripojen paksuudelle sekä ripojen upotussyvyydelle. Lähtökohtana oli, että elementin ulkomitat pysyvät samoina kuin alkuperäisen, tilaajan käytössä olevan alumiinisen elementin mitat. Kaikki muutettavat mitat saivat kolme eri arvoa, joten mahdollisia yhdistelmiä olisi tullut 33 eli 27. Simulointien määrää saatiin kuitenkin vähennettyä yhdeksään käyttämällä apuna Taguchi-menetelmää, jonka avulla kaikkien muuttujien vaikutus lopputulokseen saadaan selville ilman kaikkien yhdistelmien testaamista.

Taguchi-menetelmän avulla valittujen simulointien tuloksia verrattiin käytössä olevaan jäähdytyselementtiin. Simulointien tulosten perusteella kirjallisuustutkimuksen pohjalta valittu materiaali- ja valmistustekniikkayhdistelmä toimii kyseisen tehoelektroniikka-laitteen jäähdytyksessä.