Авторы

Экспериментальное исследование и моделирование системы охлаждения микропроцессора на базе холодильной машины

DOI: 10.17586/1606-4313-2025-24-3-11-21
УДК 621.574

Экспериментальное исследование и моделирование системы охлаждения микропроцессора на базе холодильной машины

Андреев А. И., Семенов А. Е.

Ссылка для цитирования: Андреев А.И., Семенов А.Е. Экспериментальное исследование и моделирование системы охлаждения микропроцессора на базе холодильной машины // Вестник Международной академии холода. 2025. № 3. С. 11-21. DOI: 10.17586/1606-4313-2025-24-3-11-21. [Andreev A.I., Semenov A.E. Experimental study and modeling of a microprocessor cooling system based on a refrigerating machine. Journal of International Academy of Refrigeration. 2025. No 3. p. 11-21. DOI: 10.17586/1606-4313-2025-24-3-11-21]

Аннотация
В данной работе исследуются вопросы эффективности работы системы микропроцессор-система жидкостного охлаждения – холодильная машина и поддержания оптимальной температуры электронных компонентов. Для этого проведены эксперименты на системе охлаждения микропроцессора с встроенной холодильной машиной (миничиллер), содержащей миникомпрессор и микроканальные теплообменники. Проведен эксперимент с контролем всех основных параметров холодильной машины и микропроцессора. На основании полученных данных построена математическая модель, описывающая изменение мощности системы охлаждения и параметров работы холодильной машины и позволяющая рассчитывать температуры и расходы теплоносителя, а также получать наиболее эффективные режимы для работы системы охлаждения. Получены данные для коэффициентов теплопередачи в микроканальных конденсаторе и испарителе при работе холодильной машины. Построена математическая модель холодильной машины. Получены экспериментальные данные в ходе работы холодильной установки в системе охлаждения микропроцессора. Построена математическая модель системы охлаждения на базе холодильной машины. Построенные математические модели позволяют проектировать и моделировать систему охлаждения для процессоров с высокой вычислительной мощностью и высоким тепловыделением. Использование холодильной машины имеет высокую перспективность, так как даже при малых размерах холодильной машины, она имеет высокую холодопроизводительность в сравнение со стандартными система жидкостного охлаждения. Так, при максимальном тепловом потоке от процессора около 150-200 Вт, холодильная установка, в данном исследовании, имеет холодопроизводительность около 220 Вт при температуре кипения около 10 оС и температуре конденсации 40 °С, что позволяет рекомендовать водяные системы охлаждения со встроенными холодильными машинами для высокопроизводительных компьютеров и небольших рабочих станций.

Ключевые слова: микропроцессор, холодильная машина, микроканальный теплообменник, система жидкостного охлаждения, математическая модель, теплоотдача, теплопередача, потребляемая мощность.

Список литературы

1. Новиков А.А. Разработка системы жидкостного охлаждения центрального процессора персонального компьютера // Всероссийская научно-техническая конференция студентов Студенческая научная весна 2015: Машиностроительные технологии, C. 1-2.

2. Страшко Е.И., Шамаров М.В., Жлобо Р.А. Методика охлаждения центрального процессора // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Техническиенауки. 2024. Т. 51. № 1. С. 22-30. DOI: 10.21822/2073-6185-2024-51-1-22-30

3. Siricharoenpanich A. et al. Thermal management system of CPU cooling with a novel short heat pipe cooling system // Case Studies in Thermal Engineering. 2019. vol. 15. p. 100545. DOI: 10.1016/j.csite.2019.100545

4. Harun M.A. et al. A review on development of liquid cooling system for central processing unit (CPU) // Journal of Advanced Research in Fluid Mechanics and Thermal Sciences. 2021. vol. 78. no2. p. 98-113.

5. Яновский А.А., Каныгин Я.В. Математическое моделирование и разработка систем охлаждения процессоров персональных компьютеров // Международный студенческий научный вестник. 2015. №. 3-4. С. 496-498.

6. Вдовин А.В., Асташин Н.А. Жидкостное охлаждение процессора персонального компьютера // Современные тенденции развития науки и технологий. 2017. № 1-1. С. 31-35.

7. Исакеев А.И., Киселев И.Г., Филатов В.В. Эффективные способы охлаждения силовых полупроводниковых приборов. Л.: Энергоиздат, 1982. 136 с.

8. Щелконогов А.Е., Пичугов В.Д., Мосина Е.В. Прогрессивные технологии охлаждения микропроцессорных систем на основе применения дистиллированной воды // Научные исследования: теория, методика и практика. 2017. С. 99-101.

9. Ганьжа Д. Интервью с Алексеем Шмелевым // Журнал сетевых решений. 2013. №9. С. 10-13.

10. Mongia R. et al. Small scale refrigeration system for electronics cooling within a notebook computer // Thermal and Thermomechanical Proceedings 10th Intersociety Conference on Phenomena in Electronics Systems, 2006. ITHERM 2006. IEEE, 2006. p. 751-758. DOI: 10.1109/ITHERM.2006.1645421

11. Rao W., Zhou Y.X., Liu J., Deng Z.S., Ma K.Q., Xiang S.H. Vapor-compression-refrigerator enabled thermal management of high performance computer. In: 22nd International Congress of Refrigeration, Paper No. ICR07-B2- 1026, Beijing, August 21-27. 2007.

12. Shannon M.A., Phillpott M.L., Miller N.R., Bullard C.W., Beebe D.J., Jacobi A.M., Hrnjak P.S., Saif T., Aluru N., Sehitoglu H., Rockett A., Economy J. Integrated mesoscopic cooler circuits (IMCCS). In: International Mechanical Engineering Congress and Exhibition, Proc. ASME-AES vol. 39, Nashville, TN, November 15-20. pp. 75-82. https://doi.org/10.1115/IMECE1999-0812

13. Thome J.R., Dupont V., Jacobi A.M. Heat transfer model for evaporation in microchannels. Part I: presentation of the model. // Int. J. Heat Mass Tran. 2004. 47, 3375-3385.DOI:

10.1016/j.ijheatmasstransfer.2004.01.006

14. Kandlikar S.G., Garimella S., Li D., Colin S., King M.R. Heat Transfer and Fluid Flow in Minichannels and Microchannels. Elsevier, Amsterdam. 2006.

15. Naduvilakath-Mohammed F.M. et al. An experimental investigation of vapor compression refrigeration cooling and energy performance for CPU thermal management // Case Studies in Thermal Engineering. 2024. vol. 54(1). p. 103963.DOI: 10.1016/j.csite.2023.103963

16. Poachaiyapoom A. et al. Miniature vapor compression refrigeration system for electronics cooling // Case Studies in Thermal Engineering. 2019. vol. 13. p. 100365.DOI: 10.1016/j.csite.2018.100365

17. Diakun O., Dobrosolski J., Czarnul P. Investigation of Performance and Energy Consumption of Tokenization Algorithms on Multi-core CPUs Under Power Capping // International Conference on Computer Information Systems and Industrial Management. Cham: Springer Nature Switzerland, 2024. p. 332-346.

18. Ozturk E., Tari I. Forced air cooling of CPUs with heat sinks: A numerical study // IEEE transactions on components and packaging technologies. 2008. vol. 31. no3. p. 650-660. DOI: 10.1109/TCAPT.2008.2001840

19. Андреев А.И., Семенов А.Е., Минофьев Р.Р., Рыков А.А. Охлаждение центрального процессора с использованием термоэлектрического элемента // Научно-техническая конференция Санкт-Петербургского НТО РЭС им. А.С. Попова, посвященная Дню радио. 2024. № 1(79). С. 316-319.

20. Семенов А.Е., Андреев А.И. Оптимизации режимов работы судовой холодильной установки с аккумулятором искусственного холода. // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. 2023. № 3. С. 65-73.DOI:10.24143/2073-1574-2023-3-65-73

Читать статью полностью