Estudio de la influencia de la forma de sección de los microcanales en un disipador de calor

Abstract

Los avances tecnológicos de la década pasada han permitido que los computadores y otros equipos similares tengan un potencial de trabajo más alto al ir reduciendo su tamaño físico. Este fenómeno fue anticipado por el Doctor Moore de Intel Corporation, conociéndose después como la Ley de Moore. Sin embargo, este mayor potencial trae consigo un nuevo dilema: como hacer que los equipos no se sobrecalienten. Este es un tema importante, ya que si no se controla podría dañar componentes y/o acortar la vida útil de éstos. Como solución a este problema, se propuso en el año 1981 un sistema de microcanales de tamaño total bastante reducido (área de 1 cm²) que utiliza agua como refrigerante para disipar el calor de los componentes electrónicos. Posteriormente, distintos investigadores evolucionan la idea inicial del disipador de microcanales, aplicando mejoras típicamente utilizadas en intercambiadores de calor, como la adición de aletas para la generación de vórtices, o el uso de nanofluidos para aumentar la conductividad térmica del sistema. Además, se proponen distintos diseños para los microcanales, como los canales hexagonales, trapezoidal, entre otros, reemplazando la sección inicial rectangular. La configuración de los microcanales también ha sido investigada y se comienza a buscar un diseño no recto, que rompa con la continuidad de la capa límite térmica y que al mismo tiempo no represente una caída de presión abrupta. En este trabajo, se estudia como la sección transversal de los microcanales y el fluido utilizado como refrigerante influyen en canales tanto rectos como no rectos en tres secciones diferentes: rectangular, trapezoidal y con fondo semicircular. Se realizan entonces simulaciones fluidodinámicas de 9 distintas configuraciones alterando la curvatura de los canales -trabajadas en Autodesk Inventor-, la velocidad de trabajo del refrigerante dentro del dispositivo, y el fluido de trabajo (agua y un nanofluido de 2% de fracción en volumen de alúmina en agua). Se simulan los distintos diseños con aluminio como material de elaboración y plástico policarbonato como placa aislante superior. Las simulaciones numéricas se realizan en la plataforma Ansys Fluent. Dentro de las conclusiones principales se encuentra primero que existe una sutil influencia de la forma de la sección transversal, presentando un mejor comportamiento la sección con fondo semicircular con un aumento del 1.3% en el coeficiente de transferencia de calor y una disminución del 1.2% en la caída de presión respecto a la sección rectangular. Este resultado no varía considerablemente al cambiar la curvatura del canal. Por otra parte, alterar la curvatura del canal es la estrategia estudiada con mayor influencia, contando con los modelos con más altos factores de funcionamiento (1.46 y 1.52 para los canales curvos de λ = 17.9 [mm] y λ = 11.2 [mm], respectivamente). Finalmente, el uso de nanofluidos presenta un aumento promedio del 11% de coeficiente de transferencia, aunque, considerando las desventajas de sedimentación y desgaste junto al aumento considerable de caída de presión, podría no ser preferible.