Aumento de la transferencia de calor en refrigeración de chips de computadora mediante generadores de vórtice en microcanales

Abstract

Actualmente el desarrollo tecnológico ha llegado a niveles inesperados, al punto que muchas actividades requieren, por ejemplo, uso permanente de computador. Sin embargo, estos desarrollos generalmente conllevan notables aumentos de temperatura. Particularmente en el caso de los computadores, existen diferentes mecanismos de refrigeración, predominando la refrigeración por aire y la refrigeración líquida. Esta última, mucho más efectiva que la de aire, pero que le queda por evolucionar, ya que el block de agua en el que ocurre la refrigeración no ha sido lo suficientemente estudiado. El objetivo general será aumentar la transferencia de calor de un modelo base de microcanales usando generadores de vórtices transversales, refrigerando con agua y un nanofluido a base de agua y alúmina al 1% de concentración en volumen. Se debe determinar la transferencia de calor en el modelo inicial y los propuestos, minimizando pérdidas de carga y estudiando los efectos que posee la geometría. Para ver la viabilidad de implementación se compara con otros estudios. Se analizan los efectos obtenidos al cambiar el agua por el nanofluido. Para realizar esta investigación se diseña un modelo base, junto a tres modelos propuestos con generadores de vórtice cilíndricos. Uno de ellos en la base, otro con pilares en el centro y con cilindros en las paredes. Para cada modelo se realizan simulaciones en Ansys Fluent, considerando un régimen laminar y con entrada de calor de 100 [W/cm2]. Luego se analizan los resultados de las simulaciones, se comparan con la tecnología más utilizada en el mercado actualmente y se procede a concluir. Se obtiene que los cilindros en la base obtienen reducciones en altos Reynolds del 12% y 14% en Resistividad Térmica y Nusselt, con un aumento de un 15% en la caída de presión. Los cilindros como pilares reducen en todo momento la resistividad térmica desde un 22% a un 50% y aumentan el Nusselt desde un 28% hasta duplicar el modelo base, pero obteniendo 10 veces mayores caídas de presión en altos de Reynolds. Los cilindros en las paredes obtienen resultados similares a éstos últimos mencionados, con leves mejoras. Por último, a 60°C el uso de cilindros en las paredes y en el centro reducen hasta 3 veces la potencia requerida respecto del modelo base. Por otra parte, los multijets tienen gran ventaja, teniendo temperaturas uniformes y mejores rendimientos en potencias mucho menores. Finalmente, el uso de nanofluidos permite disminuir la resistividad térmica en un 2 %, obtener el mismo porcentaje de aumento en Nusselt, pero con caídas de presión es cada vez mayores. Se concluye que el uso de generadores de vórtice cilíndricos aumenta la transferencia de calor, a costa de mayores caídas de presión dependientes de la geometría. Al seleccionar adecuadamente el Reynolds se pueden tener buenos resultados, pero que no logran competir con el uso de multijets. También, el uso de nanofluidos resulta beneficioso, mejorando el rendimiento del sistema a bajas potencias.