Análisis de la refrigeración de un componente electrónico

Analysis of cooling an electronic component

Yunesky Masip-Macía, Asier Bengoechea-García, Julio Ortega-Calderón

Pontificia Universidad Católica de Valparaíso, Escuela de Ingeniería Mecánica. Quilpué. Chile

RESUMEN

En este artículo se realizó un estudio experimental sobre la refrigeración de un componente electrónico mediante la combinación de un flujo cruzado y un chorro incidente empleando aire como fluido refrigerante. En el mismo se persigue caracterizar la refrigeración del componente electrónico mediante la obtención del número de Nusselt promedio sobre cada una de las caras del componente y de forma global. Debido a esto se determina el efecto que posee la relación entre el número de Reynolds del chorro y el del canal sobre la refrigeración del componente electrónico. Para el análisis y caracterización de la refrigeración se ha diseñado y construido un túnel de viento donde se realizan los experimentos sobre la configuración de refrigeración.

Palabras claves: lujo bifásico, número de Reynolds, burbuja aislada, tren de burbujas, coeficientes de arrastre, fuerzas de arrastre.

ABSTRACT

The paper presents an experimental study on the cooling of an electronic component. The cooling process was performed by the combination of a cross-flow and an impinging jet using air as coolant. The aim is the characterization of the refrigeration of an electronic cooling through the obtention of the average Nusselt number on each faceand the whole component. T he influence of the Reynolds number jet-to-channel ratio on the cooling process was determined. A wind tunnel was designed and built for the analysis and characterization of the refrigeration.

Key words: electronic cooling, cross flow, impinging  jet.

INTRODUCCIÓN

En la actualidad el sector de la electrónica es una de las industrias de más rápido crecimiento. Este elevado crecimiento y desarrollo de la industria electrónica hace que la gestión térmica de los sistemas electrónicos sea actualmente uno de los cuellos de botella en esta industria. El aumento de la velocidad de procesamiento y la miniaturización de los componentes conlleva un gran incremento en la disipación de calor por unidad de área en los sistemas electrónicos. De ahí que la refrigeración de los componentes electrónicos sea un punto de atención primordial para los diseñadores de sistemas electrónicos.

En muchos de los sistemas electrónicos, entre los componentes que se encuentran sobre una Placa de Circuito Impreso (Printed Circuit Board- PCB) suelen existir algunos altamente disipativos. Cuando esto ocurre, el sistema de enfriamiento no solo tiene que retirar el calor total sino también satisfacer el requisito de temperatura máxima en los mencionados componentes. En este caso, si para remover la carga térmica solamente se emplea un único flujo forzado entre las PCBs, el caudal de aire necesario aumentará considerablemente y con este el tamaño de los ventiladores que hacen circular el aire a través del sistema. Esta es la forma convencional de refrigeración usada en los sistemas electrónicos, denominada en los estudios científicos como de Flujo Cruzado (Cross Flow, CF).

En la búsqueda de una solución viable a esta problemática se han desarrollado diversos trabajos e investigaciones entre los que destaca el estudio de la configuración del flujo de un chorro incidente sobre una superficie sólida. Entre las características principales que hacen interesante este tipo de flujo se encuentra la existencia de una zona de impacto sobre la superficie donde se produce un elevado coeficiente de transferencia de calor, como se muestra en los estudios de [1, 2].

Atendiendo a lo expuesto, en el caso específico de los sistemas electrónicos con componentes altamente disipativos el flujo que circula a través de las PCBs se puede combinar con un chorro refrigerante incidiendo sobre los componentes que disipan mayor cantidad de calor. El objetivo de esta combinación, conocida como Impinging Jet in a Cross Flow (IJCF), es realizar una gestión térmica global del sistema electrónico mediante el flujo en el canal y emplear el chorro incidente para satisfacer los requerimientos de temperatura en aquellos componentes más disipativos. En este tipo de configuración es esperable que los caudales de aire necesarios y por tanto la potencia requerida por los ventiladores sea menor respecto a la necesaria en las configuraciones sin chorro incidente. Un estudio experimental de las principales características que poseen las estructuras de flujo que aparecen cuando se emplea el IJCF y su efecto sobre diferentes configuraciones de flujo empleando un componente, con chorro y sin chorro fue presentado por [3].

Los autores de [4-7] estudiaron detalladamente las características del campo de flujo y la transferencia de calor en un canal de flujo (flujo cruzado). Los autores determinaron la influencia en las estructuras del campo de flujo alrededor del componente. En estos estudios se empleó un flujo turbulento en desarrollo, para valores del número de Reynolds basados en la altura del canal. Las mediciones del campo de flujo fueron realizadas mediante la Velocimetría de Láser Doppler (Laser Doopler Velocimetry-LDV) y técnicas de visualización con humo y película de aceite. En cuanto a las mediciones térmicas fueron realizadas usando termopares tipo T y técnicas más avanzadas de cristal líquido y termografía infrarroja (Infrared Thermography-IR). Los resultados mostraron las distribuciones de temperatura en las caras del componente y los mecanismos físicos que conducen a la intensificación o degradación de la transferencia de calor por convección. Además se derivaron las correlaciones del coeficiente de transferencia de calor promedio para todos los casos analizados.

Una alternativa posible para gestionar toda la carga térmica en el enfriamiento de un sistema electrónico evitando el exceso de caudales de aire es utilizar la configuración de flujo IJCF, tal como se muestra en el estudio de [2]. El trabajo experimental presentado por [8] estudió este tipo de configuración y cabe resaltar que es uno de los pocos trabajos experimentales que existe sobre este tema. En ese estudio se emplearon las técnicas experimentales de Velocimetría de Imágenes de Partículas (Particle Image Velocimetry-PIV) y termografía infrarroja para determinar las estructuras del campo de flujo y la distribución de temperatura superficial del componente fueron estudiadas para dos posiciones de la boquilla del chorro.

En el presente trabajo se realizó un análisis experimental sobre la refrigeración de un componente electrónico enfriado mediante una configuración de IJCF similar a la presentada en [3]. Para la caracterización de la refrigeración del componente se analizará el número de Nusselt promedio sobre cada una de las caras del componente y de forma global, para así determinar el efecto que posee la relación entre el número de Reynolds del chorro y el canal (α) sobre la refrigeración del componente electrónico.

MÉTODOS Y MATERIALES

El estudio experimental de la configuración de refrigeración IJCF fue llevada a un banco de ensayos construido específicamente para analizar la refrigeración de componentes electrónicos. Este consiste en un túnel de viento diseñado según los criterios de [9]. En la figura 1 se muestran cada una de las partes fundamentales que componen el banco de ensayos. Cabe destacar,que la sección de ensayos posee unas dimensiones de 2000, 300 y 30 mm de largo, ancho y alto respectivamente. La misma fue fabricada de metacrilato transparente para tener acceso óptico al interior y así permitir la utilización de diferentes técnicas experimentales avanzadas tales como la termografía infrarroja, además de otras más convencionales como son las medidas puntuales de presión o temperatura. A partir de los datos proporcionados por estas técnicas se estudian las características térmicas de la mencionada configuración. Además en el banco de ensayos se pueden controlar y registrar los parámetros de funcionamiento de la configuración, controlando así los experimentos, tales como caudales, potencias disipadas, temperatura del aire, temperatura del componente entre otros.

El objeto que representa al componente electrónico es montado sobre una de las paredes de la sección de ensayos y el chorro es instalado sobre la otra pared, ubicando el mismo en una posición tal que el impacto del chorro de aire se produce en el mismo centro de la cara superior del componente. La configuración analizada está compuesta por un solo componente cúbico de lado (L_c) igual a 15 mm yel chorro posee un diámetro (D) de 12 mm y la longitud del tubo que produce el chorro es lo suficientemente larga como para obtener flujo completamente desarrollado en su interior.

La pared que alberga el tubo del chorro incidente posee además dos ventanas circulares, como se ve en la figura 1, para permitir la transmisión de la radiación infrarroja y esta pueda ser captada por la cámara de infrarrojo. En el caso del componente está formado por un núcleo de cobre cubico de 12 mm de lado recubierto de una delgada capa de epoxi de 1.5 mm de espesor, escogido así a partir de los estudios realizados por [7] y [10]. El valor de la conductividad térmica del epoxi esta fue determinada experimentalmente siguiendo los pasos descritos por [7] y fue de 0.233 W/m∙K con una incertidumbre de ± 1.5%. El núcleo de cobre del componente es calentado mediante una resistencia de cartucho y las pérdidas de calor fueron minimizadas aislando la base y el área alrededor de la resistencia con teflón y fibra de vidrio (con conductividades térmicas de 0.18 W/m∙K y 0.036 W/m∙K respectivamente). La conductividad térmica del cobre es 385 W/m∙K, la cual es mucho mayor que la del epoxi. Por lo tanto, la resistencia térmica de la capa de epoxi es mucho mayor que la del cobre, resultando despreciable el gradiente de temperatura en el núcleo de cobre. En este estudio la potencia eléctrica fue establecida en todos los casos para alcanzar una temperatura estable en el núcleo de 75 ºC. Cada uno de los detalles del componente antes descritos se observan en la figura 2.

Mediciones Térmicas

Las mediciones de temperatura en algunos puntos del componente y el banco de ensayos se realizaron mediante el uso termopares tipo T de cartucho con 0.5 mm de diámetro, cuya precisión es de ± 0.2 ºC de la medida. Los puntos medidos fueron la temperatura del núcleo de cobre (T_Cu) en dos posiciones justo a ambos lados de la resistencia, la temperatura del flujo de aire a la entrada (T_air,e) y a la salida (T_air,s) de la sección de ensayos, la temperatura ambiente (T_amb) del laboratorio y la temperatura de la pared del canal enfrente del componente calentado (T_alr). En el caso de la distribución promedio de temperatura en cada cara del componente (T_sup) en contacto con aire fue medida usando la termografía infrarroja. En los estudios de [11] y [12] se ofrecen buenas referencias del uso de esta técnica experimental. La cámara infrarroja empleada en el estudio fue la Therma CAM^TM P25 diseñada y construida por Flir System Inc.y de acuerdo con el fabricante posee una precisión de ± 2% de la lectura. El procesamiento de las imágenes se realiza mediante el uso el software comercial ThermaCAM^TMResearcher Profesional 2.8 de Flir System Inc.

Con el objetivo de mejorar la emisividad superficial el componente fue pintado de negro y se pudo determinar el valor de la emisividad que es de 0.92. La figura 3 muestra una foto del montaje de la cámara infrarroja para la captura de una termografía del componente caliente. Para la medición de la distribución superficial de la temperatura sobre las cinco caras del componente (exceptuando la base) fue necesario capturar dos pares de imágenes termográficas del componente, un ejemplo de estas se observa en la figura 4. De ahí que se hayan experimentado 9 configuraciones porque han sido elegidas tres valores de relaciones de números de Reynolds (α) igual a 0.5, 1.0 y 1.5, lo que implica fijar tres valores para el número de Reynolds del flujo de aire que circula por el canal (Re_H = 3410, 5752 y 8880). Estos valores fueron elegidos dentro del rango de valores típicos usados en la industria electrónica como se mostró en los estudios de [9, 10]. Partiendo de estas mediciones se obtiene el número de Nusselt promedio con una incertidumbre estimada de entre ± 0.3 % y el ± 3.9 %, siguiendo las guías propuestas por [13, 14]. La incertidumbre en los números de Reynolds fue presentada por [5].

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Con el objetivo de caracterizar la refrigeración del componente se obtiene el número de Nusselt en la superficie del componente usando el lado del componente como longitud característica según la expresión: (ver ecuación 1)

Donde  es el coeficiente de transferencia de calor promedio del componente determinado mediante la ecuación 2 y k_aire es la conductividad térmica del aire.

Donde (q"_conv) es el flujo de calor por convección en la superficie del componente, el cual puede ser expresado como la diferencia entre los flujos de calor de conducción (q"_cond) y de radiación (q"_rad). (ver ecuación 3)

El flujo de calor por conducción fue obtenido resolviendo numéricamente el proceso de conducción de calor en la capa de epoxi y el de radiación fue calculado como (ver ecuación 4)

Partiendo de los resultados del número de Nu_m hallados el componente fue determinada una correlación (ver ecuación 5) con el objetivo de predecir el valor de este en función de α y Re_H, usados en el rango experimentado. La correlación ofrece el efecto del número de Reynolds del canal en base a un número de Reynolds de referencia (Re_ref) con valor igual a 1000, ya que así se consigue que Re_H/Re_ref y (1+α) sean del mismo orden de magnitud que corresponde al rango de la electrónica. Además, se comprobó que la correlación obtenida abarca los valores experimentales dentro de un rango de error (dispersión) de ± 10%. Estos resultados corroboran los mostrados en la figura 5 y en caso de eliminar el efecto del chorro incidente la correlación también corrobora los resultados presentados por [9].

CONCLUSIONES

El estudio realizado ha demostrado que el uso de una configuración de IJCF es superior al caso convencional de refrigeración sin chorro incidente CF, en cuanto al potencial de refrigeración que esta produce.Los resultados mostraron un incremento en el número de Nu_m, en general para todo el componente electrónico. De forma específica, la cara superior del componente es la que presenta mayor Nu_mpara el caso donde se emplea las relaciones α = 1.0 y 1.5, que es cuando se produce el impacto del chorro sobre esta cara. Mientras que en el caso de la relación α = 0.5, la cara frontal presenta un elevado nivel de enfriamiento casi similar al de la cara superior, en ese mismo caso. Además, en el estudio se estableció unacorrelación para el Nu_m para todo el componente, mediante la cual se puede predecir el comportamiento del proceso de refrigeración.

REFERENCIAS

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Recibido: 27 de febrero de 2015.
Aceptado: 2 de abril de 2015.