Disipación de la energía generada en un circuito electrónico utilizando un TPTC (heat pipe)

Using a heat pipe (TPTC) for dissipating energy generated by an electronic circuit

El presente artículo reporta los resultados de una investigación experimental relacionada con la determinación de la eficiencia térmica de un tubo para la transferencia de calor (TPTC o heat pipe) comparada con la de dos elementos comúnmente utilizados para disipar calor en un circuito, esto es, un ventilador y una aleta. En los ensayos se varió la frecuencia de la alimentación a un circuito de potencia estándar, manteniéndose constantes los demás parámetros. Se utilizó un diseño estadístico de experimentos como herramienta analítica. Para todos los experimentos el TPTC, inesperadamente, tuvo la menor eficiencia térmica, aunque tiene la ventaja de ser pasivo, poseer un pequeño volumen y carecer de partes móviles.

Introducción

Un TPTC es un dispositivo eficiente de elevada conductancia térmica que facilita el transporte de energía (calor). Este transporte se realiza de una sección de alta temperatura, mediante la evaporación de un fluido, a otra de menor temperatura, donde ocurre su condensación; estos fenómenos opuestos tienden a orientar el sistema hacia el equilibrio térmico. Si bien esta invención data de ha ce varias décadas, aún quedan retos por resolver como el incremento de su capacidad de remoción de energía, lograr mayor flexibilidad estructural, nuevos diseños para reducir el impacto de la orientación gravitacional sobre su eficiencia térmica, nuevos materiales que le permitan resistir ambientes químicamente hostiles, modelos matemáticos rigurosos que describan su comportamiento y faciliten la optimización de su operación, y por último, la disminución de costos. Para su completo análisis es necesario recurrir a conceptos básicos de transferencia de calor, mecánica de fluidos, termodinámica y diseño estadístico de experimentos. Bergels (2003), Dunn et ál. (1978) y Mejía (2006) describen los fenómenos hidrodinámicos y de transferencia de calor que son la base para el diseño y construcción de un TPTC. Debido al auge que ha tenido la electrónica en los últimos tiempos, los TPTC son ahora una alternativa técnicamente viable para su enfriamiento frente a los métodos tradicionales. En la electrónica estos dispositivos térmicos tienen la función de transportar el calor generado por una fuente, disminuir el gradiente de temperatura del elemento electrónico y controlar su temperatura. Sus dimensiones son del orden de los milímetros de espesor y de longitud variable y pueden retirar cantidades de energía por unidad de tiempo que oscilan entre los 10  y los 200 W (Ravibabu, 2010; Reid, on line; Simpson, 1991; Xie, on line). En este mismo sentido, un problema relativamente común en los diseños electrónicos es la carencia de un pronóstico preciso de la generación de calor que se tendrá durante su operación y por ende, el posible incremento incontrolado en la temperatura, lo que originará daños prematuros y situaciones de riesgo al funcionar incorrectamente (Hong, 1998; Mikyoung, 2006; Zuo, 2001).