Ingeniera e Investigacin

ISSN: 0120-5609

revii_bog@unal.edu.co

Universidad Nacional de Colombia

Colombia

Correa, Rodrigo; Reyes, Oscar; Marn, Jeison

Disipacin de la energa generada en un circuito electrnico utilizando un TPTC (heat pipe)

Ingeniera e Investigacin, vol. 30, nm. 1, abril, 2010, pp. 107-111

Universidad Nacional de Colombia

Bogot, Colombia

Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=64312498019

Cmo citar el artculo

Nmero completo

Ms informacin del artculo

Pgina de la revista en redalyc.org

Sistema de Informacin Cientfica

Red de Revistas Cientficas de Amrica Latina, el Caribe, Espaa y Portugal

Proyecto acadmico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto

http://www.redalyc.org/revista.oa?id=643http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=64312498019http://www.redalyc.org/comocitar.oa?id=64312498019http://www.redalyc.org/fasciculo.oa?id=643&numero=12498http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=64312498019http://www.redalyc.org/revista.oa?id=643http://www.redalyc.org

INGENIERA E INVESTIGACIN VOL. 30 No. 1, ABRIL DE 2010 (107-111)

107

Disipacin de la energa generada en un circuito electrnico utilizando un TPTC (heat pipe)

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

circuit

Rodrigo Correa1, Oscar Reyes2 y Jeison Marn3 RESUMEN

El presente artculo reporta los resultados de una investigacin experimental relacionada con la determinacin de la eficiencia trmica de un tubo para la transferencia de calor (TPTC o heat pipe) comparada con la de dos elementos comnmente utiliza-dos para disipar calor en un circuito, esto es, un ventilador y una aleta. En los ensayos se vari la frecuencia de la alimentacin a un circuito de potencia estndar, mantenindose constantes los dems parmetros. Se utiliz un diseo estadstico de experi-mentos como herramienta analtica. Para todos los experimentos el TPTC, inesperadamente, tuvo la menor eficiencia trmica, a-unque tiene la ventaja de ser pasivo, poseer un pequeo volumen y carecer de partes mviles.

Palabras clave: transferencia de calor, disipacin de energa en un circuito, efecto Joule. ABSTRACT

This paper presents an experimental investigation aimed at estimating the thermal efficiency of a heat pipe compared to the most common elements for removing heat from a circuit (i.e., an electric fan and a fin - extended surface). The input voltage frequency for a standard power circuit was changed for the experiments, whilst all the other parameters were kept constant. An experimental statistical design was used as an analytical tool. Unexpectedly, the heat pipe showed the lowest thermal efficiency for all the experiments, although it had the advantage of being a passive element having low volume and no mobile parts.

Keywords: heat transfer, energy disipated by a circuit, Joule effect. Recibido: febrero 25 de 2009 Aceptado: marzo 2 de 2010

1 Ingeniero qumico, Universidad Nacional de Colombia, Bogot. M.Sc., en Control y M.Sc., en Ingeniera Qumica, Ph.D., Lehigh University, USA, Profesor titular, Universidad Industrial de Santander, Colombia, crcorrea@uis.edu.co 2 Ingeniero electrnico, Univesidad Industrial de Santander, Colombia. PhD(c), Profesor asistente, Universidad Industrial de Santander, Colombia. omreyes@uis.edu.co 3 Ingeniero electrnico, Universidad Industrial de Santander, Colombia, M.Sc., en Ingeniera Electrnica, Universidad Industrial de Santander, Colombia. Profesor, Unidades Tecnolgicas de Santander, Colombia. jeison.marin@uts.edu.co

Introduccin

Un TPTC es un dispositivo eficiente de elevada conductancia tr-mica que facilita el transporte de energa (calor). Este transporte se realiza de una seccin de alta temperatura, mediante la evapora-cin de un fluido, a otra de menor temperatura, donde ocurre su condensacin; estos fenmenos opuestos tienden a orientar el sis-tema hacia el equilibrio trmico. Si bien esta invencin data de ha-ce varias dcadas, an quedan retos por resolver como el incre-mento de su capacidad de remocin de energa, lograr mayor fle-xibilidad estructural, nuevos diseos para reducir el impacto de la orientacin gravitacional sobre su eficiencia trmica, nuevos mate-riales que le permitan resistir ambientes qumicamente hostiles, modelos matemticos rigurosos que describan su comportamiento y faciliten la optimizacin de su operacin, y por ltimo, la dismi-nucin de costos. Para su completo anlisis es necesario recurrir a conceptos bsicos de transferencia de calor, mecnica de fluidos, termodinmica y diseo estadstico de experimentos. Bergels (2003), Dunn et l. (1978) y Meja (2006) describen los fenmenos hidrodinmicos y de transferencia de calor que son la base para el diseo y construccin de un TPTC. Debido al auge que ha tenido la electrnica en los ltimos tiempos, los TPTC son ahora una al-ternativa tcnicamente viable para su enfriamiento frente a los m-todos tradicionales. En la electrnica estos dispositivos trmicos

tienen la funcin de transportar el calor generado por una fuente, disminuir el gradiente de temperatura del elemento electrnico y controlar su temperatura. Sus dimensiones son del orden de los milmetros de espesor y de longitud variable y pueden retirar can-tidades de energa 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 co-mn en los diseos electrnicos es la carencia de un pronstico preciso de la generacin de calor que se tendr durante su ope-racin y por ende, el posible incremento incontrolado en la tem-peratura, lo que originar daos prematuros y situaciones de riesgo al funcionar incorrectamente (Hong, 1998; Mikyoung, 2006; Zuo, 2001).

En este artculo se presentan algunos resultados experimentales re-lacionados con la contrastacin de la eficiencia trmica de un TPTC (ubicado en dos posiciones espaciales sobre un circuito elec-trnico de potencia) frente a la de un ventilador y una superficie extendida (aleta).

Metodologa experimental

Para comparar la distribucin de temperatura en estado transitorio de un sistema electrnico de potencia antes y despus de instalar un TPTC, se construy un circuito electrnico elemental. Se reali-

DISIPACIN DE LA ENERGA GENERADA EN UN CIRCUITO ELECTRNICO UTILIZANDO UN TPTC (HEAT PIPE)

INGENIERA E INVESTIGACIN VOL. 30 No. 1, ABRIL DE 2010 (107-111) 108

zaron experimentos encaminados a comparar la eficiencia trmica de un TPTC frente a otro dispositivo de enfriamiento electrnico pasivo como la aleta y a otro activo como un ventilador.

Equipos utilizados

Para las puebas se utiliz una cmara termogrfica con el objeto de observar la distribucin de temperatura en funcin del tiempo. El rango inferior del equipo es de 5 K, mientras que el superior es de 1.000 K. Se utiliz un amplificador de potencia en donde se mantuvo el transistor en su regin activa para que consuma la ma-yor potencia posible. El circuito utilizado fue muy sencillo con el fin de tener un control sobre l y la potencia que consume. Se se-leccion de tal forma que sirve como ejemplo de un circuito que disipa alta potencia y posee una arquitectura fcil de reproducir; el transistor se puede alimentar con una tensin puerta-surtidor de 12 V a diferentes frecuencias y una fuente de alimentacin de corriente directa de 5 V. Se utilizaron cuatro resistencias de 1 en paralelo entre la fuente de alimentacin y el drenador del transis-tor con capacidad de 10 W cada una, es decir, una resistencia e-quivalente de 0,25 o 0,5 para potencia alta y baja, respectiva-mente. El transistor MOSFET IRFP450 de potencia tiene una resis-tencia de drenador-surtidor (Rds) equivalente a 0,33 . En el transistor existe una corriente de drenador surtidor de 8,62 A para alta potencia.

Para el caso de baja potencia se utiliz con el mismo circuito, solo que al variar la resistencia de carga su corriente fue de 6,02 A. Se aliment con una tensin de 12 V en continua, a 10 Hz, 100 Hz y 1 KHz, con un ciclo de trabajo del 53,33% con el propsito de que el transistor trabaje como un switch. El circuito es controlado por medio de un oscilador LM555 a una tensin pico de 5 V y donde la frecuencia de operacin se ajusta por medio de varios condensadores. A la salida se conect un optoacoplador que am-plifica la seal a 12 V a la misma frecuencia y ciclo de trabajo. Tambin corrige los picos indeseables de la seal que pueden per-judicar el funcionamiento del transistor. Se utiliz un ventilador de 50 x 50 x 15 mm, 1200 r. p. m. y de potencia nominal de 1,92 W y una aleta rectangular de aluminio compuesto de 15 superficies (lminas) de 50 x 50 x 20 mm.

Diseo de experimentos

Con el fin de disponer de un anlisis cuantitativo de resultados y de limitar el nmero de experimentos, se recurri al diseo esta-dstico de experimentos Moreno (1993). Se realizaron pruebas pa-ra comparar la eficiencia de un TPTC frente a dos tipos de disipa-dores de calor muy comunes operndose el circuito a baja y alta potencia. Para cada uno de estos experimentos se determin la distribucin de temperatura del circuito en funcin del tiempo, antes y despus de instalarle un TPTC en dos posiciones, una hori-zontal y otra vertical. De igual manera, se oper el circuito con di-ferentes frecuencias en la tensin de alimentacin.

Identificacin de variables

Las variables que afectan el funcionamiento del transistor son su potencia, la temperatura ambiente, el tipo de disipador de