ASHRAE - American Society of Heating@ Refrigerating and Air-Conditioning Engineers@ Inc.
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ASHRAE IJHVAC 16-1-2010
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INTRODUCCIÓN Actualmente, las tecnologías de chips semiconductores de óxido metálico (CMOS) complementarias actúan como la clase principal de circuitos integrados y se aplican ampliamente en microprocesadores@ microcontroladores@ memoria estática de acceso aleatorio (RAM)@ y otros circuitos lógicos digitales. Con el continuo aumento de la capacidad@ existe una fuerte demanda de refrigeración para garantizar el rendimiento de los microprocesadores@ microcontroladores@ RAM estática@ y otros circuitos lógicos digitales. En particular, se sabe que el rendimiento de CMOS se puede mejorar drásticamente si se puede reducir aún más la temperatura. Hay muchas ventajas (Ghibaudo et al. 1992) @ por ejemplo @ mayor movilidad del portador @ mayor velocidad de saturación @ mejores capacidades de encendido (pendiente por debajo del umbral) @ inmunidad al enganche @ confiabilidad mejorada debido a los procesos de degradación activados @ consumo de energía reducido @ una disminución de las corrientes de fuga @ una disminución de la resistencia de interconexión @ una mayor conductividad térmica @ y una reducción del ruido térmico @ además del funcionamiento a baja temperatura. Además, es bien sabido que operar dispositivos semiconductores a temperaturas más bajas conduce a un rendimiento notablemente mejorado (Taut et al. 1997). Esto se debe a tiempos de conmutación más rápidos de los dispositivos semiconductores y a mayores velocidades de los circuitos debido a la menor resistencia eléctrica de los materiales de interconexión en operaciones a baja temperatura (Balestra y Ghibaudo 1994). Dependiendo de las características de dopaje, las mejoras de rendimiento alcanzables oscilan entre el 1% y el 3% por cada 10??(50?? temperatura más baja del transistor (Phelan 2001). Sin embargo, además del límite físico de reducir el tamaño del circuito integrado@ la consiguiente generación de calor se vuelve cada vez más difícil de gestionar. De hecho, todos los productos electrónicos avanzados sufren el rápido aumento de la demanda de refrigeración. Aunque la refrigeración por aire convencional todavía domina las soluciones de refrigeración, sufre problemas como ruido y menor rendimiento de transferencia de calor; por lo tanto, se deben considerar alternativas como tuberías de calor, inmersión en líquido, impacto de chorro y rociadores, termoeléctricos y refrigeración (Trutassanawin et al. 2006). De las alternativas disponibles, sólo los termoeléctricos y la refrigeración pueden proporcionar un funcionamiento subambiental que sea bastante atractivo para aplicaciones de alto flujo. En la práctica, la refrigeración es capaz de funcionar en un ambiente de alta temperatura, pero su coeficiente de rendimiento (COP) está muy por encima del sistema termoeléctrico actual. También existen otras ventajas al explotar el enfriamiento por refrigeración (Taut et al. 1997)@, como el mantenimiento de bajas temperaturas de unión mientras se disipan altos flujos de calor@, aumentos potenciales en el rendimiento del microprocesador a temperaturas operativas más bajas@ y mayor confiabilidad del chip. Las investigaciones reportadas para el enfriamiento de dispositivos electrónicos mediante refrigeración se relacionaron principalmente con el rendimiento fundamental del sistema, como la resistencia térmica de la unión al aire ambiente, el sistema COP del sistema de refrigeración (Phelan y Swanson 2004) y el comportamiento de respuesta transitoria (Nnann 2006). Algunos sistemas de refrigeración para dispositivos electrónicos ya están disponibles (p. ej. @ ver Schmidt y Notohardjono [2002] @ Thermaltake [2009] @ y Bash et al. [2002]). Sin embargo, como señaló Agwu Nnanna (2006), existen dos preocupaciones importantes cuando se utilizan sistemas de refrigeración para enfriar dispositivos electrónicos. El primero está asociado con la condensación en las superficies sujetas a operación subambiente y el segundo es la respuesta retardada del sistema a la carga aplicada en el evaporador. Tenga en cuenta que la condensación se produce cuando la temperatura está por debajo de la temperatura del punto de rocío del aire circundante. La presencia de agua condensada puede suponer un peligro para el sistema electrónico y debe evitarse en todo momento. Las soluciones típicas pueden implicar un aislamiento inadecuado o utilizar un calentador adicional para vaporizar el condensado fuera de la placa fría (Asetek 2009). El primero requiere un espacio considerable que a menudo es bastante limitado en la práctica y puede reducir el rendimiento general del sistema debido al bloqueo del flujo de aire. Este último diseño no sólo plantea problemas de control sino que también genera un consumo energético adicional. En vista de las deficiencias de estas dos soluciones comunes, el presente estudio ofrece un diseño novedoso para erradicar por completo la influencia del condensado. Luego se compara el rendimiento del concepto propuesto con el de la placa fría convencional.