Mantener frescos los automóviles híbridos y eléctricos

eléctricos y coches híbridos , aeronaves, ordenadores y otros dispositivos. Suresh Garimella – el Profesor R. Eugene y Susie E. Goodson de Ingeniería Mecánica en la Universidad de Purdue – nos dice que si calentamos un líquido en sistemas de enfriamiento entonces podemos analizar cuánto calor puede ser removido, comparado con simplemente calentar un líquido por debajo de su punto de ebullición.

>La estudiante de doctorado Tannaz Harirchian responde a una pregunta válida: «Una gran pregunta ha sido siempre: ¿dónde está la transición de la ebullición a la ebullición a microescala? ¿Cómo se define un microcanal frente a un macrocanal, y en qué momento es necesario aplicar diferentes modelos para diseñar los sistemas? Ahora tenemos una respuesta».

Si estamos hirviendo líquido en los canales más pequeños, se comportan de manera diferente que el líquido hirviendo en los sistemas de enfriamiento más grandes. El líquido hirviendo en los canales más pequeños no forma burbujas esféricas. Crean un «anillo líquido» largo y continuo, o «babosas» oblongas de vapor en forma líquida. Harirchian desarrolló fórmulas que ayudaron a los ingenieros a diferenciar entre varios tipos de flujos. Tenían un concepto más claro sobre cómo diseñar los sistemas en consecuencia. Los inequívocos «regímenes de flujo» – ya sea que el fluido sea burbujeante, anular o en babosas – deben ser conocidos antes de que se puedan usar las fórmulas adecuadas para predecir el rendimiento de ciertos diseños de canales. También descubrió que el área de la sección transversal de cada canal determina e influye en el comportamiento de ebullición de un líquido. «Estoy muy orgullosa de este trabajo», dijo Garimella. «Hemos recorrido un largo camino.»

Este innovador sistema de refrigeración será útil para evitar el sobrecalentamiento de dispositivos como los transistores bipolares aislados y los transistores de conmutación de alta potencia instalados en vehículos híbridos y eléctricos limpios y ecológicos. Cuando aceleramos un vehículo de cero a 60 mph en diez segundos o incluso menos, necesitamos chips. Estos chips son útiles para accionar motores eléctricos, cambiar grandes cantidades de energía del paquete de baterías a bobinas eléctricas, etc. Los mismos dispositivos son necesarios para el «frenado regenerativo». Ahora los motores eléctricos funcionan como generadores para frenar el vehículo, produciendo energía para recargar la batería; para convertir la corriente eléctrica para hacer funcionar los accesorios en el vehículo; y para convertir la corriente alterna en corriente continua para cargar la batería desde una línea de enchufe. Es cierto que estos dispositivos de alta potencia generan aproximadamente cuatro veces más calor que un chip de ordenador normal.

Ahora los investigadores tienen que encontrar una ruta de escape del proceso anterior. Un «líquido dieléctrico», vino a su rescate. El «líquido dieléctrico» es un fluido que no conduce la electricidad, lo que permite su uso directo en circuitos sin provocar cortocircuitos eléctricos.

Garimella, que es el director del Centro de Investigación de Tecnologías de Enfriamiento de la NSF, dice: «Finalmente hemos encontrado el sentido de hervir en canales a pequeña escala y ahora tenemos una buena comprensión de la física». Los investigadores utilizaron chips de prueba especiales de Delphi. Tienen alrededor de media pulgada en cada lado y están equipados con 25 sensores de temperatura. Y añade: «Justo debajo de cada uno de estos sensores hay un pequeño calentador, de modo que podemos ajustar la cantidad de calor que aplicamos a lugares específicos del chip y simular lo que ocurre en un chip real», Sabemos que el calentamiento adicional reduce el rendimiento de los chips electrónicos o daña los pequeños circuitos, especialmente en los pequeños «puntos calientes». Garimella explicó sobre su estrategia con más detalle: «Para poder diseñar estos sistemas adecuadamente, es necesario ser capaz de predecir la tasa de transferencia de calor y la cantidad de enfriamiento que se obtendrá».

Los ventiladores pequeños se utilizan en los chips tradicionales para la refrigeración. También encajan en placas de metal con aletas conocidas como disipadores de calor, que se conectan a los chips de la computadora para disipar el calor. Pero los métodos convencionales refrigerados por aire no son muy efectivos. Son incapaces de eliminar el calor adecuado para la electrónica automotriz avanzada, especialmente debido al aire caliente bajo el capó de un automóvil.

Ahora grababan microcanales directamente sobre los chips de silicio. Lo bueno es que como tanto los canales como el chip están hechos de silicona, no hay mucha diferencia entre la expansión y el calentamiento. Era fácil permitir que las virutas se apilaran una encima de otra con los canales de enfriamiento entre cada viruta. Si queremos un sistema más compacto, podemos seguir este método de apilamiento. «Podemos colocar muchas más fichas en mucho menos bienes raíces usando este enfoque», dijo Garimella.

Los investigadores también utilizaron los beneficios de una cámara de alta velocidad para capturar el comportamiento del fluido circulante. Esto hizo la vida más fácil a los investigadores porque pueden estudiar canales tan pequeños como 100 por 100 micrones y tan grandes como 100 micrones de profundidad por cerca de 6 milímetros de ancho. «Queríamos probar una amplia gama de tamaños de canales», dijo Harirchian.

Delphi ha avanzado en su proyecto. Generan prototipos y comercializan la tecnología de refrigeración. Los investigadores disponen de una base de datos de películas. Pueden utilizarlo en el sitio web del centro NSF para demostrar el comportamiento de ebullición en los microcanales. También han generado una «matriz de prueba completa». Esta matriz ayuda a los ingenieros a averiguar cómo se comportaría un sistema en particular en función de las dimensiones de los canales, la cantidad de calor y el flujo de fluido. «Básicamente, se pueden mezclar y combinar diferentes especificaciones de diseño y ver el resultado», dijo Garimella.

Los sistemas de refrigeración también están siendo desarrollados para enfriar los controles electrónicos en aviones, sistemas militares y para otras aplicaciones.

Hal Strumpf, ingeniero jefe de sistemas térmicos de Honeywell International Incorporation, afirma: «Esperamos poder utilizar los nuevos modelos para ayudarnos a diseñar evaporadores de sistemas de ciclo de vapor para la gestión térmica de aeronaves. Estos evaporadores operan típicamente sobre el rango completo de regímenes de flujo estudiados por el equipo de Garimella, y cada régimen de flujo individual debe ser modelado con precisión para predecir el desempeño del evaporador».

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