UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE SISTEMA DE RESFRIAMENTO PARA COMPONENTE ELETRÔNICO RESISTIVO por Alinson Meneghetti de Oliveira Amir Roberto De Toni Junior Fabiano Edovirges Arrieche Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider Porto Alegre, Dezembro de 2009.

2 RESUMO Este trabalho apresenta a elaboração de um dissipador para componentes eletrônicos, dimensionado com base em uma resistência elétrica padrão de 50 W. A modelagem matemática do processo de transferência de calor considerado é mostrada, bem como as principais características construtivas do sistema proposto. Os testes conduzidos indicam que o projeto é bastante robusto, capaz de operar por longos períodos, promovendo uma redução de mais de 160 C na temperatura superfícial da resistência quando opera passivamente e de cerca de 200 C para o funcionamento com a convecção forçada através de dois ventiladores. Contudo, a solução do equacionamento para os valores obtidos experimentalmente mostra que o sistema dissipa 32,2 W gerados pela resistência. Palavras-chave: Dissipador de Calor

3 ABSTRACT The present work shows the elaboration of a heat sink for electronic components, specially designed for a standard 50 W resistive circuit. The mathematical modelling of heat transfer process is shown and the main construtive features of the system are presented. The tests conducted indicates the robustness of the model, that is capable to operate for long periods, reducing the surface temperature of the resistive in circuit in approximatelly 160 C without forced convection and almost 200 C with forced convection provided by two coolers. Notwithstanding, the equation set solved using the experimental values shows that the heat sink dissipates roughly 32.2 W of the total heat generated in the resistive circuit. Keywords: Heat sink

4 SUMÁRIO 1.INTRODUÇÃO FUNDAMENTAÇÃO TÉCNICA EXPERIMENTAL RESULTADOS E ANÁLISES CONCLUSÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFIA CONSULTADA...6 APÊNDICE A...7

5 1 1. INTRODUÇÃO Os fenômenos de transferência de calor são fundamentais na operação de uma infinidade de processos industriais, como geração de vapor, climatização, beneficiamento de minerais, entre outros. Recentemente a transferência de calor tornou-se parte importante do projeto de sistemas eletrônicos, especialmente no resfriamento de processadores. Estes componentes eletrônicos são cargas resistivas com volume reduzido e massa da ordem de alguns gramas. Devido a essas características e à quantidade de energia consumida durante seu funcionamento, o processador sofre um grande aumento de temperatura devido ao efeito Joule. O aumento no consumo de energia também está relacionado ao aumento da capacidade de processamento de dados, de modo que a evolução dos processadores e sua miniaturização dependem fortemente dos sistemas dedicados a dissipar o calor gerado. Assim, o objetivo deste trabalho é a construção de um sistema de dissipação de calor do tipo aletado para aplicações eletrônicas, dimensionado em função de uma resistência elétrica padronizada de 50 W, visando reduzir ao máximo sua temperatura de operação. 2. FUNDAMENTAÇÃO A construção do sistema de dissipação de calor baseou-se no equacionamento de trocadores de calor aletados apresentada por Incropera e DeWitt (2003). Para um dissipador de calor com aletas de seção tranversal uniforme, a taxa de transferência de calor pelo conjunto q c é dada pela Equação 1. q c = T c T R c,b +R t,o (1) onde R c,b = L b k A b e R t,o = 1 η o h A t sendo T c a temperatura na superfície inferior do dissipador, em C, T a temperatura do escoamento de ar, em C, L b o comprimento característico da base, em m, k a condutividade térmica do material, em W/mK, e A b a área da base, em m², η o a eficiência global do conjunto de aletas, h o coeficiente de transferência de calor por convecção, em W/m²K e A t a área total do dissipador, em m². A eficiência global do conjunto de aletas é dada pela Equação 2: η o = 1 N A a A t 1 η a (2)

6 2 onde η a = tanh ml c L c e m = 2 h k t sendo L c o comprimento característico da aleta, em m, e t a espessura da aleta, em m. O dissipador de calor aletado possui ventilação forçada, de modo que o coeficiente de transferência de calor por convecção h foi calculado através da Equação 3. h= Nu L k L sendo Nu L o número de Nusselt. O cálculo do número de Nusselt depende da natureza laminar ou turbulenta do escoamento de ar que incide sobre a superfície aletada. A natureza do escoamento é avaliada pelo número de Reynolds, dado pela Equação 4. Re= U L ν onde U a velocidade do escoamento de ar, em m/s, e ν a viscosidade cinemática do ar, em m²/s. A velocidade do ar soprado pelo cooler foi estimada em função de sua vazão e o número de Reynolds obtido indica escoamento laminar. Assim, a correlação para o cálculo do número de Nusselt é dada pela Equação 5. Nu L =0,664 Re 1/2 Pr 1/3 (5) sendo Pr o número de Prandtl, definido como a razão entre as difusividades de momento e térmica do fluido. 3. TÉCNICA EXPERIMENTAL O sistema de dissipação de calor desenvolvido baseou-se na concepção dos dissipadores de calor mais utilizados atualmente, onde uma superfície aletada moldada em material com boa condutividade térmica é posicionada sobre o processador e recebe escoamento de ar criado por um ventilador. Tendo em vista as dimensões da resistência elétrica a ser resfriada optou-se pela construção de um trocador aletado. Para realização do experimento foram necessários: 1,4 quilogramas de cobre no formato barramento; 0,4 quilograma de cobre em formato chapa; Um tijolo refratário maciço; Dois ventiladores de computador com potência de 12 W, vazão 30 cfm; Um metro de termopar tipo J; Um multímetro digital; Um multímetro digital com medição de temperatura integrada (termopar tipo K); Um metro de parafuso prisioneiro com diâmetro de 3mm; Arame; Pasta térmica. (3) (4)

7 3 O cobre em formato de barramento foi dividido em 22 peças iguais medindo 37 mm x 10 mm x 6 mm e em mais um peça de cobre medindo 75 mm x 37 mm x 5 mm. O cobre em formato de chapa foi utilizado na obtenção de 12 aletas medindo 80 mm x 75 mm, aproximadamente. Os materiais de cobre foram devidamente usinados e recortados para possibilitar a montagem de um conjunto que pode ser visto na Figura 1. Figura 1: Primeira montagem do trocador aletado. Como pode-se ver na figura acima a primeira montagem dos componentes prejudicava o ajuste da superfície inferior do dissipador, criando uma resistência térmica de contato. Assim, foi necessária a elaboração de uma nova estrutura de empacotamento das peças. A solução encontrada foi a utilização de um arame tensionado, conforme pode ser visto na Figura 2. Figura 2: Segunda montagem do dissipador de calor.

8 4 Cabe salientar que na segunda montagem reduziu-se o tamanho do dissipador para possibilitar a utilização de arames tensionados na fixação da resistência junto ao tijolo refratário. A seguir foram procedidos alguns testes para definir parâmetros de operação do conjunto. Incialmente um termopar tipo J e um termopar tipo K foram colocados na superfície da resistência elétrica, visando medir a máxima temperatura que esta alcançava. Nesta medição a resistência estava apenas apoiada sobre o tijolo refratário, sem pasta térmica na interface com este, e com os termopares posicionados e pressionados sobre a resistência. A temperatura medida foi de 237 ºC. Em seguida foi medida a temperatura na superfície da resistência com a colocação do dissipador sobre a mesma, novamente sem pasta térmica, utilizando apenas o termopar tipo J. A temperatura medida foi de 87 ºC. Após algumas considerações sobre possíveis mudanças, decidiu-se que a segunda montagem seria mantida, com a colocação de ventiladores nas laterias, como mostra a Figura 3. Figura 3: Arranjo final do dissipador de calor desenvolvido. A etapa seguinte foi a montagem do experimento completo, utilizando pasta térmica nas interfaces da resistência com o tijolo e resistência com dissipador. Um termopar tipo J foi inserido na interface entre a resistência e o dissipador, possibilitando a avaliação do fluxo de calor através do conjunto aletado através das equações anteriormente citadas. As medições realizadas estão sujeitas a erros de ± 2,2 ºC, conforme os dados da tabela ITS-90 para termopares tipo J e K. 4. RESULTADOS E ANÁLISES Foram realizadas duas séries de testes. Com todos os componentes da banca na temperatura ambiente, a resistência foi ligada, sem o funcionamento dos ventiladores. Considerou-se que o sistema alcançara regime permanente quando a variação de voltagem no termopar se mantinha invariável por três minutos. Em seguida, os ventiladores eram ligados num arranjo onde um deles atuava como ventilador e o outro como exaustor de ar. Tendo alcançado o mesmo critério de regime permanente mudava-se o posicionamento dos ventiladores, de modo que ambos atuassem como ventiladores. As medidas de temperatura na interface do dissipador com a resistência para as séries de testes podem ser vistas nas Tabelas 1 e 2.

9 5 Tabela 1: Medições obtidas no primeiro teste. Tensão [mv] Temperatura ambiente [ºC] Temperatura interface [ºC] Apenas dissipador ±2,2 73±2,2 Ventilação e exaustão ±2,2 44±2,2 Dupla ventilação ±2,2 40±2,2 Tabela 2: Medições obtidas no segundo teste. Tensão [mv] Temperatura ambiente [ºC] Temperatura interface [ºC] Apenas dissipador ±2,2 77±2,2 Ventilação e exaustão ±2,2 40±2,2 Dupla ventilação ±2,2 39±2,2 Conforme pode ser visto nas Tabelas 1 e 2, a presença do dissipador de calor em contato térmico com a resistência promove uma redução de cerca de 160 ºC na temperatura da superfície da resistência. Com a adição da convecção forçada é possível reduzir a temperatura em aproximadamente 200ºC. Após a coleta dos dados do segundo teste o sistema foi mantido em operação por cerca de seis horas e seu comportamento foi virtualmente constante. Deve-se ter em mente que a resistência possui pouca massa, cerca de 20 gramas, resultando numa capacitância térmica baixa. O dissipador construído é formado por um conjunto de peças de cobre que pesa aproximadamente 900 gramas, correspondendo a uma capacitância térmica próxima de 345 J/K. Considerando as fórmulas descritas anteriormente e a temperatura de 40ºC para a interface do dissipador com a resistência, chega-se ao valor de 32,2 W para o calor dissipado através do conjunto aletado. Deve-se considerar que a formulação utilizada considera que todo o calor seja transferido através do dissipador. No entanto, a temperatura da superfície do tijolo refratário em torno da resistência era próxima de 38ºC, ou seja, a transferência de calor não ocorria exclusivamente através do conjunto aletado. 5. CONCLUSÕES Os testes conduzidos com o dissipador de calor construído evidenciaram que o sistema elaborado cumpre satisfatoriamente a função de reduzir a temperatura de operação da resistência elétrica utilizada. Como sistema passivo, sem convecção forçada, o dissipador promove uma redução de cerca de 160 ºC, chegando a uma redução próxima de 200 ºC com a operação de dois ventiladores. Observa-se também que a robustez do sistema assegura sua operação por longos períodos de tempo. Entretanto, os cálculos demonstraram que a taxa de calor dissipada através do sistema é inferior a taxa de calor gerada pela resistência, em função da existência de uma condutividade térmica não-desprezível na face oposta do resistor.

10 6 6. REFERÊNCIAS INCROPERA, F. P.; DE WITT, D. P.; BERGMAN, T. Fundamentos de transferência de calor e massa. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, p. 7. BIBLIOGRAFIA CONSULTADA SCHNEIDER, P. S. Termometria e Psicrometria. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2008.

11 7 APÊNDICE A Medida da temperatura na superfície externa do dissipador de calor, utilizando termopar tipo K em multímetro com medição de temperatura integrada.