Garimella y Groll ante su sistema de refrigeración. Foto: Purdue.
Investigadores de la Universidad de Purdue están desarrollando un sistema de refrigeración en miniatura lo suficientemente pequeño como para que quepa en un ordenador portátil o en otros dispositivos móviles. Según sus creadores, esta tecnología de refrigerado mejora el funcionamiento de los equipos y reduce su tamaño.
A diferencia de los sistemas de refrigeración convencionales, que usan un ventilador que hace circular el aire por unos pequeños dispositivos que se llaman disipadores de calor y que van adosados a los chips del ordenador, la propuesta de Purdue son estos refrigeradores minúsculos capaces de eliminar un gran cantidad de calor.
Esta investigación se centra en aprender cómo diseñar unos componentes muy pequeños llamados compresores y evaporadores, que son clave para la refrigeración del sistema. Los investigadores han desarrollado un modelo analítico para diseñar estos compresores, que bombean refrigerantes usando unas membranas elásticas del tamaño de un céntimo de euro. Después, han validado el modelo con datos experimentales.
Las membranas elásticas han sido hechas mediante hojas muy finas de un plástico llamado Polyimide y después han sido unidas con capas metálicas capaces de conducir electricidad. Estas capas metálicas permiten a las membranas elásticas (con forma de diafragma) moverse adelante y atrás para realizar el bombeo antes citado usando cargas eléctricas.
La investigación ha sido liderada por Suresh Garimella, que es director del Coolling Technollogies Research Center, con base en Purdue y Eckhar Groll, ingeniero mecánico.
“Creemos que somos buenos en el manejo de esta tecnología, pero todavía tenemos dificultades a la hora de implementarla y crear aplicaciones prácticas”, reconoce en un comunicado de la universidad. “Nuestro reto es que ese compresor sea lo suficientemente pequeño y que funcione eficientemente”.
Tecnología necesaria
Estos nuevos tipos de sistemas de refrigeración serán muy necesarios para los chips del futuro, que generarán 10 veces más calor que los microprocesadores actuales. “Las refrigeración en miniatura tiene ventajas clave sobre otras técnicas de refrigeración”, comenta Groll.
“Lo mejor que pueden hacer los métodos de refrigeración actuales es enfriar la temperatura del chip hasta la temperatura ambiente, mientras que la refrigeración permite bajarla por debajo”, dice Groll.
Esta habilidad para enfriar por debajo de la temperatura ambiente daría como resultado ordenadores más pequeños y potentes. Asimismo, puede mejorar la fiabilidad reduciendo los daños a largo plazo provocados por el calor en los chips.
Una de las mayores complicaciones con las que se están encontrando los investigadores es que esta nueva tecnología requeriría muchos diafragmas operando en paralelo para bombear la suficiente calidad de refrigerante en el sistema.
Los investigadores han llevado a cabo experimentos en laboratorio con estos diafragmas en el Thermal Microsystems Lab. En concreto desarrollaron un modelo computacional para diseñar el compresor y validar el modelo con datos del propio laboratorio. Esos experimentos han mostrado que es viable para diseñar un prototipo lo suficientemente pequeño como para que quepa en un portátil.
Muchos diafragmas
Este modelo ha permitido optimizar el diseño, determinando cuantos diafragmas son necesarios y cómo es posible apilarlos, ya sea en paralelo o en series. “Si los apilamos en una dirección, obtenemos mayor presión, mientras que si lo hademos hacia la otra, aumentamos el volumen bombeado (por los diafragmas)”, puntualiza Groll.
Otro de los problemas es dar con el modo de fabricar estos dispositivos diminutos a un coste bajo. La industria pide que cada uno de ellos no cueste más de 30 dólares. Actualmente, es imposible alcanzar ese precio, aunque sus creadores esperan conseguirlo en el futuro.
Un apartado importante de esta investigación ha consistido en aprender con más precisión cómo el refrigerante se convierte en vapor según fluye por los microcanales que forman parte del sistema ideado. Estas observaciones han permitido crear las ecuaciones necesarias para diseñar un evaporador en miniatura.
“Todo este proyecto representa la primera investigación comprensible para obtener datos que muestran qué ocurre al transferir el calor a través de una formación de microcanales y cómo diseñar compresores en miniatura”, dice Garimella. “Eventualmente, seremos capaces de crear tanto el compresor como el evaporadores”.
A diferencia de los sistemas de refrigeración convencionales, que usan un ventilador que hace circular el aire por unos pequeños dispositivos que se llaman disipadores de calor y que van adosados a los chips del ordenador, la propuesta de Purdue son estos refrigeradores minúsculos capaces de eliminar un gran cantidad de calor.
Esta investigación se centra en aprender cómo diseñar unos componentes muy pequeños llamados compresores y evaporadores, que son clave para la refrigeración del sistema. Los investigadores han desarrollado un modelo analítico para diseñar estos compresores, que bombean refrigerantes usando unas membranas elásticas del tamaño de un céntimo de euro. Después, han validado el modelo con datos experimentales.
Las membranas elásticas han sido hechas mediante hojas muy finas de un plástico llamado Polyimide y después han sido unidas con capas metálicas capaces de conducir electricidad. Estas capas metálicas permiten a las membranas elásticas (con forma de diafragma) moverse adelante y atrás para realizar el bombeo antes citado usando cargas eléctricas.
La investigación ha sido liderada por Suresh Garimella, que es director del Coolling Technollogies Research Center, con base en Purdue y Eckhar Groll, ingeniero mecánico.
“Creemos que somos buenos en el manejo de esta tecnología, pero todavía tenemos dificultades a la hora de implementarla y crear aplicaciones prácticas”, reconoce en un comunicado de la universidad. “Nuestro reto es que ese compresor sea lo suficientemente pequeño y que funcione eficientemente”.
Tecnología necesaria
Estos nuevos tipos de sistemas de refrigeración serán muy necesarios para los chips del futuro, que generarán 10 veces más calor que los microprocesadores actuales. “Las refrigeración en miniatura tiene ventajas clave sobre otras técnicas de refrigeración”, comenta Groll.
“Lo mejor que pueden hacer los métodos de refrigeración actuales es enfriar la temperatura del chip hasta la temperatura ambiente, mientras que la refrigeración permite bajarla por debajo”, dice Groll.
Esta habilidad para enfriar por debajo de la temperatura ambiente daría como resultado ordenadores más pequeños y potentes. Asimismo, puede mejorar la fiabilidad reduciendo los daños a largo plazo provocados por el calor en los chips.
Una de las mayores complicaciones con las que se están encontrando los investigadores es que esta nueva tecnología requeriría muchos diafragmas operando en paralelo para bombear la suficiente calidad de refrigerante en el sistema.
Los investigadores han llevado a cabo experimentos en laboratorio con estos diafragmas en el Thermal Microsystems Lab. En concreto desarrollaron un modelo computacional para diseñar el compresor y validar el modelo con datos del propio laboratorio. Esos experimentos han mostrado que es viable para diseñar un prototipo lo suficientemente pequeño como para que quepa en un portátil.
Muchos diafragmas
Este modelo ha permitido optimizar el diseño, determinando cuantos diafragmas son necesarios y cómo es posible apilarlos, ya sea en paralelo o en series. “Si los apilamos en una dirección, obtenemos mayor presión, mientras que si lo hademos hacia la otra, aumentamos el volumen bombeado (por los diafragmas)”, puntualiza Groll.
Otro de los problemas es dar con el modo de fabricar estos dispositivos diminutos a un coste bajo. La industria pide que cada uno de ellos no cueste más de 30 dólares. Actualmente, es imposible alcanzar ese precio, aunque sus creadores esperan conseguirlo en el futuro.
Un apartado importante de esta investigación ha consistido en aprender con más precisión cómo el refrigerante se convierte en vapor según fluye por los microcanales que forman parte del sistema ideado. Estas observaciones han permitido crear las ecuaciones necesarias para diseñar un evaporador en miniatura.
“Todo este proyecto representa la primera investigación comprensible para obtener datos que muestran qué ocurre al transferir el calor a través de una formación de microcanales y cómo diseñar compresores en miniatura”, dice Garimella. “Eventualmente, seremos capaces de crear tanto el compresor como el evaporadores”.