Tesis de maestría
Estudio del flujo de calor generado alrededor de dispositivos semiconductores: experimentación y simulación numérica
Fecha
2020-01-31Autor
Morales Larraga, Alan;#0000-0002-3394-2905
Morales Larraga, Alan
Institución
Resumen
En este trabajo de investigación se utilizó un sistema óptico Schlieren para visualizar el fenómeno de transferencia de calor por convección en un sistema en el cual el gradiente de temperatura se encuentra entre los 273.15 K y la temperatura de calentamiento del aire alrededor de una punta caliente (356.45 K); esta aplicación resulta ser novedosa en comparación con las aplicaciones que comúnmente se le da a esta técnica, en las que se observan procesos de combustión de amas. Con este estudio se corrobora que la técnica de Schlieren resulta idónea para observar fenómenos donde el gradiente de temperatura es pequeño y donde se tiene un flujo de calor debido a la transferencia de calor por convección en áreas reducidas, por lo cual es recomendable en la medición de la temperatura y flujo de calor en dispositivos semiconductores. A partir de la información obtenida experimentalmente se modeló numéricamente el fenómeno de transferencia de calor por convección. En esta etapa de simulación, se aplicó la dinámica de fluidos computacional (CFD por sus siglas en inglés) con el método de volumen finito. Las simulaciones numéricas obtenidos fueron comparadas y validadas con los resultados experimentales. Los sistemas utilizados para la visualización de flujo de calor estaban conformados por 1) la superficie de enfriamiento de una celda Peltier con los alrededores y 2) esta misma superficie de enfriamiento y la punta caliente de un cautín. Este segundo sistema se utilizó para obtener una variación no homogénea en el flujo de calor. Los elementos del sistema óptico experimental son una fuente de luz LED blanca, un relevador reflectivo óptico tipo Z, una navaja, un sistema de adquisición de imágenes conformado por una cámara RGB CMOS (con tres capas de detección: roja, verde y azul) y componentes optomecánicas. Se diseño un programa para el análisis de los videos obtenidos con el fenómeno de flujo de convección. Para obtener los gradientes de temperatura del fenómeno bajo estudio y su evolución temporal se realizó la integración numérica y el desenvolvimiento de fase. Después, se analizó cada capa de detección, procesando los datos que entregan mayor información. Es importante notar que la capa roja de la cámara presenta un mejor contraste en la visualización del fenómeno, sin embargo, se ve más afectada por la difracción de luz indeseable. Por consiguiente, la capa verde de la cámara, resulta óptima para analizar el fenómeno.