Ingenieurs hebben een technologie ontwikkeld om hotspots in hoogwaardige elektronica te koelen met hetzelfde fysieke fenomeen dat de vleugels van krekels schoonmaakt.

Als waterdruppels samensmelten, de vermindering van het oppervlak veroorzaakt het vrijkomen van een kleine hoeveelheid energie. Zolang het oppervlak eronder hydrofoob genoeg is om water af te stoten, deze energie is voldoende om de samengevoegde druppel weg te laten springen.

Op de vleugels van krekels, dit fenomeen drijft druppeltjes aan om vuil- en puindeeltjes op te vangen en te verwijderen. In de nieuwe koeltechnologie die is ontwikkeld door ingenieurs van Duke University en Intel Corporation, druppels springen naar hotspots om koeling te brengen waar de elektronica het het meest nodig heeft.

De resultaten verschijnen online op 3 april, 2017, in het journaal Technische Natuurkunde Brieven .

"Hotspot-koeling is erg belangrijk voor hoogwaardige technologieën, " zei Chuan-Hua Chen, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan Duke. "Computerprocessors en vermogenselektronica presteren niet zo goed als restwarmte niet kan worden verwijderd. Een beter koelsysteem maakt snellere computers mogelijk, duurzamere elektronica en krachtigere elektrische voertuigen."

De nieuwe technologie is gebaseerd op een dampkamer gemaakt van een superhydrofobe vloer met een sponsachtig plafond. Wanneer geplaatst onder de bedieningselektronica, vocht opgesloten in het plafond verdampt onder opkomende hotspots. De damp ontsnapt naar de vloer, samen met de elektronica warmte wegnemen.

Passieve koelstructuren geïntegreerd in de bodem van het apparaat voeren vervolgens de warmte af, waardoor de waterdamp condenseert tot druppels. Terwijl de groeiende druppels samensmelten, ze springen van nature van de hydrofobe vloer en gaan terug naar het plafond onder de hotspot, en het proces herhaalt zich. Dit gebeurt onafhankelijk van de zwaartekracht en ongeacht de oriëntatie, zelfs als het apparaat ondersteboven staat.

De technologie heeft veel voordelen ten opzichte van bestaande koeltechnieken. Thermo-elektrische koelers die fungeren als kleine koelkasten, kunnen zich niet richten op willekeurige hotspot-locaties, waardoor ze inefficiënt zijn voor gebruik over grote gebieden. Andere benaderingen kunnen zich richten op bewegende hotspots, maar vereisen extra stroomingangen, wat ook tot inefficiënties leidt.

De koelingstechnologie met springdruppels heeft ook een ingebouwd mechanisme voor verticale warmteontsnapping, wat een groot voordeel is ten opzichte van de huidige warmteverspreiders die de warmte meestal in één enkel vlak afvoeren.

"Als analogie, overstromingen te voorkomen, het is handig om de regen over een groot gebied te verspreiden. Maar als de grond doorweekt is, het water heeft geen verticale weg om te ontsnappen, en overstromingen zijn onvermijdelijk, "zei Chen. "Flat-plate heat pipes zijn opmerkelijk in hun horizontale spreiding, maar missen een verticaal mechanisme om warmte af te voeren. Onze spring-druppeltechnologie lost deze technologische leegte op met een verticaal warmteverspreidingsmechanisme, het openen van een pad om de beste bestaande warmteverspreiders in alle richtingen te verslaan."

Er is nog veel werk aan de winkel voordat Chen's springende druppeltjes kunnen concurreren met de huidige koeltechnologieën. De grootste uitdaging is het vinden van geschikte materialen die langdurig werken met hoge hittedamp. Maar Chen blijft optimistisch.

"Het heeft ons een paar jaar gekost om het systeem zover te krijgen dat het op zijn minst vergelijkbaar is met een koperen warmteverspreider, de meest populaire koeloplossing, "zei Chen. "Maar nu, Voor de eerste keer, Ik zie een weg om de industriestandaarden te overtreffen."