Onderzoekers hebben aangetoond dat een geavanceerde koeltechnologie die wordt ontwikkeld voor krachtige elektronica in militaire en autosystemen, ongeveer 10 keer de warmte kan verwerken die wordt gegenereerd door conventionele computerchips.

de miniatuur, lichtgewicht apparaat maakt gebruik van kleine koperen bollen en koolstofnanobuisjes om een ​​koelvloeistof passief naar hete elektronica te transporteren, zei Suresh V. Garimella, de R. Eugene en Susie E. Goodson Distinguished Professor of Mechanical Engineering aan de Purdue University.

Deze vochtafvoerende technologie vertegenwoordigt het hart van een nieuw ultradun "thermisch grondvlak, " een platte, holle plaat met water.

Soortgelijke "heatpipes" zijn al meer dan twee decennia in gebruik en worden aangetroffen in laptops. Echter, ze zijn beperkt tot koeling van ongeveer 50 watt per vierkante centimeter, wat goed genoeg is voor standaard computerchips, maar niet voor "vermogenselektronica" in militaire wapensystemen en hybride en elektrische voertuigen, zei Garimella.

Het onderzoeksteam van Purdue, Thermacore Inc. en Georgia Tech Research Institute worden geleid door Raytheon Co., het creëren van de compacte koeltechnologie in werk gefinancierd door het Defense Advanced Research Projects Agency, of DARPA.

Het team werkt aan het maken van warmtepijpen die ongeveer een vijfde van de dikte van commerciële warmtepijpen zijn en die een groter gebied bestrijken dan de conventionele apparaten. waardoor ze een veel grotere warmteafvoer kunnen bieden.

Nieuwe bevindingen geven aan dat het wicking-systeem dat de technologie mogelijk maakt meer dan 550 watt per vierkante centimeter absorbeert, of ongeveer 10 keer de warmte die wordt gegenereerd door conventionele chips. Dit is ruim voldoende koelcapaciteit voor de vermogenselektronica toepassingen, zei Garimella.

De bevindingen worden gedetailleerd beschreven in een onderzoekspaper die deze maand online verschijnt in de Internationaal tijdschrift voor warmte- en massaoverdracht en zal worden gepubliceerd in het septembernummer van het tijdschrift. De paper is geschreven door doctoraalstudent werktuigbouwkunde Justin Weibel, Garimella en Mark Noord, een ingenieur bij Thermacore, een producent van commerciële warmtepijpen in Lancaster, Vader.

"We weten dat het vochtafvoerende deel van het systeem goed werkt, dus we moeten er nu voor zorgen dat de rest van het systeem werkt, ' zei Noord.

Het nieuwe type koelsysteem kan worden gebruikt om oververhitting te voorkomen van apparaten die bipolaire transistors met geïsoleerde poort worden genoemd, high-power schakeltransistoren die worden gebruikt in hybride en elektrische voertuigen. De chips zijn nodig om elektromotoren aan te drijven, het schakelen van grote hoeveelheden stroom van het batterijpakket naar elektrische spoelen die nodig zijn om een ​​voertuig in 10 seconden of minder van 0 naar 60 mph te versnellen.

Mogelijke militaire toepassingen zijn onder meer geavanceerde systemen zoals radar, lasers en elektronica in vliegtuigen en voertuigen. De chips die worden gebruikt in de automobiel- en militaire toepassingen genereren 300 watt per vierkante centimeter of meer.

Onderzoekers bestuderen het koelsysteem met behulp van een nieuwe testfaciliteit ontwikkeld door Weibel die de omstandigheden in een echte warmtepijp nabootst.

"De lont moet een goede vloeistoftransporteur zijn, maar ook een zeer goede warmtegeleider, "Zei Weibel. "Dus het onderzoek richt zich grotendeels op het bepalen hoe de dikte van de pit en de grootte van koperdeeltjes de geleiding van warmte beïnvloeden."

De rekenmodellen voor het project zijn gemaakt door Garimella in samenwerking met Jayathi Y. Murthy, een Purdue hoogleraar werktuigbouwkunde, en promovendus Ram Ranjan. De koolstofnanobuisjes werden geproduceerd en bestudeerd in het Birck Nanotechnology Center van de universiteit onder leiding van professor werktuigbouwkunde Timothy Fisher.

"We hebben de modellen gevalideerd tegen experimenten, en we voeren verdere experimenten uit om de resultaten van simulaties beter te onderzoeken, ' zei Garimella.

In het koelsysteem, water circuleert als het wordt verwarmd, kookt en verandert in een damp in een component die de verdamper wordt genoemd. Het water wordt dan weer vloeibaar in een ander deel van de warmtepijp, de condensor.

De lont maakt een pomp overbodig omdat deze vloeistof van de condensorzijde wegzuigt en naar de verdamperzijde van het platte apparaat transporteert, zei Garimella.

Door een vloeistof te laten koken, wordt de hoeveelheid warmte die kan worden verwijderd drastisch verhoogd in vergelijking met het eenvoudig verwarmen van een vloeistof tot temperaturen onder het kookpunt. Door precies te begrijpen hoe vloeistof in kleine poriën en kanalen kookt, kunnen de ingenieurs dergelijke koelsystemen verbeteren.

Het vochtafvoerende deel van de warmtepijp ontstaat door sinteren, of het samensmelten van kleine koperen bolletjes met warmte. Vloeistof wordt sponsachtig door ruimtes getrokken, of poriën, tussen de koperdeeltjes door een fenomeen dat capillaire wicking wordt genoemd. Hoe kleiner de poriën, hoe groter de trekkracht van het materiaal, zei Garimella.

Dergelijke gesinterde materialen worden gebruikt in commerciële warmtepijpen, maar de onderzoekers verbeteren ze door kleinere poriën te maken en ook door de koolstofnanobuisjes toe te voegen.

"Voor een hoge trekkracht, je hebt kleine poriën nodig, " zei Garimella. "Het probleem is dat als je de poriën heel fijn en dicht op elkaar maakt, de vloeistof heeft veel wrijvingsweerstand en wil niet stromen. Dus ook de doorlaatbaarheid van de lont is belangrijk."

De onderzoekers creëren kleinere poriën door het materiaal te "nanostructureren" met koolstofnanobuisjes, met een diameter van ongeveer 50 nanometer, of miljardsten van een meter. Echter, koolstofnanobuisjes zijn van nature hydrofoob, het belemmeren van hun wicking vermogen, dus werden ze bedekt met koper met behulp van een apparaat dat een elektronenstraalverdamper wordt genoemd.

"We hebben grote vooruitgang geboekt bij het begrijpen en ontwerpen van de lontstructuren voor deze toepassing en het meten van hun prestaties, " zei Garimella. Hij zei dat zodra de voortdurende inspanningen om de nieuwe lonten in warmtepijpsystemen te verpakken die als het thermische grondvlak dienen, voltooid zijn, apparaten op basis van het onderzoek zouden binnen enkele jaren commercieel kunnen worden gebruikt.