Nanowick i hjertet af det nye system til køling af strømelektronik

Forskere har vist, at en avanceret køleteknologi, der udvikles til elektronik med høj effekt i militære og bilsystemer, er i stand til at håndtere omtrent 10 gange den varme, der genereres af konventionelle computerchips.

Miniaturen, letvægtsenhed bruger små kobbersfærer og kulnanorør til passivt at transportere et kølevæske mod varm elektronik, sagde Suresh V. Garimella, R. Eugene og Susie E. Goodson Fremstående professor i maskinteknik ved Purdue University.

Denne transporterende teknologi repræsenterer hjertet i et nyt ultratyndt "termisk jordplan, " en lejlighed, hul plade, der indeholder vand.

Lignende "varmeledninger" har været i brug i mere end to årtier og findes i bærbare computere. Imidlertid, de er begrænset til at afkøle omkring 50 watt per kvadratcentimeter, hvilket er godt nok til standard computerchips, men ikke til "kraftelektronik" i militære våbensystemer og hybrid- og elbiler, Sagde Garimella.

Forskergruppen fra Purdue, Thermacore Inc. og Georgia Tech Research Institute ledes af Raytheon Co., at skabe den kompakte køleteknologi i arbejde finansieret af Defense Advanced Research Projects Agency, eller DARPA.

Teamet arbejder på at skabe varmeledninger med en femtedel af tykkelsen på kommercielle varmeledninger og dækker et større område end de konventionelle enheder, giver dem mulighed for at levere langt større varmeafledning.

Nye fund indikerer det transporterende system, der gør teknologien mulig, absorberer mere end 550 watt pr. Kvadratcentimeter, eller cirka 10 gange den varme, der genereres af konventionelle chips. Dette er mere end nok kølekapacitet til strømelektronikapplikationer, Sagde Garimella.

Resultaterne er detaljeret i et forskningspapir, der vises online i denne måned i International Journal of Heat and Mass Transfer og vil blive offentliggjort i tidsskriftets septembernummer. Opgaven blev skrevet af maskinteknisk doktorand Justin Weibel, Garimella og Mark North, en ingeniør med Thermacore, en producent af kommercielle varmeledninger i Lancaster, Pa.

"Vi ved, at den væskende del af systemet fungerer godt, så vi er nu nødt til at sikre, at resten af ​​systemet fungerer, "Sagde Nord.

Den nye type kølesystem kan bruges til at forhindre overophedning af enheder kaldet isolerede gate bipolare transistorer, højeffektomskifttransistorer, der bruges i hybrid- og elbiler. Chippen er nødvendige for at drive elmotorer, skifte store mængder strøm fra batteripakken til elektriske spoler, der er nødvendige for at accelerere et køretøj fra nul til 60 mph på 10 sekunder eller mindre.

Potentielle militære applikationer omfatter avancerede systemer såsom radar, lasere og elektronik i fly og køretøjer. De chips, der bruges i bil- og militærapplikationer, genererer 300 watt pr. Kvadratcentimeter eller mere.

Forskere studerer kølesystemet ved hjælp af en ny testfacilitet udviklet af Weibel, der efterligner forholdene inde i et rigtigt varmeledning.

"Veken skal være en god transportør af væske, men også en meget god varmeleder, "Weibel sagde." Så forskningen fokuserer stort set på at bestemme, hvordan tykkelsen af ​​vægen og størrelsen af ​​kobberpartikler påvirker varmeledningen. "

Beregningsmodeller for projektet blev skabt af Garimella i samarbejde med Jayathi Y. Murthy, en Purdue -professor i maskinteknik, og doktorand Ram Ranjan. Carbon nanorørene blev produceret og studeret på universitetets Birck Nanotechnology Center i arbejde ledet af maskinteknikprofessor Timothy Fisher.

"Vi har valideret modellerne mod eksperimenter, og vi udfører yderligere eksperimenter for mere fuldstændigt at undersøge resultaterne af simuleringer, "Sagde Garimella.

Inde i kølesystemet, vand cirkulerer, når det opvarmes, koger og bliver til en damp i en komponent kaldet fordamperen. Vandet vender derefter tilbage til en væske i en anden del af varmeledningen kaldet kondensatoren.

Veken eliminerer behovet for en pumpe, fordi den trækker væske væk fra kondensatorsiden og transporterer den til fordamperen på den flade enhed, Sagde Garimella.

At lade en væske koge dramatisk øger, hvor meget varme der kan fjernes i forhold til blot at opvarme en væske til temperaturer under dens kogepunkt. At forstå præcis, hvordan væske koger i bittesmå porer og kanaler, hjælper ingeniørerne med at forbedre sådanne kølesystemer.

Den transporterende del af varmeledningen skabes ved sintring, eller sammensmeltning af bittesmå kobbersfærer med varme. Væske trækkes svampeagtigt gennem mellemrum, eller porer, mellem kobberpartiklerne ved et fænomen kaldet kapillærtransport. Jo mindre porerne, jo større trækstyrke af materialet, Sagde Garimella.

Sådanne sintrede materialer bruges i kommercielle varmeledninger, men forskerne forbedrer dem ved at oprette mindre porer og også ved at tilføje carbon nanorør.

"For høj trækstyrke, du har brug for små porer, "Garimella sagde." Problemet er, at hvis du gør porerne meget fine og tæt på hinanden, væsken står over for meget friktionsmodstand og vil ikke flyde. Så vægenes permeabilitet er også vigtig. "

Forskerne skaber mindre porer ved at "nanostrukturere" materialet med kulnanorør, som har en diameter på omkring 50 nanometer, eller milliarddele af en meter. Imidlertid, carbon nanorør er naturligt hydrofobe, hindrer deres evne til at transportere så de blev belagt med kobber ved hjælp af en enhed kaldet en elektronstrålefordamper.

"Vi har gjort store fremskridt med at forstå og designe vægestrukturer til denne applikation og måle deres ydeevne, "sagde Garimella. Han sagde, at når de igangværende bestræbelser på at pakke de nye væger ind i varmeledningssystemer, der fungerer som det termiske jordplan, er færdige, enheder baseret på forskningen kunne være i kommerciel brug inden for få år.