Los investigadores han demostrado que una tecnología de enfriamiento avanzada que se está desarrollando para la electrónica de alta potencia en sistemas militares y automotrices es capaz de manejar aproximadamente 10 veces el calor generado por los chips de computadora convencionales.

La miniatura El dispositivo liviano utiliza diminutas esferas de cobre y nanotubos de carbono para absorber pasivamente un refrigerante hacia la electrónica caliente. dijo Suresh V. Garimella, el R. Eugene y Susie E. Goodson Profesor Distinguido de Ingeniería Mecánica en la Universidad de Purdue.

Esta tecnología absorbente representa el corazón de un nuevo "plano termal termal ultradelgado, " un piso, placa hueca que contiene agua.

"Tubos de calor" similares se han utilizado durante más de dos décadas y se encuentran en las computadoras portátiles. Sin embargo, se limitan a enfriar unos 50 vatios por centímetro cuadrado, que es lo suficientemente bueno para chips de computadora estándar pero no para "electrónica de potencia" en sistemas de armas militares y vehículos híbridos y eléctricos, Dijo Garimella.

El equipo de investigación de Purdue, Thermacore Inc. y el Georgia Tech Research Institute están dirigidos por Raytheon Co., la creación de la tecnología de refrigeración compacta en un trabajo financiado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, o DARPA.

El equipo está trabajando para crear tubos de calor de aproximadamente una quinta parte del grosor de los tubos de calor comerciales y cubriendo un área más grande que los dispositivos convencionales. permitiéndoles proporcionar una disipación de calor mucho mayor.

Los nuevos hallazgos indican que el sistema de mecha que hace posible la tecnología absorbe más de 550 vatios por centímetro cuadrado, o aproximadamente 10 veces el calor generado por chips convencionales. Esta es una capacidad de enfriamiento más que suficiente para las aplicaciones de electrónica de potencia, Dijo Garimella.

Los hallazgos se detallan en un artículo de investigación que aparece en línea este mes en el Revista internacional de transferencia de calor y masa y se publicará en el número de septiembre de la revista. El artículo fue escrito por el estudiante de doctorado en ingeniería mecánica Justin Weibel, Garimella y Mark North, un ingeniero de Thermacore, un productor de tubos de calor comerciales ubicado en Lancaster, Pensilvania.

"Sabemos que la parte absorbente del sistema funciona bien, por lo que ahora debemos asegurarnos de que el resto del sistema funcione, "Dijo North.

El nuevo tipo de sistema de enfriamiento se puede utilizar para evitar el sobrecalentamiento de dispositivos llamados transistores bipolares de puerta aislada, transistores de conmutación de alta potencia utilizados en vehículos híbridos y eléctricos. Los chips son necesarios para impulsar motores eléctricos, cambiar grandes cantidades de energía del paquete de baterías a bobinas eléctricas necesarias para acelerar un vehículo de cero a 60 mph en 10 segundos o menos.

Las aplicaciones militares potenciales incluyen sistemas avanzados como radar, láseres y electrónica en aeronaves y vehículos. Los chips utilizados en las aplicaciones automotrices y militares generan 300 vatios por centímetro cuadrado o más.

Los investigadores están estudiando el sistema de enfriamiento utilizando una instalación de prueba novedosa desarrollada por Weibel que imita las condiciones dentro de una tubería de calor real.

"La mecha debe ser un buen transportador de líquido pero también un muy buen conductor de calor, "Así que la investigación se centra principalmente en determinar cómo el grosor de la mecha y el tamaño de las partículas de cobre afectan la conducción del calor", dijo Weibel.

Los modelos computacionales para el proyecto fueron creados por Garimella en colaboración con Jayathi Y. Murthy, un profesor de Purdue de ingeniería mecánica, y el estudiante de doctorado Ram Ranjan. Los nanotubos de carbono fueron producidos y estudiados en el Centro de Nanotecnología Birck de la universidad en un trabajo dirigido por el profesor de ingeniería mecánica Timothy Fisher.

"Hemos validado los modelos con experimentos, y estamos realizando más experimentos para explorar más a fondo los resultados de las simulaciones, "Dijo Garimella.

Dentro del sistema de enfriamiento, el agua circula a medida que se calienta, hierve y se convierte en vapor en un componente llamado evaporador. Luego, el agua vuelve a convertirse en líquido en otra parte de la tubería de calor llamada condensador.

La mecha elimina la necesidad de una bomba porque extrae el fluido del lado del condensador y lo transporta al lado del evaporador del dispositivo plano. Dijo Garimella.

Permitir que un líquido hierva aumenta drásticamente la cantidad de calor que se puede eliminar en comparación con simplemente calentar un líquido a temperaturas por debajo de su punto de ebullición. Comprender con precisión cómo hierve el fluido en los poros y canales diminutos está ayudando a los ingenieros a mejorar dichos sistemas de refrigeración.

La parte de mecha del tubo de calor se crea sinterizando, o fusionar pequeñas esferas de cobre con calor. El líquido se extrae como una esponja a través de los espacios, o poros, entre las partículas de cobre por un fenómeno llamado mecha capilar. Cuanto más pequeños son los poros, cuanto mayor sea el poder de tracción del material, Dijo Garimella.

Estos materiales sinterizados se utilizan en tubos de calor comerciales, pero los investigadores los están mejorando creando poros más pequeños y también agregando nanotubos de carbono.

"Para un alto poder de dibujo, necesitas poros pequeños, "Dijo Garimella." El problema es que si haces los poros muy finos y densamente espaciados, el líquido enfrenta mucha resistencia a la fricción y no quiere fluir. Así que la permeabilidad de la mecha también es importante ".

Los investigadores están creando poros más pequeños "nanoestructurando" el material con nanotubos de carbono, que tienen un diámetro de unos 50 nanómetros, o mil millonésimas de metro. Sin embargo, Los nanotubos de carbono son naturalmente hidrofóbicos. obstaculizando su capacidad de absorción, por lo que se recubrieron con cobre utilizando un dispositivo llamado evaporador de haz de electrones.

"Hemos logrado un gran progreso en la comprensión y el diseño de las estructuras de mecha para esta aplicación y en la medición de su rendimiento, ", dijo Garimella. Dijo que una vez que se completen los esfuerzos en curso para empaquetar las nuevas mechas en los sistemas de tubería de calor que sirven como el plano de tierra térmica, los dispositivos basados ​​en la investigación podrían estar en uso comercial en unos pocos años.