Forskare har visat att en avancerad kylteknik som utvecklas för högeffektselektronik i militära och bilsystem kan hantera ungefär 10 gånger värmen som genereras av konventionella datorchips.

Miniatyren, lättanordning använder små kopparsfärer och kolnanorör för att passivt leda ett kylvätska mot het elektronik, sa Suresh V. Garimella, R. Eugene och Susie E. Goodson Distinguished Professor of Mechanical Engineering vid Purdue University.

Denna transporterande teknik representerar hjärtat i ett nytt ultratunt "termiskt markplan, " en lägenhet, ihålig tallrik som innehåller vatten.

Liknande "värmerör" har använts i mer än två decennier och finns i bärbara datorer. Dock, de är begränsade till att kyla cirka 50 watt per kvadratcentimeter, vilket är tillräckligt bra för vanliga datorchips men inte för "kraftelektronik" i militära vapensystem och hybrid- och elfordon, Sa Garimella.

Forskargruppen från Purdue, Thermacore Inc. och Georgia Tech Research Institute leds av Raytheon Co., skapa den kompakta kyltekniken i arbete som finansieras av Defense Advanced Research Projects Agency, eller DARPA.

Teamet arbetar med att skapa värmerör som är ungefär en femtedel av tjockleken på kommersiella värmerör och täcker ett större område än de konventionella enheterna, så att de kan ge mycket större värmeavledning.

Nya fynd indikerar det transporterande systemet som gör tekniken möjlig absorberar mer än 550 watt per kvadratcentimeter, eller ungefär 10 gånger värmen som genereras av konventionella chips. Detta är mer än tillräckligt med kylkapacitet för kraftelektronikapplikationer, Sa Garimella.

Resultaten är detaljerade i ett forskningsarbete som visas online denna månad i International Journal of Heat and Mass Transfer och kommer att publiceras i tidskriftens septembernummer. Papperet skrevs av maskinteknik doktorand Justin Weibel, Garimella och Mark North, en ingenjör med Thermacore, en producent av kommersiella värmerör i Lancaster, Pa.

"Vi vet att den spridande delen av systemet fungerar bra, så vi måste nu se till att resten av systemet fungerar, "Sa North.

Den nya typen av kylsystem kan användas för att förhindra överhettning av enheter som kallas bipolära transistorer, växelstransistorer med hög effekt som används i hybrid- och elfordon. Flisen krävs för att driva elmotorer, byta stora mängder ström från batteriet till elektriska spolar som behövs för att accelerera ett fordon från noll till 60 km / h på 10 sekunder eller mindre.

Potentiella militära tillämpningar inkluderar avancerade system som radar, lasrar och elektronik i flygplan och fordon. Markerna som används i fordons- och militära applikationer genererar 300 watt per kvadratcentimeter eller mer.

Forskare studerar kylsystemet med hjälp av en ny testanläggning utvecklad av Weibel som efterliknar förhållanden inuti ett riktigt värmerör.

"Veken måste vara en bra transportör av vätska men också en mycket bra värmeledare, "Weibel sa." Så forskningen fokuserar till stor del på att bestämma hur tjockleken på veken och storleken på kopparpartiklar påverkar värmeledningen. "

Beräkningsmodeller för projektet skapades av Garimella i samarbete med Jayathi Y. Murthy, en professor i maskinteknik i Purdue, och doktorand Ram Ranjan. Kolnanorören producerades och studerades vid universitetets Birck Nanotechnology Center i arbete som leddes av professor i maskinteknik Timothy Fisher.

"Vi har validerat modellerna mot experiment, och vi genomför ytterligare experiment för att mer fullständigt utforska resultaten av simuleringar, "Sa Garimella.

Inuti kylsystemet, vatten cirkulerar när det värms upp, kokar och förvandlas till en ånga i en komponent som kallas förångaren. Vattnet vänder sedan tillbaka till en vätska i en annan del av värmeröret som kallas kondensorn.

Veken eliminerar behovet av en pump eftersom den drar bort vätska från kondensorsidan och transporterar den till förångarsidan av den platta enheten, Sa Garimella.

Att låta en vätska koka dramatiskt ökar hur mycket värme som kan tas bort jämfört med att helt enkelt värma en vätska till temperaturer under dess kokpunkt. Att förstå exakt hur vätska kokar i små porer och kanaler hjälper ingenjörerna att förbättra sådana kylsystem.

Den transporterande delen av värmeröret skapas genom sintring, eller smälter ihop små kopparsfärer med värme. Vätska dras svampliknande genom utrymmen, eller porer, mellan kopparpartiklarna genom ett fenomen som kallas kapillärtransporter. Ju mindre porerna, ju större dragkraft materialet har, Sa Garimella.

Sådana sintrade material används i kommersiella värmerör, men forskarna förbättrar dem genom att skapa mindre porer och även genom att lägga till kolnanorören.

"För hög dragkraft, du behöver små porer, "Garimella sa." Problemet är att om du gör porerna mycket fina och tätt åtskilda, vätskan står inför mycket friktionsmotstånd och vill inte flöda. Så permeabiliteten hos veken är också viktig. "

Forskarna skapar mindre porer genom att "nanostrukturera" materialet med kolnanorör, som har en diameter på cirka 50 nanometer, eller miljarddels meter. Dock, kolnanorör är naturligt hydrofoba, hindrar deras förmåga att transportera, så de var belagda med koppar med hjälp av en enhet som kallades en elektronstråleindunstare.

"Vi har gjort stora framsteg när det gäller att förstå och designa wickstrukturerna för denna applikation och mäta deras prestanda, "sa Garimella. Han sa att när de pågående ansträngningarna med att packa de nya veken i värmerörsystem som fungerar som det termiska markplanet är klara, enheter baserade på forskningen kan vara i kommersiellt bruk inom några år.