I ricercatori hanno dimostrato che una tecnologia di raffreddamento avanzata in fase di sviluppo per l'elettronica ad alta potenza nei sistemi militari e automobilistici è in grado di gestire circa 10 volte il calore generato dai chip dei computer convenzionali.

La miniatura, il dispositivo leggero utilizza minuscole sfere di rame e nanotubi di carbonio per trasferire passivamente un refrigerante verso l'elettronica calda, disse Suresh V. Garimella, R. Eugene e Susie E. Goodson Distinguished Professor di ingegneria meccanica alla Purdue University.

Questa tecnologia traspirante rappresenta il cuore di un nuovo "piano terra termico" ultrasottile, " un appartamento, piastra cava contenente acqua.

Simili "tubi termici" sono in uso da più di due decenni e si trovano nei computer portatili. Però, si limitano a raffreddare circa 50 watt per centimetro quadrato, che è abbastanza buono per i chip dei computer standard ma non per l'"elettronica di potenza" nei sistemi d'arma militari e nei veicoli ibridi ed elettrici, ha detto Garimella.

Il gruppo di ricerca di Purdue, Thermacore Inc. e il Georgia Tech Research Institute è guidato da Raytheon Co., creare la tecnologia di raffreddamento compatto nel lavoro finanziato dalla Defense Advanced Research Projects Agency, o DARPA.

Il team sta lavorando per creare tubi di calore circa un quinto dello spessore dei tubi di calore commerciali e coprendo un'area più ampia rispetto ai dispositivi convenzionali, consentendo loro di fornire una dissipazione del calore molto maggiore.

Nuove scoperte indicano che il sistema di assorbimento che rende possibile la tecnologia assorbe più di 550 watt per centimetro quadrato, o circa 10 volte il calore generato dai chip convenzionali. Questa è una capacità di raffreddamento più che sufficiente per le applicazioni di elettronica di potenza, ha detto Garimella.

I risultati sono dettagliati in un documento di ricerca che appare online questo mese nel Giornale internazionale di trasferimento di calore e di massa e sarà pubblicato nel numero di settembre della rivista. Il documento è stato scritto dallo studente di dottorato in ingegneria meccanica Justin Weibel, Garimella e Marco Nord, un ingegnere con Thermacore, un produttore di tubi di calore commerciali situato a Lancaster, Papà.

"Sappiamo che la parte wicking del sistema sta funzionando bene, quindi ora dobbiamo assicurarci che il resto del sistema funzioni, " ha detto Nord.

Il nuovo tipo di sistema di raffreddamento può essere utilizzato per prevenire il surriscaldamento di dispositivi chiamati transistor bipolari a gate isolato, transistor di commutazione ad alta potenza utilizzati nei veicoli ibridi ed elettrici. I chip sono necessari per azionare motori elettrici, passare grandi quantità di energia dal pacco batteria alle bobine elettriche necessarie per accelerare un veicolo da zero a 60 mph in 10 secondi o meno.

Le potenziali applicazioni militari includono sistemi avanzati come radar, laser ed elettronica in aeromobili e veicoli. I chip utilizzati nelle applicazioni automobilistiche e militari generano 300 watt per centimetro quadrato o più.

I ricercatori stanno studiando il sistema di raffreddamento utilizzando un nuovo impianto di prova sviluppato da Weibel che imita le condizioni all'interno di un vero tubo di calore.

"Lo stoppino deve essere un buon trasportatore di liquidi ma anche un ottimo conduttore di calore, "Ha detto Weibel. "Quindi la ricerca si concentra in gran parte sulla determinazione di come lo spessore dello stoppino e la dimensione delle particelle di rame influenzino la conduzione del calore".

I modelli computazionali per il progetto sono stati creati da Garimella in collaborazione con Jayathi Y. Murthy, un professore di ingegneria meccanica alla Purdue, e dottorando Ram Ranjan. I nanotubi di carbonio sono stati prodotti e studiati presso il Birck Nanotechnology Center dell'università nel lavoro guidato dal professore di ingegneria meccanica Timothy Fisher.

"Abbiamo convalidato i modelli rispetto agli esperimenti, e stiamo conducendo ulteriori esperimenti per esplorare più a fondo i risultati delle simulazioni, " ha detto Garimella.

All'interno del sistema di raffreddamento, l'acqua circola mentre viene riscaldata, bolle e si trasforma in vapore in un componente chiamato evaporatore. L'acqua torna quindi a un liquido in un'altra parte del tubo di calore chiamato condensatore.

Lo stoppino elimina la necessità di una pompa perché aspira il fluido dal lato condensatore e lo trasporta al lato evaporatore del dispositivo piatto, ha detto Garimella.

Lasciare bollire un liquido aumenta notevolmente la quantità di calore che può essere rimossa rispetto al semplice riscaldamento di un liquido a temperature inferiori al suo punto di ebollizione. Comprendere con precisione come il fluido bolle in piccoli pori e canali sta aiutando gli ingegneri a migliorare tali sistemi di raffreddamento.

La parte traspirante del tubo di calore è creata dalla sinterizzazione, o fondere insieme minuscole sfere di rame con il calore. Il liquido viene trascinato come una spugna attraverso gli spazi, o pori, tra le particelle di rame da un fenomeno chiamato assorbimento capillare. Più piccoli sono i pori, maggiore è il potere di attrazione del materiale, ha detto Garimella.

Tali materiali sinterizzati sono utilizzati nei tubi di calore commerciali, ma i ricercatori li stanno migliorando creando pori più piccoli e aggiungendo anche i nanotubi di carbonio.

"Per un elevato potere di estrazione, hai bisogno di pori piccoli, " disse Garimella. "Il problema è che se si fanno i pori molto fini e densamente distanziati, il liquido affronta molta resistenza all'attrito e non vuole scorrere. Quindi anche la permeabilità dello stoppino è importante".

I ricercatori stanno creando pori più piccoli "nanostrutturando" il materiale con nanotubi di carbonio, che hanno un diametro di circa 50 nanometri, o miliardesimi di metro. Però, i nanotubi di carbonio sono naturalmente idrofobi, ostacolando la loro capacità di traspirazione, quindi sono stati rivestiti di rame usando un dispositivo chiamato evaporatore a fascio di elettroni.

"Abbiamo fatto grandi progressi nella comprensione e nella progettazione delle strutture dello stoppino per questa applicazione e nella misurazione delle loro prestazioni, " ha detto Garimella. Ha detto che una volta completati gli sforzi in corso per confezionare i nuovi stoppini in sistemi di tubi di calore che fungono da piano di terra termico, i dispositivi basati sulla ricerca potrebbero essere in uso commerciale entro pochi anni.