Schéma de l'interrupteur thermique montrant (a) l'état ON avec la gouttelette de métal liquide reliant la source de chaleur et le puits et (b) l'état OFF avec le métal liquide retiré du canal. (c) Image vue latérale du dispositif de commutation thermique fabriqué. (d) Les circuits de résistance thermique ON et OFF basés sur un modèle de transfert de chaleur 1-D. Crédit : Centre pour les systèmes électrothermiques à puissance optimisée.
Des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont développé une nouvelle technologie pour activer ou désactiver les flux de chaleur. Les résultats ont été publiés dans l'article "Millimeter-scale liquid metal droplet thermal switch, " qui figurait dans Lettres de physique appliquée .
Les commutateurs sont utilisés pour contrôler de nombreux produits techniques et systèmes techniques. Les interrupteurs mécaniques sont utilisés pour verrouiller ou déverrouiller les portes, ou pour sélectionner des vitesses dans le système de transmission d'une voiture. Les interrupteurs électriques sont utilisés pour allumer et éteindre les lumières dans une pièce. A plus petite échelle, des interrupteurs électriques sous forme de transistors sont utilisés pour allumer et éteindre des appareils électroniques, ou pour acheminer des signaux logiques dans un circuit.
Les ingénieurs ont longtemps souhaité un commutateur pour les flux de chaleur, en particulier dans les systèmes électroniques où le contrôle des flux de chaleur peut améliorer considérablement les performances et la fiabilité du système. La création d'un tel commutateur thermique présente cependant des défis importants.
"Le flux de chaleur se produit chaque fois que vous avez une région de température plus élevée près d'une région de température plus basse, " dit Guillaume King, le professeur titulaire de la chaire Andersen au Département des sciences et de l'ingénierie mécaniques et le co-responsable du projet. "Afin de contrôler le flux de chaleur, nous avons conçu un chemin de flux de chaleur spécifique entre la région chaude et la région froide, et a ensuite créé un moyen de briser le chemin du flux de chaleur lorsque vous le souhaitez."
"La technologie est basée sur le mouvement d'une gouttelette de métal liquide, " a déclaré Nenad Miljkovic, Professeur adjoint au Département des sciences mécaniques et de génie et co-responsable du projet. "La goutte de métal peut être positionnée pour connecter un chemin de flux de chaleur, ou éloigné du chemin du flux de chaleur afin de limiter le flux de chaleur."
Les chercheurs ont démontré la technologie dans un système calqué sur les systèmes électroniques modernes. D'un côté de l'interrupteur, il y avait une source de chaleur représentant le composant électronique de puissance, et de l'autre côté de l'interrupteur, il y avait un refroidissement liquide pour l'évacuation de la chaleur. Lorsque l'interrupteur était allumé, ils ont pu extraire de la chaleur à plus de 10 W/cm2. Lorsque l'interrupteur était éteint, le flux de chaleur a chuté de près de 100X.
Outre King et Miljkovic, les autres auteurs de l'article incluent Paul Braun, Professeur Racheff de science et d'ingénierie des matériaux et directeur du laboratoire de recherche sur les matériaux ; et les étudiants diplômés Tianyu Yang, Beomjin Kwon et Patricia B. Weisensee (maintenant professeure adjointe à l'Université de Washington à St. Louis) des sciences mécaniques et de l'ingénierie et Jin Gu Kang et Xuejiao Li de la science et de l'ingénierie des matériaux.
King dit que la prochaine étape de la recherche consiste à intégrer le commutateur avec l'électronique de puissance sur une carte de circuit imprimé. Les chercheurs auront un prototype fonctionnel plus tard cette année.
