Les chercheurs ont montré qu'une technologie de refroidissement avancée en cours de développement pour l'électronique haute puissance dans les systèmes militaires et automobiles est capable de gérer environ 10 fois la chaleur générée par les puces informatiques conventionnelles.

La miniature, appareil léger utilise de minuscules sphères de cuivre et des nanotubes de carbone pour évacuer passivement un liquide de refroidissement vers l'électronique chaude, dit Suresh V. Garimella, le R. Eugene et Susie E. Goodson professeur distingué de génie mécanique à l'Université Purdue.

Cette technologie de mèche représente le cœur d'un nouveau "plan de masse thermique" ultrafin, " un appartement, assiette creuse contenant de l'eau.

Des « caloducs » similaires sont utilisés depuis plus de deux décennies et se retrouvent dans les ordinateurs portables. Cependant, ils se limitent à refroidir environ 50 watts par centimètre carré, ce qui est assez bon pour les puces informatiques standard mais pas pour "l'électronique de puissance" dans les systèmes d'armes militaires et les véhicules hybrides et électriques, dit Garimella.

L'équipe de recherche de Purdue, Thermacore Inc. et Georgia Tech Research Institute sont dirigés par Raytheon Co., la création de la technologie de refroidissement compact dans le cadre d'un travail financé par la Defense Advanced Research Projects Agency, ou DARPA.

L'équipe travaille à créer des caloducs d'environ un cinquième de l'épaisseur des caloducs commerciaux et couvrant une plus grande surface que les appareils conventionnels, leur permettant de fournir une dissipation de chaleur beaucoup plus importante.

De nouvelles découvertes indiquent que le système de mèche qui rend la technologie possible absorbe plus de 550 watts par centimètre carré, soit environ 10 fois la chaleur générée par les puces conventionnelles. C'est plus qu'assez de capacité de refroidissement pour les applications d'électronique de puissance, dit Garimella.

Les résultats sont détaillés dans un document de recherche publié en ligne ce mois-ci dans le Journal international du transfert de chaleur et de masse et sera publié dans le numéro de septembre de la revue. L'article a été rédigé par Justin Weibel, doctorant en génie mécanique, Garimella et Mark North, un ingénieur chez Thermacore, un producteur de caloducs commerciaux situé à Lancaster, Pennsylvanie.

"Nous savons que la partie mèche du système fonctionne bien, nous devons maintenant nous assurer que le reste du système fonctionne, " dit Nord.

Le nouveau type de système de refroidissement peut être utilisé pour éviter la surchauffe des dispositifs appelés transistors bipolaires à grille isolée, transistors de commutation haute puissance utilisés dans les véhicules hybrides et électriques. Les puces sont nécessaires pour entraîner des moteurs électriques, passer de grandes quantités d'énergie du bloc-batterie aux bobines électriques nécessaires pour accélérer un véhicule de zéro à 60 mph en 10 secondes ou moins.

Les applications militaires potentielles comprennent des systèmes avancés tels que le radar, lasers et électronique dans les avions et les véhicules. Les puces utilisées dans les applications automobiles et militaires génèrent 300 watts par centimètre carré ou plus.

Les chercheurs étudient le système de refroidissement à l'aide d'une nouvelle installation d'essai développée par Weibel qui imite les conditions à l'intérieur d'un véritable caloduc.

"La mèche doit être un bon transporteur de liquide mais aussi un très bon conducteur de chaleur, " a déclaré Weibel. " Ainsi, la recherche se concentre en grande partie sur la détermination de la façon dont l'épaisseur de la mèche et la taille des particules de cuivre affectent la conduction de la chaleur. "

Les modèles informatiques du projet ont été créés par Garimella en collaboration avec Jayathi Y. Murthy, un professeur Purdue de génie mécanique, et le doctorant Ram Ranjan. Les nanotubes de carbone ont été produits et étudiés au Birck Nanotechnology Center de l'université dans le cadre de travaux dirigés par le professeur de génie mécanique Timothy Fisher.

« Nous avons validé les modèles par rapport à des expériences, et nous menons d'autres expériences pour explorer plus en détail les résultats des simulations, " dit Garimella.

A l'intérieur du système de refroidissement, l'eau circule lorsqu'elle est chauffée, bout et se transforme en vapeur dans un composant appelé évaporateur. L'eau redevient liquide dans une autre partie du caloduc appelée condenseur.

La mèche élimine le besoin d'une pompe car elle aspire le fluide du côté condenseur et le transporte vers le côté évaporateur de l'appareil plat, dit Garimella.

Laisser un liquide bouillir augmente considérablement la quantité de chaleur qui peut être retirée par rapport au simple fait de chauffer un liquide à des températures inférieures à son point d'ébullition. Comprendre précisément comment le fluide bout dans de minuscules pores et canaux aide les ingénieurs à améliorer ces systèmes de refroidissement.

La partie absorbante du caloduc est créée par frittage, ou fusionner de minuscules sphères de cuivre avec de la chaleur. Le liquide est aspiré comme une éponge à travers les espaces, ou pores, entre les particules de cuivre par un phénomène appelé mèche capillaire. Plus les pores sont petits, plus le pouvoir d'étirage du matériau est grand, dit Garimella.

De tels matériaux frittés sont utilisés dans les caloducs commerciaux, mais les chercheurs les améliorent en créant des pores plus petits et aussi en ajoutant des nanotubes de carbone.

"Pour une puissance d'attraction élevée, vous avez besoin de petits pores, " a déclaré Garimella. " Le problème est que si vous faites des pores très fins et densément espacés, le liquide fait face à beaucoup de résistance de friction et ne veut pas couler. La perméabilité de la mèche est donc également importante."

Les chercheurs créent des pores plus petits en « nanostructurant » le matériau avec des nanotubes de carbone, qui ont un diamètre d'environ 50 nanomètres, ou des milliardièmes de mètre. Cependant, les nanotubes de carbone sont naturellement hydrophobes, entravant leur capacité de mèche, ils ont donc été recouverts de cuivre à l'aide d'un dispositif appelé évaporateur à faisceau d'électrons.

"Nous avons fait de grands progrès dans la compréhension et la conception des structures de mèches pour cette application et dans la mesure de leurs performances, " a déclaré Garimella. Il a déclaré qu'une fois que les efforts en cours pour emballer les nouvelles mèches dans des systèmes de caloducs qui servent de plan de masse thermique sont terminés, les dispositifs basés sur la recherche pourraient être utilisés commercialement d'ici quelques années.