Comme un nombre croissant de véhicules à propulsion hybride passer de la conception à la réalisation, la technologie se bat pour rester en phase avec certains des défis techniques moins médiatisés trouvés parmi les systèmes électroniques complexes à bord de ces terres et les véhicules à base d'air, des ordinateurs et d'autres appareils. Par exemple, comment voulez vous rafraîchir efficacement l'électronique dans un moteur électrique haute puissance qui propulse une voiture de 0-60mph en moins de 10 secondes et utilise le freinage par récupération pour arrêter? Des chercheurs américains croient le secret réside peut-être dans la compréhension précisément comment fluide revient dans de minuscules «microcanaux», qui les a amenés à développer des formules et des modèles qui aideront les ingénieurs conçoivent des systèmes uniques pour refroidir l'électronique haute puissance dans les appareils d'aujourd'hui et de demain.

La nécessité de repenser les systèmes de refroidissement est causée par le niveau de la chaleur générée par les puces informatiques qui exploitent des hybrides composants du moteur (environ quatre fois plus de chaleur que les puces informatiques classiques). Le nouveau type de système de refroidissement sera utilisé pour aider à prévenir la surchauffe dans les transistors de commutation haute puissance utilisés dans les véhicules hybrides et électriques, appelé grille isolée transistors bipolaires.

Les puces se réchauffent parce qu'ils changent de grandes quantités d'alimentation de la batterie de bobines électriques lorsque les véhicules accélèrent rapidement. Ils sont également nécessaires pour «freinage», lorsque les moteurs électriques servent de générateurs à freiner le véhicule qui, à son tour, génère de l'énergie pour recharger la batterie. Une partie de cette énergie est convertie en courant électrique utilisé pour exécuter des accessoires dans le véhicule-et certains sont convertis à partir du courant alternatif en courant continu pour recharger la batterie à partir d'un plug-in en ligne.

Méthodes de puce de refroidissement conventionnels utilisent un petit ventilateur et plaques métalliques à ailettes appelé dissipateurs de chaleur, qui sont attachés à des puces d'ordinateur pour dissiper la chaleur. Ces méthodes de refroidissement par air, cependant, ne suppriment pas assez de chaleur pour l'électronique automobiles avancées, notamment en raison de l'air chaud sous le capot d'une voiture, le professeur Suresh Garimella dit.

Par conséquent, des micro-canaux utilisés dans le liquide de refroidissement sont gravées directement au-dessus des puces de silicium. Comme les deux canaux et la puce sont en silicium, il n'y a pas de différence dans l'expansion dramatique de chauffage, ce qui permet aux copeaux d'être empilés les uns sur les autres avec des canaux de refroidissement entre chaque puce.

Cet empilement permet de créer des systèmes plus compacts, depuis les copeaux ne doivent pas être disposés horizontalement sur une carte de circuit comme ils le feraient normalement.

"Nous pouvons adapter beaucoup plus de jetons en beaucoup moins de l'immobilier en utilisant cette approche", a déclaré Garimella.

Une fois le procédé de refroidissement des plaquettes a été déterminée, la recherche d'un liquide approprié est le prochain défi.

Les chercheurs ont étudié un 'liquide diélectrique ", un fluide qui ne conduit pas l'électricité, qui lui permet d'être utilisé directement dans les circuits sans provoquer de courts-circuits électriques.

L'optimisation de transfert de chaleur - une énigme d'ébullition

«Permettre à un liquide à ébullition dans les systèmes de refroidissement augmente considérablement la quantité de chaleur peut être éliminé, par rapport à un simple chauffage d'un liquide au-dessous de son point d'ébullition", a déclaré Garimella, R. Eugene et Susie E. Goodson professeur de génie mécanique à l'Université Purdue .

Toutefois, ladite ébullition se produit Garimella différemment dans des canaux minuscules qu'elle ne le fait dans un tube de taille ordinaire qui est utilisé dans les systèmes de refroidissement classiques.

"Une grande question a toujours été, où est le passage de l'échelle macroscopique bouillante pour micro-ébullition?" dit doctorant Tannaz Harirchian. "Comment définissez-vous un microcanal contre une macrochannel, et à quel moment avons-nous besoin d'appliquer différents modèles pour concevoir des systèmes? Maintenant, nous avons une réponse."

"Nous avons finalement fait le sens de l'ébullition dans les canaux à petite échelle et ils ont maintenant une belle compréhension de la physique", a déclaré Garimella, directeur de la NSF refroidissement Research Center Technologies.

La recherche est financée par la Fondation nationale des sciences basée à Purdue de refroidissement Centre de recherche en technologies, un consortium de sociétés, des universités et des laboratoires gouvernementaux. Fonds de recherche et de la technologie 21e siècle de l'Indiana a fourni 1,9 million $ pour aider à commercialiser le système de refroidissement avancé.

Les chercheurs ont utilisé des puces de test spéciaux fabriqués par Delphi qui sont environ un demi-pouce de chaque côté et contenant 25 capteurs de température.

"Juste sous chacun de ces capteurs est un petit radiateur, de sorte que nous pouvons ajuster la quantité de chaleur que nous appliquons à des endroits spécifiques sur la puce et de simuler ce qui se passe dans une vraie puce," at-il dit.

Trop de chaleur entrave la performance des puces électroniques ou des dommages-intérêts de la petite circuits, surtout dans les petits «points chauds».

"Afin de concevoir ces systèmes correctement, vous devez être en mesure de prédire le taux de transfert de chaleur de refroidissement et comment vous obtiendrez beaucoup," dit-il.

Contrairement liquide bouillant dans les systèmes de refroidissement plus grandes, des bulles sphériques parfois ne se forment pas dans les petits canaux. Ils peuvent, plutôt, former une longue 'anneau liquide »continue, ou« limaces »oblongues de la vapeur sous forme liquide.

Harirchian développé des formules qui permettent aux ingénieurs de dire quand les différents types de flux se produisent et comment concevoir les systèmes en conséquence. Doivent être connus avant que les formules appropriées peuvent être utilisés pour prédire la performance de certains modèles de canaux - les «régimes d'écoulement» spécifiques - si le fluide est pétillante, annulaire ou en limaces.

Elle a également déterminé qu'il est pas la largeur ou la profondeur des canaux qui influencent le plus le comportement d'ébullition, mais la section transversale de chaque canal, dit Garimella, qui a commencé la recherche de microcanaux il ya environ 10 ans.

"Je suis très fier de ce travail", a déclaré Garimella. «Nous avons parcouru un long chemin."

Les chercheurs ont utilisé une caméra à grande vitesse pour capturer le comportement du fluide circulant, l'étude des canaux aussi faible que 100 x 100 microns et plus grand que 100 microns de profondeur d'environ 6 mm de large.

"Nous avons voulu tester un large éventail de tailles de canal», a déclaré Harirchian.

Delphi a pris la suite des travaux, la création de prototypes et de commercialisation de la technologie de refroidissement, a déclaré Bruce Myers de Delphi, le principal compagnon de technique.

Les chercheurs ont créé une base de données des films accessibles sur le site Web du Centre NSF pour illustrer le comportement d'ébullition dans des microcanaux. Ils ont également créé une «matrice de test complet» qui permet aux ingénieurs de déterminer comment un système particulier jouerait donné une gamme de dimensions du canal, la quantité de chauffage et de l'écoulement du fluide.

"Vous pouvez mélanger et assortir fondamentalement différentes spécificités de conception et de voir le résultat", a déclaré Garimella.

Les systèmes de refroidissement sont également en cours d'élaboration pour refroidir les commandes électroniques dans les avions, les systèmes militaires et pour d'autres applications.

"Nous espérons être en mesure d'utiliser les nouveaux modèles pour nous aider dans la conception des évaporateurs du système de cycle de la vapeur pour les avions gestion thermique», a déclaré Hal Strumpf, compagnon senior en technologie et ingénieur en chef pour les systèmes thermiques à Honeywell International Inc. "Ces évaporateurs fonctionnent généralement sur la gamme complète des régimes d'écoulement étudié par l'équipe de Garimella, et chaque régime d'écoulement individuelle doivent être modélisés avec précision pour prédire la performance de l'évaporateur ".

Les futures recherches se concentre sur la création de modèles de transfert de chaleur supplémentaires pour la conception des systèmes de refroidissement.