p Os pesquisadores mostraram que uma tecnologia de resfriamento avançada que está sendo desenvolvida para eletrônicos de alta potência em sistemas militares e automotivos é capaz de lidar com cerca de 10 vezes o calor gerado por chips de computador convencionais. p A miniatura, dispositivo leve usa minúsculas esferas de cobre e nanotubos de carbono para direcionar passivamente um refrigerante para eletrônicos quentes, disse Suresh V. Garimella, o R. Eugene e Susie E. Goodson Distinguished Professor of Mechanical Engineering na Purdue University.

p Esta tecnologia wicking representa o coração de um novo "plano de aterramento térmico ultrafino, " um apartamento, placa oca contendo água.

p "Tubos de calor" semelhantes têm sido usados ​​por mais de duas décadas e são encontrados em laptops. Contudo, eles são limitados a resfriar cerca de 50 watts por centímetro quadrado, que é bom o suficiente para chips de computador padrão, mas não para "eletrônica de potência" em sistemas de armas militares e veículos híbridos e elétricos, Garimella disse.

p A equipe de pesquisa de Purdue, A Thermacore Inc. e o Georgia Tech Research Institute são liderados pela Raytheon Co., criando a tecnologia de resfriamento compacta em trabalho financiado pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa, ou DARPA.

p A equipe está trabalhando para criar tubos de calor com cerca de um quinto da espessura dos tubos de calor comerciais e cobrindo uma área maior do que os dispositivos convencionais, permitindo-lhes fornecer uma dissipação de calor muito maior.

p Novas descobertas indicam que o sistema de absorção que torna a tecnologia possível absorve mais de 550 watts por centímetro quadrado, ou cerca de 10 vezes o calor gerado por chips convencionais. Esta é uma capacidade de resfriamento mais do que suficiente para as aplicações de eletrônica de potência, Garimella disse.

p As descobertas são detalhadas em um artigo de pesquisa publicado online este mês no Jornal Internacional de Transferência de Calor e Massa e será publicado na edição de setembro da revista. O artigo foi escrito pelo estudante de doutorado em engenharia mecânica Justin Weibel, Garimella e Mark North, um engenheiro da Thermacore, um produtor de tubos de calor comerciais localizado em Lancaster, Pa.

p "Sabemos que a parte absorvente do sistema está funcionando bem, então agora precisamos ter certeza de que o resto do sistema funciona, "North disse.

p O novo tipo de sistema de resfriamento pode ser usado para evitar o superaquecimento de dispositivos chamados transistores bipolares de porta isolada, transistores de comutação de alta potência usados ​​em veículos híbridos e elétricos. Os chips são necessários para acionar motores elétricos, trocar grandes quantidades de energia da bateria para bobinas elétricas necessárias para acelerar um veículo de zero a 60 mph em 10 segundos ou menos.

p As aplicações militares potenciais incluem sistemas avançados, como radar, lasers e eletrônicos em aeronaves e veículos. Os chips usados ​​nas aplicações automotivas e militares geram 300 watts por centímetro quadrado ou mais.

p Os pesquisadores estão estudando o sistema de resfriamento usando uma nova instalação de teste desenvolvida por Weibel que imita as condições dentro de um tubo de calor real.

p "O pavio precisa ser um bom transportador de líquido, mas também um bom condutor de calor, "Weibel disse." Portanto, a pesquisa se concentra amplamente em determinar como a espessura do pavio e o tamanho das partículas de cobre afetam a condução do calor. "

p Modelos computacionais para o projeto foram criados por Garimella em colaboração com Jayathi Y. Murthy, um professor de engenharia mecânica da Purdue, e o aluno de doutorado Ram Ranjan. Os nanotubos de carbono foram produzidos e estudados no Birck Nanotechnology Center da universidade em trabalho liderado pelo professor de engenharia mecânica Timothy Fisher.

p "Nós validamos os modelos em relação aos experimentos, e estamos conduzindo mais experimentos para explorar mais completamente os resultados das simulações, "Garimella disse.

p Dentro do sistema de refrigeração, a água circula à medida que é aquecida, ferve e se transforma em vapor em um componente chamado evaporador. A água então se transforma em líquido em outra parte do tubo de calor, chamada de condensador.

p O pavio elimina a necessidade de uma bomba porque retira o fluido do lado do condensador e o transporta para o lado do evaporador do dispositivo plano, Garimella disse.

p Permitir que um líquido ferva aumenta drasticamente a quantidade de calor que pode ser removida, em comparação com o simples aquecimento de um líquido a temperaturas abaixo de seu ponto de ebulição. Compreender com precisão como o fluido ferve em minúsculos poros e canais está ajudando os engenheiros a melhorar esses sistemas de resfriamento.

p A parte absorvente do tubo de calor é criada por sinterização, ou fundindo minúsculas esferas de cobre com calor. O líquido é puxado como uma esponja através dos espaços, ou poros, entre as partículas de cobre por um fenômeno denominado absorção capilar. Quanto menores os poros, quanto maior o poder de atração do material, Garimella disse.

p Esses materiais sinterizados são usados ​​em tubos de calor comerciais, mas os pesquisadores estão aprimorando-os criando poros menores e também adicionando nanotubos de carbono.

p "Para alto poder de extração, você precisa de pequenos poros, "Disse Garimella." O problema é que se você fizer os poros muito finos e densamente espaçados, o líquido enfrenta muita resistência ao atrito e não quer fluir. Portanto, a permeabilidade do pavio também é importante. "

p Os pesquisadores estão criando poros menores "nanoestruturando" o material com nanotubos de carbono, que têm um diâmetro de cerca de 50 nanômetros, ou bilionésimos de um metro. Contudo, nanotubos de carbono são naturalmente hidrofóbicos, atrapalhando sua habilidade de absorção, então eles foram revestidos com cobre usando um dispositivo chamado evaporador de feixe de elétrons.

p "Fizemos um grande progresso no entendimento e no projeto das estruturas do pavio para esta aplicação e na medição de seu desempenho, "disse Garimella. Ele disse que, uma vez que os esforços contínuos para empacotar as novas mechas em sistemas de tubos de calor que servem como plano de aterramento térmico, estiverem completos, dispositivos baseados na pesquisa podem estar em uso comercial dentro de alguns anos.