Gevoeligere en snellere elektronica door compacte koeling
donderdag 6 maart 2008
Elektronica werkt beter in koude omstandigheden (-150^o C): thermische
ruis wordt minder, detectoren worden gevoeliger en ruisarme
versterkers worden nog ruisarmer. Bovendien wordt de snelheid en
betrouwbaarheid vergroot. STW-onderzoeker Srinivas Vanapalli heeft
onderzoek verricht naar de mogelijkheid om elektronische componenten
extreem te koelen met koelers op chipniveau. Vanapalli promoveert 27
maart aan de Universiteit Twente.
Naast onderzoek aan extreem kleine structuren heeft Vanapalli een
proof-of-principle koeler gemaakt, die ondanks de kleinere afmetingen,
beter koelt dan conventionele koelers en daarom ook belangstelling
heeft van bedrijven. Vanapalli voerde zijn succesvolle onderzoek uit
aan de Universiteit Twente, deels in samenwerking met het âNational
Institute of Standards and Technologyâ in Boulders, VS.
Vanapalli richtte zich op verkleining van regeneratieve koelers. Dat
zijn koelers die werken met het cyclisch comprimeren en expanderen van
een werkgas. Voor het verkleinen van deze koelers blijken twee zaken
wezenlijk: de cyclusfrequentie moet omhoog, en ook de gemiddelde druk
van het gas in het systeem moet hoger. Beide zijn nodig om met
verkleining voldoende koelvermogen over te houden.
Hij maakte een koeler met een cyclusfrequentie van 120 Hz. Deze koeler
was ruwweg drie keer kleiner dan conventionele (50 Hz) koelers, maar
had desondanks een hoger koelrendement, en koelde door de kleinere
afmetingen veel sneller af. Het realiseren van de koeler is uitgevoerd
in nauwe samenwerking met het âNational Institute of Standards and
Technologyâ in Boulders, VS. Thales Cryogenics in Eindhoven is sterk
geïnteresseerd in deze ontwikkeling, die direct van toepassing is op
hun producten.
Vanapalli heeft een belangrijk deel van zijn onderzoek gericht op nog
kleinere, en dus nog hoog-frequentere koelers. Daarbij ging het vooral
om de afweging tussen warmteuitwisseling en drukval in de miniscule
kanalen van de koeler. Een goede warmteuitwisseling vergt heel kleine
gaskanalen, maar dan wordt het drukverlies onacceptabel hoog. Een
compromis moest dus gezocht worden. Teststructuren zijn geëtst in
silicium met dwarsafmetingen van typisch 20 mm en een hoogte van 200
mm. Drukverliezen veroorzaakt door dit soort structuren bleken goed
verklaarbaar met theoretische modellen.
Als belangrijke stap richting een hoog-frequente microkoeler heeft
Vanapalli ook gewerkt aan een 1 kHz compressor werkend op basis van
een metalen membraan dat wordt bewogen door een piëzo-stack.
Regeneratieve koelers
Regeneratieve koelers comprimeren cyclisch een werkgas, meestal
helium. Het gas expandeert in een thermisch geïsoleerde ruimte en
koelt af. Via een regenerator stroomt het gas terug naar een
compressor. De regenerator is een hoeveelheid zeer poreus materiaal,
bijvoorbeeld een buisje gevuld met metaalgaasjes. Het gas passeert dat
materiaal en wisselt warmte uit: het koude gas warmt op, en het
regeneratormateriaal koelt een klein beetje af.
Eenmaal gearriveerd in de compressor, wordt het gas weer onder druk
gezet en teruggevoerd naar de expansieruimte. Daarbij passeert het
weer de regenerator, koelt weer af en de regenerator warmt een beetje
op. Het inmiddels dus al een beetje afgekoelde gas expandeert weer, en
koelt dus nog wat verder af, en loopt dan weer terug naar de
compressor via de regenerator. Dit herhaalt zich en zo wordt de
regenerator geleidelijk warm aan de compressorkant (bijv. +20 oC) en
koud aan de kant van de expansieruimte, (bijv -190 oC).
Meer informatie bij:
* ir. Srinivas Vanapalli
Universiteit Twente
t.: +31(0)53 489 4230
s.vanapalli@utwente.nl
promotie: 27 maart
promotoren: prof. dr. M. Elwenspoek en prof.dr.ir. H.J.M. ter Brake
Technologie Stichting STW