Effiziente Kühlung für elektronische Geräte

Eine allgegenwärtige Herausforderung bei mikroelektronischen Bauelementen ist es, sicherzustellen, dass sie hinsichtlich der elektrischen Energie innerhalb ihrer sicheren Betriebsgrenzen bleiben. Allgemein gilt: je mehr Strom involviert ist, desto größer ist die Verlustleistung und damit steigt die Temperatur. Die erzeugte Wärme muss abgeführt werden, um die Zuverlässigkeit zu verbessern und zu verhindern, dass es zu einem vorzeitigen Versagen kommt.

Das EU-finanzierte Projekt "Thermal management of high power microsystems using multiphase flows" (THERMAPOWER) unternimmt wichtige Schritte und entwickelt ein neuartiges, effizientes und zuverlässiges Wärmemanagement mittels umfangreicher Untersuchungen zu Zweiphasenströmungen und Wärmeübertragung. Zu den Schwerpunktthemen im Rahmen der Forschung gehören Blasensieden, Verdunstung, Flusssieden und Kondensation.

Die Wissenschaftler werden Zweiphasenströmungen in Rohren und Kanälen mit einer variablen Oberflächenstrukturierung experimentell untersuchen. Mittels neuartiger bildgebender Verfahren werden sie das zweiphasige Strömungsregime nahe der Siedetemperatur-Nukleation mit strukturierten oder beschichteten Oberflächen charakterisieren.

Weiterhin umfassen die Arbeiten die Quantifizierung von Kondensations- und Verdampfungswärmeflüssen für Oberflächen mit unterschiedlichen Benetzungsgraden für Mikrokanäle mit verschiedenen Querschnitten. Die Strömungsinstabilitäten im Zusammenhang mit Zweiphasenströmungen werden ebenfalls quantifiziert.

Bisher haben die Wissenschaftler neue Erkenntnisse über Strömungsinstabilitäten während des Flusssiedens in Ein- und Mehrkanal-Wärmesenken geschaffen. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass Instabilitäten aufgezeichnet werden können, wenn Druckabfälle oder Temperatur über alle Kanäle hinweg gemessen werden. Durch eine neuartige Wärmebildtechnik haben die Wissenschaftler die Strömungsstruktur während des Flusssiedens aufgedeckt.

Studiert wurden auch die Verdampfung von einzelnen sessilen Tropfen und das Blasenwachstum. Die Wissenschaftlern bewiesen die Existenz von hydrothermalen Instabilitäten sowie eines dünnen Benetzungsfilms an der Basis der wachsenden Luftblasen während der Verdampfung. Darüber hinaus haben sie das allererste 3D-Modell für den Prozess des Phasenübergangs während der Verdampfung von Benetzungstropfen auf heißen Oberflächen geschaffen.

THERMAPOWER ist eine Zusammenarbeit zwischen China, der EU und den Vereinigten Staaten. Die Projektergebnisse sollten wichtige Implikationen für Geräte wie Handys, Kälteanlagen, Supercomputing-Cluster und Raumfahrtausrüstung haben.