< Terug naar vorige pagina
Project
Development of Microvalves for High-Performance Cooling of Microelectronics (Ontwikkeling van microkleppen voor hoogperformante koeling van microelektronica)
Door miniaturisatie en de voortdurende toename van kloksnelheid en gegevensoverdracht, overschrijdt de vermogensdissipatie van vele elektronische componenten de limieten van de conventionele koelmethodologiën, zoalsventilator-gedreven luchtkoeling. Gezien de verwachte toename in vermogendichtheid hebben ontwerpers van microprocessoren koeling als één van de belangrijkste uitdagingen voor het volgende decennium geïdentificeerd.Gelijkaardige noden ontstaan bij LEDs waar toekomstige generaties van multi-chip LED modules met hoge lichtopbrengst ontwikkeld worden voor onder andere automobielverlichting en meer algemene toepassingen. Ook in het domein van de vermogenelektronica is er nood aan meer performante koeling. Er is dus duidelijk nood aan innovatieve koeltechnologieën. Hoge bedrijfstemperaturen en voortdurende temperatuurswisselingen zijn bij meest belangrijke factoren die de levensduur van microelektronica componenten verkorten. Vloeistofkoeling is geïdentificeerd als één van de meest beloftevolle oplossingen voor het reduceren van de temperatuur van hoog-vermogen elektronica. Vloeistofkoeling is dikwijls niet geoptimaliseerd, wat leidt tot een teveel aan koeling en temperatuursvariaties van het IC.Bij systemen waarbij het koelmiddel tot het kookpunt gebracht wordt in de koelkanalen kan de warmteoverdrachtscoëfficiënt stijgen met een grootteorde. Het probleem bij fazeovergang is echter de kookinstabiliteit.
Een oplossing voor deze problemen wordt aangereikt door het toepassen van kleppen in het koelsysteem. Voor éénfazige systemen hebben deze als doelstelling een meer uniforme temperatuur van het IC te verzekeren en om het pompvermogen te verminderen. Bij tweefazige systemen heeft de klepals opdracht voor de meest optimale kookomstandigheden te zorgen.
Een vergelijkende studie van verschillende aandrijfprincipes werd uitgevoerd om voor deze kleppen de meest geschikte aandrijftechnologie te identificeren, rekening houdend met de koeldoelstellingen van dit doctoraatsonderzoek. De grootte van de klep bevindt zich tussen de micro- en macroschaal, een domein dat voor een groot deel vergeten werd bij voorgaand onderzoek, en mogelijks beloftevolle toepassingen werden nog niet geëxploreerd. Voor de eerste keer werden kleppen speciaal ontworpen voor IC koeling. De belangrijkste vereisten voor de mechanische kleppen zijn de volgende:
geen lekkage naar de omgeving, laag energieverbruik, continue enproportionele debietcontrole, lage kost, snelle respons, kleine afmetingen en hoge betrouwbaarheid.
De meest beloftevolle technologie die gevonden werd voor éénfazige stroming is thermopneumatische aandrijving. Een klep gebaseerd op dit principe werd ontworpen, gebouwd en getest in een koelsysteem. De klep werkt door middel van de thermische expansie vaneen vloeistof die zowel de klep aandrijft als voor de nodige temperatuursterugkoppeling zorgt. Deze thermopneumatisch klep heeft als voordeel dat ze geen vermogen nodig heeft, klein is in verhouding tot het gecontroleerde debiet, en goedkoop te produceren is. Deze klep kan bovendien gebruikt worden in combinatie met elke warmtewisselaar die gebruikt wordt voor koeling van microelektronica. De kleine afmeting en het niet afhankelijk zijn van externe energievoorzieningen maakt deze klep geschikt voordraagbare toestellen.
Er is geen nood aan elektrische connecties, bedrading of elektronische controle, wat voor eenvoud en betrouwbaarheid zorgt. Een maximaal debiet van 38 kg/h stroomt door de klep bij een thermische last van 133 W. De klep kan het benodigde pompvermogen reduceren tot 60% en de temperatuursvariatie verminderen tot 24%.
Het meest geschikte aandrijfprincipe dat gevonden werd voor tweefazige koeling is elektromagnetische aandrijving omwille van de hoge bandbreedte, hoge krachten, relatief grote slag en lage productiekost. De elektromagnetische klep werkt volgens het reluctantieprincipe en maakt gebruik van een pilootklep om de afmeting en benodigde kracht van de actuator te beperken. De nadruk ligt op een compact vlak ontwerp dat in platte toestellen past. Een druk-gebalanceerd ontwerp laat werking bij hoge systeemdrukken toe. Omdat de drukbalans gebruikt wordt om de klep aan te drijven, werden analytische en numerische modellen ontwikkeld om de drukverdeling over de klep te voorspellen.
De pilootklep werd eveneens gemodelleerd en op basis van deze modellen werd er voor gezorgd dat deze pilootklep een lineaire karakteristiek heeft. Het model werd met succes gevalideerd aan de hand van meetresultaten. De klep is in staat om een debiettot 15 kg/h te controleren. Dit debiet is voldoende om een warmte-inputvan 133 W af te voeren, wat overeenkomt met een warmteflux van 500 W/cm2 bij een temperatuur van 20 deg. C. Het gebalanceerde ontwerp laat toe een drukval te controleren tot 100 kPa bij systeemdrukken tot 600 kPa. Vergeleken met de laatste onderzoeksresultaten gepubliceerd in de literatuur en de laatste ontwikkelingen in de industrie, bevindt deze elektromagnetische klep zich bovenaan de lijst wanneer het aankomt op de combinatie van volgende eigenschappen in één enkele actuator: hoge-snelheids proportionele controle, compact ontwerp, hoge debieten met lage drukverliezen, hoge betrouwbaarheid en lage productiekost.
Dit onderzoek toont de nood aan voor kleppen en de voordelen van het gebruik van kleppen in hoog-performante koelsystemen.
Een oplossing voor deze problemen wordt aangereikt door het toepassen van kleppen in het koelsysteem. Voor éénfazige systemen hebben deze als doelstelling een meer uniforme temperatuur van het IC te verzekeren en om het pompvermogen te verminderen. Bij tweefazige systemen heeft de klepals opdracht voor de meest optimale kookomstandigheden te zorgen.
Een vergelijkende studie van verschillende aandrijfprincipes werd uitgevoerd om voor deze kleppen de meest geschikte aandrijftechnologie te identificeren, rekening houdend met de koeldoelstellingen van dit doctoraatsonderzoek. De grootte van de klep bevindt zich tussen de micro- en macroschaal, een domein dat voor een groot deel vergeten werd bij voorgaand onderzoek, en mogelijks beloftevolle toepassingen werden nog niet geëxploreerd. Voor de eerste keer werden kleppen speciaal ontworpen voor IC koeling. De belangrijkste vereisten voor de mechanische kleppen zijn de volgende:
geen lekkage naar de omgeving, laag energieverbruik, continue enproportionele debietcontrole, lage kost, snelle respons, kleine afmetingen en hoge betrouwbaarheid.
De meest beloftevolle technologie die gevonden werd voor éénfazige stroming is thermopneumatische aandrijving. Een klep gebaseerd op dit principe werd ontworpen, gebouwd en getest in een koelsysteem. De klep werkt door middel van de thermische expansie vaneen vloeistof die zowel de klep aandrijft als voor de nodige temperatuursterugkoppeling zorgt. Deze thermopneumatisch klep heeft als voordeel dat ze geen vermogen nodig heeft, klein is in verhouding tot het gecontroleerde debiet, en goedkoop te produceren is. Deze klep kan bovendien gebruikt worden in combinatie met elke warmtewisselaar die gebruikt wordt voor koeling van microelektronica. De kleine afmeting en het niet afhankelijk zijn van externe energievoorzieningen maakt deze klep geschikt voordraagbare toestellen.
Er is geen nood aan elektrische connecties, bedrading of elektronische controle, wat voor eenvoud en betrouwbaarheid zorgt. Een maximaal debiet van 38 kg/h stroomt door de klep bij een thermische last van 133 W. De klep kan het benodigde pompvermogen reduceren tot 60% en de temperatuursvariatie verminderen tot 24%.
Het meest geschikte aandrijfprincipe dat gevonden werd voor tweefazige koeling is elektromagnetische aandrijving omwille van de hoge bandbreedte, hoge krachten, relatief grote slag en lage productiekost. De elektromagnetische klep werkt volgens het reluctantieprincipe en maakt gebruik van een pilootklep om de afmeting en benodigde kracht van de actuator te beperken. De nadruk ligt op een compact vlak ontwerp dat in platte toestellen past. Een druk-gebalanceerd ontwerp laat werking bij hoge systeemdrukken toe. Omdat de drukbalans gebruikt wordt om de klep aan te drijven, werden analytische en numerische modellen ontwikkeld om de drukverdeling over de klep te voorspellen.
De pilootklep werd eveneens gemodelleerd en op basis van deze modellen werd er voor gezorgd dat deze pilootklep een lineaire karakteristiek heeft. Het model werd met succes gevalideerd aan de hand van meetresultaten. De klep is in staat om een debiettot 15 kg/h te controleren. Dit debiet is voldoende om een warmte-inputvan 133 W af te voeren, wat overeenkomt met een warmteflux van 500 W/cm2 bij een temperatuur van 20 deg. C. Het gebalanceerde ontwerp laat toe een drukval te controleren tot 100 kPa bij systeemdrukken tot 600 kPa. Vergeleken met de laatste onderzoeksresultaten gepubliceerd in de literatuur en de laatste ontwikkelingen in de industrie, bevindt deze elektromagnetische klep zich bovenaan de lijst wanneer het aankomt op de combinatie van volgende eigenschappen in één enkele actuator: hoge-snelheids proportionele controle, compact ontwerp, hoge debieten met lage drukverliezen, hoge betrouwbaarheid en lage productiekost.
Dit onderzoek toont de nood aan voor kleppen en de voordelen van het gebruik van kleppen in hoog-performante koelsystemen.
Datum:9 sep 2008 → 17 sep 2013
Trefwoorden:Microvalves, micro-cooling
Disciplines:Productietechnieken, Andere mechanische en productie ingenieurswetenschappen, Productontwikkeling
Project type:PhD project