Technologie Stichting STW

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