Чипи зможуть охолоджувати себе власним теплом — вчені створили незвичайний твердотільний холодильник

Група німецьких та японських науковців продемонструвала твердотільну систему, в якій необхідна для охолодження механічна робота виробляється за рахунок тепла, що виділяється самим охолоджуваним об'єктом. Чіпи в центрах обробки даних зможуть самостійно генерувати необхідну для власного охолодження енергію.

Джерело зображення: Karlsruhe Institute of Technology

Науковці Університету Цукуби (Японія) та Технологічного інституту Карлсруе (Німеччина) розповіли про систему, в якій необхідний для еластокалоричного охолодження електричний привід замінили термочутливим сплавом з ефектом пам'яті форми — це запускає цикл охолодження від зовнішнього джерела тепла, а не традиційного приводу. Прототип включає дві надтонкі металеві плівки, які виконують функції приводу та холодоагенту. 22-мікронна плівка з титано-нікелевого сплаву (TiNi) при нагріванні стискається, перетворюючи теплову енергію на механічний рух — в результаті розтягується плівка холодоагенту з титано-нікелево-залізного сплаву (TiNiFe) товщиною 26,5 мкм і викликається оборотний фазовий перехід, що призводить до охолодження.

Під час лабораторних випробувань виступаючу термоприводом плівку TiNi нагрівали струмом до 86 °C і викликали на плівці холодоагенту перепад температур у 12,9 К, в результаті чого перепад між холодною та гарячою частинами системи склав 4 К. Коли електрику замінили прямим нагрівом від зовнішнього джерела з температурою 130 °C, прототип забезпечив охолодження на 2,2 К.

Використовувані в електроніці термоелектричні охолоджувачі зазвичай демонструють лише 10–15 % від теоретичного межі ефективності зворотного циклу Карно, тобто досягають чверті ефективності сучасних парокомпресійних систем. У випадку еластокалоричного охолодження сплави з ефектом пам'яті форми при механічному впливі змінюють кристалічну структуру. Механічне напруження викликає фазовий перехід, внаслідок якого матеріал нагрівається — після відведення тепла та зняття навантаження відбувається зворотний процес: матеріал поглинає тепло та охолоджується, тобто в ролі холодоагенту виступає твердий сплав. Проблема в тому, що цей матеріал все ж потрібно розтягувати та стискати багаторазово — зазвичай для цього використовують механічні елементи різного роду, що для мініатюрних систем є неприйнятним, тому науковці змусили один сплав з ефектом пам'яті форми приводити в рух інший. При нагріванні плівка TiNi відновлює свою первісну форму та стискається, викликаючи цикл охолодження на механічно пов'язаній з нею плівці TiNiFe, яка, у свою чергу, розтягується.

Термопривід з плівки TiNi забезпечив відношення сили до переміщення на 14,5 Н/мм, тоді як електромеханічні елементи показують лише 1,1 Н/мм. Тонкі плівки також мають високе відношення площі поверхні до об'єму для швидкої теплопередачі. У першому випробуванні при нагріванні від електричного струму стабільний діапазон температур після 20 циклів при питомій потужності охолодження 4,43 Вт/г склав 4,0 К; при прямому нагріванні від зовнішнього джерела вдалося досягти 3,32 Вт/г та 2,2 К відповідно.

В теорії така система могла б підтримувати роботу від тепла, що виділяється процесорами під час роботи. Але на практиці при відсутності температурного перепаду між холодною та гарячою сторонами охолоджуюча потужність поки що складає всього 2,09 мВт, тобто з сучасними процесорами використовувати її поки не вдасться; серед стримуючих факторів відзначаються відносно повільне спрацьовування та існуюча геометрія системи; нагрів також необхідно зробити циклічним. Для збільшення охолоджуючої здатності науковці намагаються паралельно з'єднати кілька плівок. Потрібно масштабування активного матеріалу, поліпшення теплопередачі, робочої частоти та доведення довговічності системи.

Хочеш дізнатися більше — читай відгуки