Flüssigmetalltropfen als Thermoschalter

14. März 2018, 06:55 Uhr
Schematische Darstellung des Thermoschalters. Links ist der ON-Status mit der Flüssigmetall-Wärmebrücke zu sehen, die die Wärmequelle mit dem Kühlkörper verbindet, während beim OFF-Status rechts der Flüssigmetalltropfen aus dem Kanal entfernt wurde.
Schematische Darstellung des Thermoschalters. Links ist der ON-Status mit der Flüssigmetall-Wärmebrücke zu sehen, die die Wärmequelle mit dem Kühlkörper verbindet, während beim OFF-Status rechts der Flüssigmetalltropfen aus dem Kanal entfernt wurde.
Forscher der Universität von Illinois haben eine neue Technologie entwickelt, um Wärmeströme in elektronischen Systemen ein- oder auszuschalten. Die Forschungsergebnisse wurden in den Applied Physics Letters veröffentlicht.

Mit Schaltern werden viele technische Produkte und technische Systeme gesteuert. In einem kleineren Maßstab werden elektrische Schalter in Form von Transistoren verwendet, um elektronische Schaltungen ein- oder auszuschalten oder logische Signale innerhalb einer Schaltung zu führen.

Ingenieure haben lange nach einem Schalter für Wärmeflüsse gesucht, besonders in elektronischen Systemen, bei denen die Steuerung von Wärmeströmen die Leistung und Zuverlässigkeit des Systems signifikant verbessern kann. Einen solchen Thermoschalter zu entwerfen stellte jedoch eine große Herausforderung dar.

„Ein Wärmestrom entsteht, wenn sich ein Bereich mit einer höheren Temperatur in der Nähe eines Bereichs mit niedrigerer Temperatur befindet“, sagt Professor William King. „Um den Wärmestrom zu steuern, haben wir für den Wärmestrom einen besonderen Pfad zwischen dem heißen und dem kalten Bereich geschaffen und eine Möglichkeit erdacht, diesen Pfad für den Wärmefluss bei Bedarf zu sperren.“
Diese Möglichkeit beruht auf der Verschiebung eines flüssigen Metalltropfens als Wärmeleiter. Der Metalltropfen kann verschoben werden, um einen Pfad für den Wärmefluss zu verbinden oder ihn umgekehrt Pfad zu sperren, um den Wärmefluss zu begrenzen.

Die Forscher bauten ihren steuerbaren Wärmepfad in ein modernes elektronisches System ein und demonstrierten die Funktion. Auf der einen Seite des Wärmeschalters befand sich ein elektronisches Leistungsbauteil als Wärmequelle, auf der anderen Seite eine Flüssigkeitskühlung zur Wärmeableitung. Mit eingeschaltetem Wärmeschalter konnte dem Leistungsbauteil mehr als 10 W/cm² Wärme entzogen werden. Sobald der Wärmekanal unterbrochen wurde, fiel der Wärmefluss fast um das 100-fache.

Als nächsten Schritt wollen die Forscher den Schalter mit der Leistungselektronik auf einer Leiterplatte integrieren. Sie erwarten, noch in diesem Jahr einen funktionierenden Prototyp präsentieren zu können.
 
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