Forscher machen elektronische Bauteile dank thermoelektrischer Module thermisch unsichtbar

Forscher machen elektronische Bauteile dank thermoelektrischer Module thermisch unsichtbar
Anonim

vom American Institute of Physics

Image

Licht, Schall und jetzt Wärme - so wie optische Unsichtbarkeitsmäntel Licht biegen und beugen können, um ein Objekt vor Sicht zu schützen, und speziell gefertigte akustische Metamaterialien ein Objekt vor Schallwellen verbergen können, kann ein kürzlich entwickelter Wärmemantel ein Objekt thermisch unsichtbar machen durch aktive Umleitung der einfallenden Wärme.

Das von Wissenschaftlern der Nanyang Technological University (NTU) in Singapur entwickelte System kann die Temperaturverteilung und den Wärmefluss in elektronischen Systemen und Halbleitersystemen optimieren. Es findet Anwendung in Geräten mit hohen Anforderungen an eine effiziente Ableitung und homogene Wärmeausdehnung, wie Hochleistungsmotoren, Magnetresonanztomographen (MRT) und Wärmesensoren.

"Aufgrund seiner Formflexibilität kann der aktive Wärmemantel auch in menschlichen Kleidungsstücken zum wirksamen Kühlen und Erwärmen verwendet werden, was in tropischen Gebieten wie Singapur sehr sinnvoll ist", sagte Prof. Baile Zhang von NTU.

Zhang und Kollegen hatten mit Metamaterialien experimentiert, künstlichen Verbundwerkstoffen, die Eigenschaften aufweisen, die in natürlich vorkommenden Substanzen nicht zu finden sind. Sie hatten zuvor einen Wärmemantel aus Metamaterial entworfen, der passiv leitende Wärme um ein verstecktes Objekt herumleitete. Diesem Gerät fehlte ein Ein- / Ausschalter und es konnte nicht an Objekte mit unterschiedlichen Geometrien angepasst werden.

"Wir haben uns dann mit der Frage befasst, ob wir das thermische Tarnen elektrisch steuern können, indem wir die Wärme nicht passiv mit herkömmlichen Metamaterialien um das versteckte Objekt herum leiten, sondern indem wir aktiv Wärme von einer Seite des versteckten Objekts auf die andere Seite" pumpen " thermoelektrische Module ", sagte Zhang. Er und seine Kollegen beschreiben die Konstruktion und die thermische Mechanik ihres Mantels in dieser Woche in einer Geschichte, die auf dem Cover von Applied Physics Letters erscheint .

Den thermischen Umhang bauen

Um ihren aktiven Wärmemantel zu konstruieren, setzten die Forscher 24 kleine thermoelektrische Module ein, bei denen es sich um Halbleiter-Wärmepumpen handelt, die von einer externen Eingangsspannung gesteuert werden, und zwar um ein Luftloch mit einem Durchmesser von 62 Millimetern in einer Kohlenstoffstahlplatte mit einer Dicke von nur 5 mm. Die Module arbeiten über den Peltier-Effekt, bei dem ein Strom, der durch die Verbindungsstelle zwischen zwei Leitern fließt, Wärme abführen oder erzeugen kann. Wenn viele Module in Reihe geschaltet sind, können sie den Wärmestrom umleiten. Die Forscher befestigten die unteren und oberen Enden der Module an heißen und kalten Oberflächen bei 60 ° C bzw. 0 ° C, um einen diffusiven Wärmefluss zu erzeugen.

Wenn die Forscher an jedes der 24 Module eine Reihe spezifischer Spannungen anlegten, wurde die auf die Heißflächenseite des Luftlochs fallende Wärme absorbiert und an einen an den Modulen angebrachten Kupferwärmespeicher mit konstanter Temperatur abgegeben. Die Module auf der Seite der kalten Oberfläche gaben die gleiche Wärmemenge vom Reservoir an die Stahlplatte ab. Dies verhinderte, dass Wärme durch das Luftloch diffundiert, eine Technik, mit der laut den Forschern empfindliche elektronische Bauteile vor Wärmeabfuhr geschützt werden können.

Darüber hinaus stellten die Forscher fest, dass ihre aktive thermische Tarnung nicht durch die Form des versteckten Objekts eingeschränkt war. Wenn sie auf ein rechteckiges Luftloch angewendet werden, leiten die thermoelektrischen Vorrichtungen die Wärme genauso effektiv um wie bei dem kreisförmigen.

Mit Blick auf die Zukunft planen Zhang und seine Kollegen, die Wärmemäntel in elektronischen Systemen einzusetzen, die Effizienz der Wärmeübertragung zu verbessern und ein intelligentes Steuersystem für den Mantel zu entwickeln.