Forschung -

Elektronik schwitzt, um sich zu kühlen

Für gewöhnlich geben Kühlkörper für Elektronik die Wärme über Oberflächenstrahlung und Konvektion ab. Reicht das nicht aus, kann eine Beschichtung helfen, durch die Abgabe von Wasser einen zusätzlichen Kühlungseffekt – ähnlich dem Schwitzen – zu erzeugen.

Für gewöhnlich geben Kühlkörper für Elektronik die Wärme über Oberflächenstrahlung und Konvektion ab. Reicht das nicht aus, kann eine Beschichtung helfen, durch die Abgabe von Wasser einen zusätzlichen Kühlungseffekt – ähnlich dem Schwitzen – zu erzeugen.

Für die Kühlung elektronischer Geräte haben Forscher der Shanghai Jiao Tong University in China einen Phasenwechselspeicher entwickelt, der eine spezifische Enthalpie von etwa 1950 J/g nutzen kann, weit mehr als herkömmliche Materialien mit etwa 50 bis 200 J/g. Es handelt sich dabei um die metallorganische Gerüstverbindung (Metal-Organic Framework, MOF) mit Chrom-Terephthalsäure MIL-101(Cr), die als Beschichtung auf bestehende Kühlkörper aufgebracht wird. Über die Aufnahme und Abgabe von Feuchtigkeit trägt diese zur transienten Wärmeregulierung bei.

Sobald die Temperatur der Elektronik steigt, erhöht sich ebenfalls der Sättigungsdampfdruck, was das thermodynamische Gleichgewicht verschiebt. Dadurch gibt das MOF überschüssige Feuchtigkeit ab. Der Desorptionsprozess entzieht der Umgebung einen Teil der Wärme und gibt die Energie durch Dampfdiffusion ab. Dabei liegt die durchschnittliche Desorptionsenthalpie der Physisorption nahe an der Verdampfungsenthalpie von Wasser. Sinkt die Temperatur wieder, nimmt das Material Feuchtigkeit auf und regeneriert damit seinen Wasserspeicher, sodass ein geschlossener Kreislauf entsteht.

Der Erstautor der Studie Chenxi Wang und sein Team wählten für ihre Studie MIL-101(Cr), da es auf molekularer Ebene ein sehr gutes Adsorptionsverhalten und eine typische S-förmige Isotherme aufweist. Bei 25 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 40 bis 55 % steigt die Wasseraufnahme schnell an. In seiner porösen Struktur bindet der Sorbent bei 60 % Luftfeuchtigkeit das 1,05-fache seines Eigengewichts an Wasser. Mehr als 90 % davon kann er bei Temperaturanstieg abgeben.

In einem Experiment wurden 16 cm² große Aluminiumbleche mit MIL-101(Cr) unterschiedlicher Dicke – 198, 313 und 516 µm – beschichtet und auf einer Heizplatte erhitzt. Während ein unbeschichtetes Blech nach 5,2 Minuten 60 °C erreichte, brachte es bereits die dünnste Beschichtung auf 11,7 Minuten. Mit der dicksten Variante verzögerte sich die Erwärmung um weitere 6,6 Minuten.

Um den Kühleffekt an realer Elektronik zu testen, versah das Forschungsteam einen Mikrocomputer mit einem beschichteten Kühlkörper. Im Vergleich zur Variante ohne Anpassung war nach 15 Minuten hoher Dauerlast die Chiptemperatur um bis zu 7 °C niedriger.

In Zukunft wollen die Forscher die Wärmeleitfähigkeit weiter verbessern, etwa indem sie wärmeleitende Zusätze wie Graphen zugeben. Bevor das Konzept die Marktreife erlangt, müssen allerdings die Kosten für MOFs sinken.

C. Wang et al.: A Thermal Management Strategy for Electronic Devices Based on Moisture Sorption/Desorption Processes; Joule, 2020

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