Minibläschen zur Flüssigkühlung von künftigen Computern

Mikrokanäle sollen bei Verringerung des Durchmessers besser funktionieren. Forscher von der US-amerikanischen Purdue University haben entdeckt, dass in künftige Chips eingebrachte "Mikrokanäle" zur Flüssigkühlung weniger Probleme machen könnten als ursprünglich erwartet. Bisher ging man davon aus, dass kleine Luftblasen die Zirkulation in den Mikrokanälen blockieren und damit kleine elektrische Pumpen notwendig machen würden.

15. April 2003 um 12:19 Uhr / Christian Klaß

Dies würde die Kosten und die Komplexität anheben sowie gleichzeitig die Verlässlichkeit verringern. Ein "pumpenloses" Flüssigkühlungssystem der Purdue-Forscher soll nun die beiden potenziellen Entwicklungshürden beseitigen und bis zu sechs Mal mehr Hitze abführen können als andere existierende pumpenlose Miniatur-Flüssigkühlungssysteme, verspricht Issam Mudawar, Maschinenbau-Professor an der Purdue University. Mudawar ist gleichzeitig Direktor der "Purdue University International Electronic Cooling Alliance", die Forscher aus Industrie, Regierungsbehörden und Purdue zusammenbringt, um Kühlsysteme für Anwendungsbereiche vom PC bis hin zur Raumfahrt zu entwickeln. Die Forschung wird vom Office of Science der US-Energiebehörde gefördert.

Das Forscher-Team um Mudawar hat eine Flüssig-Kühlung entwickelt, die einen geschlossenen Kreislauf von zwei vertikalen, parallel verlaufenden Röhren mit nicht-leitender Flüssigkeit nutzt. Diese fließt durch Mikrokanäle in einer Metallplatte, welche den Chip berührt. Die Hitze bringt die Flüssigkeit zum Kochen und erzeugt Dampfbläschen, welche an die Oberseite der Röhre aufsteigen, wo sie durch einen Lüfter gekühlt werden und wieder zu Flüssigkeit kondensieren. Die gekühlte Flüssigkeit fließt dann in die parallele Röhre, sinkt ab, fließt wieder in die Metallplatte und führt dann nach erneuter Erhitzung als Dampf wieder Hitze ab. So entsteht ein sich selbsterhaltender Kreislauf.

Flüssigkeit, welche durch die nicht mehr als drei Haardicken durchmessenden Mikrokanäle gezwungen wird, formt laut Mudawar kleinere Bläschen als erwartet. Darüber hinaus soll die Verringerung des Mikrokanaldurchmessers sogar die Kühleffizienz des Systems steigern, indem noch kleinere Bläschen entstehen, was dem Gegenteil des ursprünglich erwarteten Ergebnisses entspricht. Da die Bläschen viel kleiner als der Durchmesser der Mikrokanäle sei, könnten sie leicht durch die Kanäle fließen. "Wir waren überrascht zu sehen, dass die nicht-leitende Flüssigkeit wirklich Miniatur-Bläschen formt, die sehr schnell durchschlüpfen können" , so Mudawar. "Die Bläschen blockieren nicht den Fluss, wie man es erwarten würde."

Die Entdeckung wurde bereits in der März-Ausgabe der "IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies" vom Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) von Mudawar und vom Graduate Student Swaraj Mukherjee beschrieben. Beide erwarten, dass in etwa drei Jahren die ersten High-End-Prozessoren über 300 Watt/Quadratzentimeter Hitze entwickeln werden, während heutige Chips bis etwa 75 Watt/Quadratzentimeter erzeugen. Lüfter und Kühlkörper würden dann nicht mehr effizient genug sein.

Da man nun einen funktionieren Startpunkt erreicht habe, will man das System nun verbessern und sich an verschiedenen Geometrien versuchen, die für die industrielle Nutzung geeignet sind, heißt es in einer Pressemitteilung der Purdue University. Bereits Ende 2001 machte die Purdue University auf sich aufmerksam, als einer ihrer Studenten ein geräuscharmes, auf Mikrofächern basierendes Kühlsystem für mobile Geräte vorstellte.