Embedded systems
23 maart 2023

Solid state koeling

Mems-technologie voor actieve koeling

Dat elektronische componenten warm worden, is en blijft een uitdaging. Zeker met de trend dat apparatuur kleiner en kleiner moet worden, zorgen hotspots er voor dat processoren geregeld op een lagere kloksnelheid moeten werken om de temperatuur binnen de grenzen te houden. Een goed koelsysteem en ventilatoren zijn dan nodig, maar kan het ook anders? Zijn er geen technieken die de antieke ventilatortechniek kunnen vervangen? De AirJet van Frore Systems is een nieuw soort solid state koeling die wel eens een revolutie op het gebied van actieve koeling kan zijn.

Afbeelding 1: Een luchtpomp met een piëzo-elemen. Boven de ruststand, midden de inlaat en onder de uitlaatstand.

Koeling met ventilatoren is al eeuwen oud. De Egyptische farao’s lieten zich al koelte toewuiven met grote waaiers en met de uitvinding van de elektromotor doen we dit al ruim een eeuw elektrisch. Ten opzichte van de eerste elektrische ventilator is er bij de huidige exemplaren niet echt veel veranderd. De motor heeft de meeste ontwikkelingen doorgemaakt, maar het systeem om een luchtstroom op gang te brengen, is niet echt anders dan toen.
De ontwikkelaars van de Airjet dachten dat het anders zou moeten kunnen en zijn aan het werk gegaan met piëzo-elementen. Dit zijn immers onderdelen die lucht in beweging kunnen brengen. De piëzo-zoemer is daarvan een welbekend voorbeeld.
Als een piëzo-element geluid kan voortbrengen, dan is daarmee ook lucht te verplaatsen, redeneerde men en gebruik je een heleboel van dergelijke piëzo-elementen, dan is een behoorlijke luchtstroom te verkrijgen.
Probleem bij een piëzo-element is het feit dat hij alleen lucht heen en weer kan bewegen. Wil je daar een ventilator mee maken, dan moeten daar ventielen bij komen, die net als in de fietspomp de luchtstroom in één richting stuurt. Op zich is dit niet al te ingewikkeld – de fietspomp laat zien hoe simpel dat kan. Wil je het echter klein houden, dan is dat een uitdaging.
Micro-Electro-Mechanical Systems bood uitkomt. De Mems-technologie is ondertussen al zover ontwikkeld dat met behulp van deze techniek een combinatie van een piëzo-element en kleppen te maken is om zo een luchtpomp te verkrijgen die heel klein kan zijn (afbeelding 1).

Afbeelding 2. De MEMS-luchtpompjes blazen de lucht met grote snelheid tegen de koperen onderkant waardoor de boundary layer doorbroken wordt en het koelend vermogen nog groter wordt.

AirJet Mini en Airjet Pro
Op basis van de hiervoor besproken techniek heeft de Amerikaanse startup Frore Systems een koelsysteem ontwikkeld waarin met MEMS-technologie een aanzienlijk aantal luchtpompjes zijn ondergebracht. Zoals in afbeelding 2 te zien is, zijn deze zo geplaatst dat de luchtstroom die ze teweeg brengen, tegen de koperen onderkant van het element geblazen wordt. Gezien de kracht waarmee de piëzo-elementen de lucht verplaatsen, ‘knallen’ de koude luchtmoleculen met grote snelheid op de warme luchtmoleculen die door adhesie aan het oppervlak van het koper ‘plakken’ (druk 1750 Pa). Deze schieten daardoor weg en er komt plek voor koude luchtmoleculen. Met grote kracht wordt dus de boundary layer van stilstaande luchtmoleculen doorbroken wat tot gevolg heeft dat het koelend vermogen aanzienlijk groter is dan bij een normale ventilator. Deze blaast alleen langs het oppervlak van het koelelement en zal nooit de meest warme moleculen die aan het oppervlak kleven, weten weg te duwen.
De koude lucht wordt aan de bovenkant van het element aangezogen en verlaat opgewarmd via de zijkant de AirJet. Hiermee kan de circulatie in bijvoorbeeld een platte laptop computer beter uitgevoerd worden. Openingen voor het afvoeren van de warmte kunnen nu aan de zijkant geplaatst worden en niet op de onderkant. Verstoring van de luchtstroom door de computer op schoot te nemen of bijvoorbeeld op een kussen, wordt hiermee voorkomen.
De AirJet is op dit moment in twee uitvoeringen leverbaar (afbeelding 3). De kleinste is 27,5 x 41,5 x 2,8 mm en kan ca. 5 W aan warmte afvoeren. Daarbij gebruikt hij zelf slechts 1 W en produceert slechts 21 dBA aan geluid. De AirJet Pro is 31.5 x 71.5 x 2.8 mm en kan ca. 10 W aan warmte afvoeren. Dit is beduidend meer terwijl het opgenomen elektrische vermogen slechts 1,75 W is. Wel maakt hij met 24 dBA twee keer zoveel geluid, maar nog altijd is dit niets in vergelijking met een normale ventilator die al snel meer dan 40 dBA aan geluid produceert. De AirJets zijn hiermee dan ook nog eens fluisterstil.

Afbeelding 3. De twee modellen van de AirJet naast elkaar.

Nog meer koeling
Wie meer koeling nodig heeft, kan meerdere AirJets tegelijkertijd gebruiken. Om hiermee dezelfde processor te koelen, moet gebruik gemaakt worden van een vapor chamber. Een dergelijke onderdeel is de ideale geleider die de warmte van een klein oppervlak bijna verliesvrij weet over te dragen op een veel groter oppervlak. Op de vapor chamber kunnen nu zoveel AirJets geplaatst worden als nodig is voor het gewenste koelvermogen. De totale hoogte van print tot bovenkant AirJet neemt wel iets toe, maar niet zo veel als bij een conventioneel koelsysteem met ventilatoren.

Tot slot
Frore Systems is ongeveer 4 jaar bezig geweest met de ontwikkeling en naar verwachting zullen de eerste apparaten waarin de AirJet is toegepast dit jaar op de markt verschijnen. Dit zullen vooral laptops zijn, maar de AirJet is voor veel meer applicaties toe te passen. Ook verwacht men nog meer verschillende modellen uit te kunnen brengen, maar dat is toekomstmuziek.

Een uitgebreid interview met de ontwikkelaar van de AirJet:


Meer nieuws over Embedded systems
Meer nieuws over toebehoren - toetsenborden, joysticks, randapparatuur etc.

Het laatste productnieuws

Compact Motion Control System

Faulhaber introduceert de kleinste geïntegreerde motion controller ter wereld. De motion controller 22xx…BX4 IMC…

Elektronisch sleutelsysteem

Euchner presenteert het elektronische sleutelsysteem EKS2. Dit product is eenvoudig te implementeren, te bedienen…

Meer productnieuws