CENACO

Op dit moment wordt elektronica veelal actief gekoeld door middel van een geconditioneerde luchtstroom die geforceerd langs een heat sink wordt gevoerd. Het conditioneren van deze luchtstroom kost veel energie en de benodigde luchtbehandelingsapparatuur vergt grondstoffen. Als voorbeeld kan een datacenter dienen waarbij tot wel 30 % van de benodigde energie wordt gebruikt voor het koelen van de elektronica.

Dit projectvoorstel richt zich op onderzoek naar een alternatieve methode voor het koelen van elektronica. Het gaat daarbij om het passief koelen van elektronica d.m.v. een gesloten vloeistofcircuit op basis van natuurlijke convectie. Een 3D geprinte heat sink geeft de warmte af aan een circulerende vloeistof. Via een hoger gelegen warmtewisselaar geeft deze vloeistof de warmte aan de buitenlucht af.
Deze passieve manier van koelen bespaart energie en grondstoffen en kent andere voordelen die in de inleiding worden genoemd. Fontys heeft een experimentele opstelling gebouwd waarmee testen zijn gedaan.
De heat sinks worden voor het experiment 3D geprint in metaal. Het printen biedt de vormvrijheid die vaak nodig is voor een efficiënt ontwerp dat in staat is het vermogen af te voeren.
Het onderzoek bij Fontys is uitgevoerd op door het bedrijfsleven aangeleverde cases. De resultaten wijzen uit dat deze passieve manier van koelen in de aangereikte gevallen werkt. Het betreft echter een experimentele opstelling, met maximaal 3 warmtebronnen en beperkte vermogens.
Middels dit project Cooling of Electronics by Natural Convection (CENACO) wil Fontys samen met de consortiumpartners onderzoeken of de methode ook op industriële schaal toepasbaar is. Er moeten reële specificaties worden gedefinieerd. De opstelling moet worden opgeschaald. Voor een juist ontwerp zijn thermal-flow simulaties en onderzoek naar de mogelijkheden om heat sinks te printen nodig.

Eindrapportage

Op dit moment wordt elektronica vaak gekoeld met een geforceerde luchtstroom. Deze luchtstroom moet worden geconditioneerd hetgeen veel energie en apparatuur kost. Zo wordt in een datacenter wel tot 30% van het totale energieverbruik gebruikt voor het koelen. Fontys onderzoekt een alternatieve manier van koelen door middel van een gesloten vloeistofcircuit gebaseerd op natuurlijke convectie. Een voordeel bij deze methode is dat er geen externe energie benodigd is. Samen met projectpartners AME, SIMEX, CORTEXON en VALCUN is onderzocht wat het daadwerkelijk potentieel van deze alternatieve koelmethode is.
In de testopstelling neemt een 3D geprinte aluminium heat sink warmte op van de te koelen elektronicacomponent en geeft de warmte af aan een circulerende vloeistof. Tijdens de experimenten is als warmtebron een set weerstanden gebruikt op een heat spreader met een oppervlak dat past bij een reguliere processor. De warmte wordt door dezelfde vloeistof via een 6 meter hoger gelegen warmtewisselaar aan de buitenlucht afgegeven. De drijvende kracht voor dit vloeistofcircuit is het verschil in dichtheid van de vloeistof tussen de koude en warmte kant in het circuit.

Naast het bepalen van een efficiënte geometrie en het bepalen van het potentieel aan koelvermogen, is onderzocht hoe een systeem meerdere warmtebronnen zich gedraagt. Daartoe zijn in de testopstelling 10 warmtebronnen met 10 heat sinks boven elkaar parallel aangesloten op hetzelfde circuit.
De temperatuur van het water waarmee gekoeld kan worden hangt uiteraard af van de buitentemperatuur. Op hete dagen wordt uitgegaan van koelwater met een temperatuur van ongeveer 50°C. Uit het experiment volgt dat met het huidige ontwerp bij deze hoge buitentemperatuur een koelvermogen van 370 Watt met 1 heat sink haalbaar is. Bij lagere buitentemperaturen is het koelvermogen uiteraard hoger. Zo wordt met koelwater van 23°C met dezelfde heat sink een koelvermogen van ruim 700 Watt bereikt.