ハイドロゲルが電子機器の冷却を軽減

2030 年までに世界の電力使用量の 5 分の 1 以上をエレクトロニクスが消費する予定です。そのエネルギーの多くは熱として浪費され、冷却が必要となり、電力と、多くの場合、大量の水を消費します。

このエネルギーと水の使用量を減らすために、コンタクトレンズ、創傷被覆材、おむつに使用されているヒドロゲルが、空気から吸収された湿気を利用して高出力電子機器を冷却できることが研究者らによって証明された。

アイデアはシンプルです。アルミニウム ヒートシンク上に厚さ 0.5 ～ 1 ミリメートルのヒドロゲル層をコーティングします。 ラップトップや CPU で一般的に使用されるヒートシンクは、より効率的な熱伝達のために表面積を増やすためのフィンとリッジを備えた金属構造です。 ヒドロゲル コーティングは空気中の湿気を吸収し、プロセッサーがフルチルトで動作していないときに膨張します。 ピーク時にプロセッサーが加熱すると、水が蒸発して電子機器が冷却されます。

カリフォルニア大学サンディエゴ校の機械・航空宇宙工学教授レンクン・チェン氏は、「この受動的冷却装置は人間の介入なしで自律的に動作し、電力消費がなく、メンテナンスコストが低く、システム設計がシンプルです」と述べています。 「この方法は人間の皮膚に似ています。過熱すると汗をかきますが、それが蒸発して冷却されます。」

過熱は、高出力電子機器のパフォーマンスと安全性に関する懸念事項であり、電子機器の小型化と電力増加に伴い、コンピューターの温度制御はますます複雑になっています。 次に、エネルギーと水の使用です。 世界のデータセンターだけでも、年間 2,000 億キロワット時を超えるエネルギーとほぼ 1 兆 6,000 億トンの水を使用しています。

現在、電子機器を冷却するさまざまな方法があります。 コンピューターでは、熱材料がマイクロプロセッサ チップからファンを使用して空冷されるヒートシンクに熱を伝達します。 循環水によって熱をラジエーターに逃がす液体冷却も、CPU では一般的です。 一方、データセンターは空調されたスペースに設置されており、液体冷却にも依存しています。 これらすべてのアクティブ冷却システムは、ファン、HVAC システム、ウォーター ポンプを動作させるためにエネルギーを使用します。

研究者たちは何年もの間、電子機器を冷却する新しい方法を開発してきました。 たとえば、マイクロチャネル冷却は、小さな液体冷却チャネルをコンピュータ チップのすぐ隣、またはその中に配置することで、液体冷却のエネルギー使用量を削減します。

しかし、Chenとその同僚が最近Cell Reports Physical Science誌で発表した概念は、比較的単純で完全に受動的であり、エネルギー入力を必要としません。 また、彼らが使用しているアクリル酸ナトリウムベースのヒドロゲルが安価であり、1 キログラムあたりわずか 10 ドルであることを考慮すると、それは低コストである可能性があります。 以前に平らなヒドロゲルフィルムを使用してEVバッテリーやソーラーパネルを冷却することを実証した研究者もいます。

左上はテスト設定の概略図です。 赤外線画像は、ヒートシンクなしの電界効果トランジスタ (FET) [右上]、従来のヒートシンクありの場合 [左下]、およびヒドロゲルありの場合 [右下] です。 レンクン・チェン

デモンストレーションとして、彼らは電界効果トランジスタを冷却するために、通常のヒートシンクとヒドロゲルでコーティングされたシンクの両方を電界効果トランジスタの上に配置しました。 ヒートシンクではチップの温度が 8 °C 低下し、ヒドロゲルでコーティングされたシンクでは 20 °C 低下しました。

ハイドロゲル内の水分がなくなると、その蒸発冷却効果はなくなります。 チェン氏は、チームは現在、より多くの水を吸収して保持できるヒドロゲルを検討していると述べた。 このアイデアをファンや液体冷却などの他のアクティブ冷却技術と組み合わせて、エネルギー使用量を削減することができます。 また、その用途はエレクトロニクスに限定される必要はありません。 「また、建物の冷房や個人の冷房などの用途に使用することも想定しています。」