Je leest:

Koelkast op een vingernagel

Koelkast op een vingernagel

Auteur:

Pieter Lerou ontwikkelde een microkoeler die de temperatuur van elektronische versterkerchips een paar honderd graden omlaag brengt. Hij werkte zowel aan de theorie achter de koeling als de praktijk van de realisatie. Van de 132 microkoelers die hij liet maken, bleven er uiteindelijk maar dertien over.

Na zijn studie technische natuurkunde aan de Universiteit Twente keek Pieter Lerou (1977) uit naar een promotieonderzoek waarin hij abstracte theorie kon combineren met praktisch onderzoek. In 2003, meteen na zijn afstuderen, vond hij daarvoor in Twente een geschikt onderwerp: het ontwikkelen van een microkoeler die elektronische versterkerchips tot een paar honderd graden onder nul kan invriezen. De versterkerchips werken gewoonlijk bij kamertemperatuur en ze produceren zelf vrijwel geen warmte. Maar bij een graad of 200 onder nul treedt er iets bijzonders op: de ruis van dit soort versterkers gaat drastisch naar beneden. De uitdaging is, hoe breng je een stukje halfgeleider zo groot als een vingernagel op zo’n extreem lage temperatuur?

Dat je chips lokaal tot ver onder het nulpunt kunt afkoelen, was in de vakgroep lage temperaturen onder leiding van professor Marcel ter Brake eind jaren negentig al gedemonstreerd. Het oorspronkelijke onderzoek had zich voornamelijk gericht op de theorie achter het afkoelen: de thermodynamica. Ook had de vakgroep zich met materiaalkeuze beziggehouden en de algemene vraag hoe je zulke kleine koelertjes zou kunnen maken. In dit onderzoek was ook een eerste experimentele demonstratie van de principes geleverd.

Medium
Pieter Lerou

Silicum of glas

In het onderzoek van Lerou kwam het er nu op aan, te laten zien dat je de resultaten uit dit eerdere onderzoek kunt toepassen in een commercieel product. Lerou: “Dat betekent dat je zo’n koeler niet meer uit verschillende onderdelen opbouwt, maar liefst uit een stuk maakt, en dat je slechts één soort materiaal gebruikt. Idealiter wil je op dat materiaal dan ook geen handmatige bewerkingen meer uitvoeren, maar standaard bewerkingsmethodes uit de chipindustrie gebruiken, zoals etstechnieken.”

Als materiaal dienden zich silicium of glas aan, beide alom bekend in de chipverwerkende industrie. Silicium viel echter voor een microkoeler al snel af omdat de warmtegeleiding van het materiaal veel te hoog is. Het is namelijk vrijwel ondoenlijk om aan de ene kant van een dun plaatje silicium kamertemperatuur te hebben, terwijl het aan de andere kant een paar honderd graden onder nul is. De keuze voor glas was dus snel gemaakt.

Medium

Met de keuze voor glas – en stikstof als koelvloeistof – ging Lerou zich bezighouden met het werkingsprincipe van een microkoeler. Dat is vergelijkbaar met een gewone koelkast: een vloeistof wordt door een gesloten buizenstelsel rondgepompt. Aan de ene kant van het buizenstelsel, waar het koud moet worden, laat je het gas expanderen, aan de andere kant van het systeem zorg je ervoor dat het gas weer wordt gecomprimeerd. De combinatie van het soort gas, de hoeveelheid gas die door het systeem gepompt wordt, en het drukverschil tussen compressie en expansie bepaalt het koelvermogen.

Lerou: “Theoretisch kun je nu uitrekenen welk koelvermogen je bij bepaalde randvoorwaarden kunt bereiken. Maar in de praktijk is het een stuk lastiger omdat je verliezen krijgt. En in de kleine schaal waarop ik werk – het gaat maar om een paar duizendste watt koelvermogen – krijgen die verliezen een grote invloed. Dan is het niet meer voldoende om verliezen te verwaarlozen of met vuistregels te beschrijven.”

Medium

Watt en pascal

Lerou stelde vast dat niemand tot nu toe deze verliezen precies had uitgerekend. Het probleem is dat je de verschillende verlieswaarden van een koelcyclus niet zomaar onder één noemer kunt brengen. Zo worden verliezen in de geleiding door het materiaal, warmtestraling uit de omgeving en inefficiëntie van de warmtewisselaar gerekend in vermogen, in watt. Maar verliezen in de drukval worden uitgedrukt in druk, in pascal. Lerou: “Watt en pascal kun je niet zomaar bij elkaar tellen. Een van mijn belangrijkste doorbraken was bereikt toen ik erin slaagde het systeem te optimaliseren door alle verliezen om te rekenen naar een gezamenlijke rekeneenheid, de entropieverliezen.”

Vanaf dat moment kwam het onderzoek in de praktische fase. Een computermodel kon de optimale vorm van het buizenstelsel uitrekenen. Uiteindelijk vond Lerou een vorm waarbij de buizen als groeven in twee flinterdunne glasplaten worden geëtst. Die platen komen met een scheidingslaag ertussen als een sandwich op elkaar te liggen. Door in de scheidingsplaat op de juiste plaats kleine gaatjes te boren, ontstaat een buizenstelsel. Lerou: “Dit was allemaal pionierswerk. Zo had het bedrijf dat de microkoelers produceerde nooit drie zulke flinterdunne lagen glas op elkaar geplakt. Ook wisten we niet of het extreem dunne glas zulke enorme drukverschillen überhaupt kon uithouden.”

Van de 132 microkoelers die Lerou heeft laten maken, bleven er uiteindelijk maar dertien over. Maar die werken zo goed, dat Lerou het principe na zijn promotie meteen kon toepassen bij een telecombedrijf in Australië. Lerou: “Toen ging nog maar eenvijfde van de microkoelers stuk. Als ik het nog een keer zou doen, dan zou potentieel de helft van alle koelers overblijven.” Inmiddels heeft Lerou een eigen bedrijfje, Kryoz Technologies, opgericht, dat samen met STW en de Universiteit Twente de microkoeltechnologie verder gaat verbeteren.

Dit artikel werd eerder gepubliceerd in de STW brochure Technologisch Toptalent 2008.

Lees ook op Kennislink:

Dit artikel is een publicatie van Technologiestichting STW.
© Technologiestichting STW, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 15 januari 2009

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE