Synthesis and cooling performance evaluation of novel nanofluid containing n- hexadecane-based nano-encapsulated phase change materials (NEPCMs) in minichannel heat sinks

In der modernen Welt ist das Wärmemanagement ebenso entscheidend wie die Erzeugung von Energie. Von den Motoren in unseren Autos bis hin zu den Prozessoren in unseren Computern gibt es fast jede Maschine, die Energie als Wärme abgibt, und wenn diese Wärme nicht schnell und effizient abgeführt wird, kann das System versagen oder gefährlich ineffizient werden. Jahrzehntelang haben sich Ingeniere auf Flüssigkeiten wie Wasser verlassen, um diese Wärme abzuführen, aber da Geräte immer kleiner werden und die Leistungsanforderungen steigen, stößt einfaches Wasser oft an seine Grenzen. Um diese Grenzen zu überschreiten, sind Wissenschaftler zu einem cleveren Trick übergegangen: dem Hinzufügen winziger Partikel zur Flüssigkeit, um deren Fließverhalten und Energieaufnahme zu verändern. Zu den vielversprechendsten dieser Zusatzstoffe gehören Phasenwechselmaterialien. Dies sind Substanzen, die eine enorme Menge an Wärmeenergie speichern können, indem sie nicht heißer werden, sondern ihren Zustand ändern, ganz ähnlich wie Eis zu Wasser schmilzt. Während dieser Prozess bei einer konstanten Temperatur stattfindet, ermöglicht er dem Material, Wärme aufzusaugen, die andernfalls die Temperatur der Umgebungsvätsigkeit erhöhen würde. Die Herausforderung bestand bisher immer darin, wie man diese Materialien in einer fließenden Flüssigkeit zum Einsatz bringt, ohne dass sie verklumpen oder heraussickern, und wie man die Rohre, durch die sie fließen, so gestaltet, dass ihre einzigartigen Eigenschaften optimal genutzt werden.

Ein Forschungsteam setzte sich zum Ziel, diese Probleme zu lösen, indem es eine neue Art von Kühlflüssigkeit entwickelte und diese in zwei verschiedenen Arten von winzigen Kanälen testete. Sie begannen damit, mikroskopische Kapseln herzustellen, die jeweils einen Kern aus einer wachsartigen Substanz namens n-Hexadecan besitzen – bekannt für seine Fähigkeit zu schmelzen und Wärme zu absorbieren – umgeben von einer robusten, schützenden Hülle aus einem kunststoffähnlichen Polymer. Durch einen Prozess, bei dem Öl und Wasser unter spezifischen chemischen Bedingungen gemischt werden, produzierten sie Millionen dieser winzigen Kugeln, die jeweils nur etwa 20 bis 50 Nanometer im Durchmesser groß waren. Um zu bestätigen, dass sie erfolgreich waren, untersuchten sie die chemische Zusammensetzung der Kapseln und fertigten hochauflösende Bilder an, die glatte, sphärische Formen ohne Risse oder Lecks zeigten. Diese Kapseln wurden dann in reinem Wasser in einer sehr geringen Konzentration gemischt, wodurch eine Flüssigkeit entstand, die klar aussah, sich aber anders als reines Wasser verhielt.

Die Forscher bauten daraufhin zwei unterschiedliche Kühlsysteme, um diese neue Flüssigkeit zu testen. Beide Systeme bestanden aus Kupfer und enthielten zwanzig winzige Kanäle, die in ihre Oberflächen geschnitten waren. Ein System verfügte über Kanäle, die in einer perfekt geraden Linie verliefen, während das andere System über Kanäle verfügte, die einem sanften, wellenförmigen Pfad folgten. Sie pumpten ihre neue Flüssigkeit mit verschiedenen Geschwindigkeiten durch diese Kanäle und erhitzten die Unterseite der Kupferblöcke, um die intensive Hitze zu simulieren, die von elektronischen Komponenten erzeugt wird. Das Ziel war es zu sehen, wie gut die Flüssigkeit Wärme abführen konnte im Vergleich zu reinem Wasser, und zu verstehen, wie die Form des Kanals den Prozess beeinflusst.

Die Ergebnisse zeigten, dass die neue Flüssigkeit ein leistungsstarkes Kühlmittel war, aber ihre Leistung stark von der Form des Kanals und der Fließgeschwindigkeit abhing. In den wellenförmigen Kanälen arbeitete die Flüssigkeit außergewöhnlich gut. Während die Flüssigkeit durch die Kurven bewegte, erzeugte sie kleine Wirbel und Turbulenzen, die halfen, die Flüssigkeit zu durchmischen und die dünne Wärmeschicht aufzubrechen, die sich normalerweise an den heißen Metallwänden bildet. Dieses Mischen ermöglichte es den winzigen Kapseln, die gespeicherte Wärme effektiver freizusetzen. Bei den höchsten getesteten Fließgeschwindigkeiten verbesserten die wellenförmigen Kanäle mit der neuen Flüssigkeit die Wärmeübertragungsrate um 45 Prozent im Vergleich zu reinem Wasser. Die Flüssigkeit hielt auch die Metallwände signifikant kühler und senkte deren Temperatur unter den anspruchsvollsten Bedingungen um etwa 30 Prozent.

Die Geschichte verlief jedoch anders in den geraden Kanälen. Während die neue Flüssigkeit bei niedrigeren Geschwindigkeiten immer noch besser als Wasser abschnitt, schwand ihr Vorteil mit zunehmender Fließgeschwindigkeit. Wenn sich die Flüssigkeit zu schnell durch die geraden Rohre bewegte, passierte sie das System so schnell, dass die winzigen Kapseln nicht genügend Zeit hatten, um zu schmelzen und die Wärme zu absorbieren. Sie rasten im Wesentlichen durch den Kanal, bevor sie ihre Aufgabe erfüllen konnten. Dieser Befund verdeutlichte einen entscheidenden Zielkonflikt: Die einzigartige Fähigkeit der Kapseln, Wärme zu speichern, erfordert, dass sie lange genug in der heißen Zone verbleiben, um ihren Zustand zu ändern. Die wellenförmigen Kanäle, die die Flüssigkeit dazu brachten, einen längeren, komplexeren Weg zurückzulegen, boten die nötige zusätzliche Zeit, damit dieser Prozess selbst bei hohen Geschwindigkeiten stattfinden konnte.

Die Forscher maßen auch, wie viel Aufwand betrieben werden musste, um die Flüssigkeit durch die Kanäle zu drücken. Da die Flüssigkeit etwas dicker als Wasser ist und die wellenförmigen Kanäle komplexer sind, war mehr Energie erforderlich, um die Flüssigkeit zu pumpen, was zu einem höheren Druckabfall führte. Trotz dieser zusätzlichen Energiekosten blieb der Gesamtnutzen des Kühlsystems positiv. Die Menge der entfernten Wärme war so viel größer als der Verlust durch die zusätzliche Pumpleistung, dass das System dennoch als ein Nettoerfolg gewertet wurde. Der optimale Punkt für die Leistung wurde bei einer spezifischen Fließgeschwindigkeit gefunden, bei der die Wärmeabsorption maximiert wurde, ohne dass die Kapseln zu schnell hindurchgejagt wurden. Bei dieser optimalen Geschwindigkeit verbesserte die neue Flüssigkeit die Kühleffizienz in den wellenförmigen Kanälen um 62 Prozent und in den geraden Kanälen um 57 Prozent im Vergleich zu Wasser.

Als die Forscher ihre neue Flüssigkeit mit einer anderen Art von fortschrittlicher Kühlflüssigkeit verglichen, die feste Aluminiumoxidpartikel enthielt, stellten sie fest, dass ihre Phasenwechsel-Flüssigkeit effektiver war, obwohl sie in einer viel geringeren Konzentration verwendet wurde. Die Aluminium-Flüssigkeit beruhte lediglich darauf, die Wärme besser zu leiten, wohingegen die neue Flüssigkeit die energieabsorbierende Kraft der schmelzenden Kapseln nutzte. Dies deutet darauf hin, dass die Fähigkeit, Wärme während eines Phasenwechsels zu speichern, einen deutlichen Vorteil gegenüber der bloßen Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit bietet. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass durch die Kombination dieser mikroskopischen wärmespeichernden Kapseln mit einem sorgfältig gestalteten wellenförmigen Kanal ein Kühlsystem geschaffen werden kann, das weitaus effizienter ist als heutige Standards, was einen vielversprechenden Weg für das Wärmemanagement in kompakten Hochleistungsgeräten eröffnet.