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

Dans le monde moderne, la gestion de la chaleur est aussi critique que la génération d'énergie. Des moteurs de nos voitures aux processeurs de nos ordinateurs, presque chaque machine libère de l'énergie sous forme de chaleur, et si cette chaleur n'est pas évacuée rapidement et efficacement, le système peut tomber en panne ou devenir dangereusement inefficace. Pendant des décennies, les ingénieurs se sont appuyés sur des liquides comme l'eau pour transporter cette chaleur, mais à mesure que les appareils rétrécissent et que les demandes de puissance augmentent, l'eau simple atteint souvent ses limites. Pour dépasser ces frontières, les scientifiques se sont tournés vers une astuce ingénieuse : ajouter de minuscules particules au liquide pour modifier la façon dont il se déplace et absorbe l'énergie. Parmi ces additifs les plus prometteurs figurent les matériaux à changement de phase. Ce sont des substances capables de stocker une quantité massive d'énergie thermique non pas en devenant plus chaudes, mais en changeant d'état, tout comme la glace qui fond en devenant de l'eau. Bien que ce processus se produise à une température constante, il permet au matériau d'absorber la chaleur qui, autrement, augmenterait la température du fluide environnant. Le défi a toujours été de savoir comment faire fonctionner ces matériaux à l'intérieur d'un liquide en mouvement sans qu'ils ne s'agglutinent ou ne s'échappent, et comment concevoir les tuyaux dans lesquels ils circulent pour tirer le meilleur parti de leurs propriétés uniques.

Une équipe de chercheurs s'est donné pour mission de résoudre ces problèmes en créant un nouveau type de fluide de refroidissement et en le testant dans deux types différents de canaux minuscules. Ils ont commencé par fabriquer des capsules microscopiques, chacune dotée d'un cœur composé d'une substance cireuse appelée n-hexadécane, connue pour sa capacité à fondre et à absorber la chaleur, entouré d'une coque protectrice robuste faite d'un polymère semblable à du plastique. En utilisant un processus qui mélange l'huile et l'eau sous des conditions chimiques spécifiques, ils ont produit des millions de ces sphères minuscules, chacune mesurant environ 20 à 50 nanomètres de diamètre. Pour confirmer leur succès, ils ont examiné la composition chimique des capsules et réalisé des images à haute résolution qui révélaient des formes sphériques lisses, sans fissures ni fuites. Ces capsules ont ensuite été mélangées à de l'eau pure à une très faible concentration, créant un fluide qui paraissait clair mais qui se comportait différemment de l'eau seule.

Les chercheurs ont ensuite construit deux systèmes de refroidissement distincts pour tester ce nouveau fluide. Les deux systèmes étaient faits de cuivre et contenaient vingt minuscules canaux creusés dans leurs surfaces. Un système présentait des canaux qui couraient en ligne parfaitement droite, tandis que l'autre présentait des canaux suivant un chemin sinueux et ondulé. Ils ont pompé leur nouveau fluide à travers ces canaux à diverses vitesses, chauffant le bas des blocs de cuivre pour simuler la chaleur intense générée par les composants électroniques. L'objectif était de voir comment le fluide pouvait évacuer la chaleur par rapport à l'eau pure et de comprendre comment la forme du canal influençait le processus.

Les résultats ont montré que le nouveau fluide était un agent de refroidissement puissant, mais que ses performances dépendaient fortement de la forme du canal et de la vitesse d'écoulement. Dans les canaux ondulés, le fluide a performé exceptionnellement bien. Tandis que le fluide se déplaçait à travers les courbes, il créait de petits tourbillons et des perturbations qui aidaient à mélanger le liquide et à briser la fine couche de chaleur qui se forme habituellement contre les parois métalliques chaudes. Ce mélange permettait aux minuscules capsules de libérer leur chaleur stockée plus efficacement. Aux vitesses d'écoulement les plus élevées testées, les canaux ondulés avec le nouveau fluide ont amélioré le taux de transfert thermique de 45 % par rapport à l'eau pure. Le fluide a également maintenu les parois métalliques nettement plus fraîches, réduisant leur température d'environ 30 % dans les conditions les plus exigeantes.

Cependant, l'histoire était différente dans les canaux droits. Bien que le nouveau fluide soit toujours plus performant que l'eau à des vitesses plus basses, son avantage commençait à s'estomper à mesure que la vitesse d'écoulement augmentait. Lorsque le fluide se déplaçait trop rapidement dans les tuyaux droits, il passait dans le système si vite que les minuscules capsules n'avaient pas assez de temps pour fondre et absorber la chaleur. Elles traversaient essentiellement le canal trop rapidement pour pouvoir accomplir leur tâche. Cette découverte a mis en évidence un compromis crucial : la capacité unique des capsules à stocker la chaleur nécessite qu'elles restent dans la zone chaude suffisamment longtemps pour changer d'état. Les canaux ondulés, en forçant le fluide à parcourir un chemin plus long et plus complexe, offraient le temps supplémentaire nécessaire pour que ce processus se produise, même à des vitesses élevées.

Les chercheurs ont également mesuré l'effort requis pour pousser le fluide à travers les canaux. Comme le fluide est légèrement plus épais que l'eau et que les canaux ondulés sont plus complexes, il fallait plus d'énergie pour pomper le fluide, ce qui entraînait une chute de pression plus élevée. Malgré ce coût énergétique supplémentaire, le bénéfice global du système de refroidissement restait positif. La quantité de chaleur éliminée était tellement supérieure à la pénalité de la puissance de pompage supplémentaire que le système était toujours considéré comme un succès net. Le point optimal de performance a été trouvé à une vitesse d'écoulement spécifique où l'absorption de la chaleur est maximisée sans que les capsules ne soient trop rapidement expulsées. À cette vitesse optimale, le nouveau fluide a amélioré l'efficacité du refroidissement de 62 % dans les canaux ondulés et de 57 % dans les canaux droits par rapport à l'eau.

Lorsque les chercheurs ont comparé leur nouveau fluide à un autre type de liquide de refroidissement avancé contenant des particules d'oxyde d'aluminium solides, ils ont constaté que leur fluide à changement de phase était plus efficace, même s'il était utilisé à une concentration beaucoup plus faible. Le fluide à base d'aluminium reposait simplement sur une meilleure conduction de la chaleur, tandis que le nouveau fluide utilisait le pouvoir d'absorption d'énergie des capsules de fusion. Cela suggère que la capacité de stocker la chaleur lors d'un changement de phase offre un avantage distinct par rapport au simple fait de rendre le liquide plus conducteur. L'étude conclut qu'en combinant ces capsules microscopiques de stockage de chaleur avec un canal ondulé soigneusement conçu, il est possible de créer un système de refroidissement bien plus efficace que les normes actuelles, offrant une voie prometteuse pour la gestion de la chaleur dans les dispositifs compacts et de haute performance.