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

Nel mondo moderno, la gestione del calore è critica quanto la generazione di energia. Dai motori delle nostre auto ai processori dei nostri computer, quasi ogni macchina rilascia energia sotto forma di calore e, se questo calore non viene rimosso rapidamente ed efficientemente, il sistema può guastarsi o diventare pericolosamente inefficiente. Per decenni, gli ingegneri si sono affidati a liquidi come l'acqua per trasportare via questo calore, ma man mano che i dispositivi si rimpiccioliscono e la domanda di potenza cresce, la semplice acqua spesso raggiunge i suoi limiti. Per superare questi confini, gli scienziati si sono rivolti a un trucco astuto: aggiungere piccole particelle al liquido per cambiare il modo in cui si muove e assorbe energia. Tra questi additivi, i più promettenti sono i materiali a cambiamento di fase. Questi sono sostanze che possono immagazzinare una enorme quantità di energia termica non diventando più calde, ma cambiando il proprio stato, proprio come il ghiaccio che si scioglie in acqua. Sebbene questo processo avvenga a una temperatura costante, permette al materiale di assorbire il calore che altrimenti alzerebbe la temperatura del fluido circostante. La sfida è sempre stata capire come far funzionare questi materiali all'interno di un liquido in movimento senza che si aggreghino tra loro o perdano, e come progettare i tubi attraverso i quali scorrono per sfruttare al meglio le loro proprietà uniche.

Un team di ricercatori si è posto l'obiettivo di risolvere questi problemi creando un nuovo tipo di fluido di raffreddamento e testandolo in due diversi tipi di minuscoli canali. Hanno iniziato confezionando microcapsule, ognuna con un nucleo di una sostanza cerosa chiamata n-esadecano, nota per la sua capacità di fondere e assorbire calore, circondato da un guscio protettivo resistente fatto di un polimero simile alla plastica. Utilizzando un processo che mescola olio e acqua in specifiche condizioni chimiche, hanno prodotto milioni di queste minuscole sfere, ciascuna del diametro di circa 20-50 nanometri. Per confermare di aver avuto successo, hanno esaminato la composizione chimica delle capsule e hanno scattato immagini ad alta risolione che rivelavano forme sferiche e lisce, prive di crepe o perdite. Queste capsule sono state poi mescolate in acqua pura a una concentrazione molto bassa, creando un fluido che appariva limpido ma che si comportava diversamente dall'acqua da sola.

I ricercatori hanno poi costruito due distinti sistemi di raffreddamento per testare questo nuovo fluido. Entrambi i sistemi erano fatti di rame e contenevano venti minuscoli canali incisi sulle loro superfici. Un sistema presentava canali che correvano in linea perfettamente dritta, mentre l'altro presentava canali che seguivano un percorso ondulato e dolce. Hanno pompato il loro nuovo fluido attraverso questi canali a varie velocità, riscaldando la parte inferiore dei blocchi di rame per simulare l'intenso calore generato dai componenti elettronici. L'obiettivo era vedere quanto bene il fluido potesse trasportare via il calore rispetto all'acqua pura e comprendere come la forma del canale influenzasse il processo.

I risultati hanno mostrato che il nuovo fluido era un potente agente di raffreddamento, ma le sue prestazioni dipendevano fortemente dalla forma del canale e dalla velocità del flusso. Nei canali ondulati, il fluido ha performato eccezionalmente bene. Mentre il fluido si muoveva attraverso le curve, creava piccoli vortici e turbolenze che aiutavano a mescolare il liquido e a rompere il sottile strato di calore che solitamente si forma contro le pareti metalliche calde. Questo mescolamento permetteva alle minuscole capsule di rilasciare il calore immagazzinato in modo più efficace. Alle velocità di flusso più elevate testate, i canali ondulati con il nuovo fluido hanno migliorato la velocità di trasferimento del calore del 45 percento rispetto all'acqua pura. Il fluido ha anche mantenuto le pareti metalliche significativamente più fredde, riducendo la loro temperatura di circa il 30 percento nelle condizioni più impegnative.

Tuttavia, la storia era diversa nei canali dritti. Sebbene il nuovo fluido offrisse ancora prestazioni migliori dell'acqua a velocità inferiori, il suo vantaggio iniziava a svanire all'aumentare della velocità del flusso. Quando il fluido si muoveva troppo velocemente attraverso i tubi dritti, passava attraverso il sistema così rapidamente che le minuscole capsule non avevano abbastanza tempo per fondere e assorbire il calore. Esse passavano essenzialmente attraverso il canale troppo velocemente prima di poter svolgere il proprio compito. Questo risultato ha evidenziato un cruciale compromesso: la capacità unica delle capsule di immagazzinare calore richiede che esse rimangano nella zona calda abbastanza a lungo da cambiare stato. I canali ondulati, costringendo il fluido a percorrere un cammino più lungo e complesso, fornivano il tempo supplementare necessario affinché questo processo avvenisse, anche ad alte velocità.

I ricercatori hanno anche misurato quanto sforzo fosse necessario per spingere il fluido attraverso i canali. Poiché il fluido era leggermente più denso dell'acqua e i canali ondulati erano più complessi, era necessaria più energia per pompare il fluido, risultando in una maggiore caduta di pressione. Nonostante questo costo energetico aggiuntivo, il beneficio complessivo del sistema di raffreddamento rimaneva positivo. La quantità di calore rimosso era molto superiore alla penalità del potere di pompaggio extra, rendendo il sistema comunque un successo netto. Il punto di equilibrio per le prestazioni è stato individuato a una specifica velocità di flusso in cui l'assorbimento di calore veniva massimizzato senza che le capsule venissero trascinate via troppo velocemente. A questa velocità ottimale, il nuovo fluido ha migliorato l'efficienza di raffreddamento del 62 percento nei canali ondulati e del 57 percento nei canali dritti rispetto all'acqua.

Quando i ricercatori hanno confrontato il loro nuovo fluido con un altro tipo di liquido di raffreddamento avanzato contenente particelle solide di ossido di alluminio, hanno scoperto che il loro fluido a cambiamento di fase era più efficace, nonostante fosse utilizzato a una concentrazione molto più bassa. Il fluido di alluminio si basava semplicemente sul condurre meglio il calore, mentre il nuovo fluido utilizzava il potere di assorbimento dell'energia delle capsule che fondono. Ciò suggerisce che la capacità di immagazzinare calore durante un cambiamento di fase offre un vantaggio distinto rispetto al semplice aumento della conducibilità del liquido. Lo studio conclude che, combinando queste microcapsule di accumulo termico con un canale ondulato accuratamente progettato, è possibile creare un sistema di raffreddamento molto più efficiente rispetto agli standard attuali, offrendo una strada promettente per la gestione del calore in dispositivi compatti e ad alte prestazioni.