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

現代の世界において、熱の管理は電力を生成することと同じくらい重要です。自動車のエンジンからコンピュータのプロセッサに至るまで、ほぼすべての機械はエネルギーを熱として放出しており、もしその熱が迅速かつ効率的に取り除かれなければ、システムは故障したり、危険なほど非効率になったりします。数十年にわたり、エンジニアは熱を運び去るために水のような液体に頼ってきましたが、デバイスが小型化し、電力需要が増大するにつれ、単純な水では限界に達することが多くなっています。これらの境界を突破するために、科学者たちは、液体の動きやエネルギー吸収方法を変えるために、液体の中に微小な粒子を加えるという巧妙な策を講じてきました。これらの添加物の中で最も有望なものの一つが、相変化材料です。これらは、温度を上昇させるのではなく、氷が水へと溶けるように、状態を変化させることで膨大な熱エネルギーを蓄えることができる物質です。このプロセスは一定の温度で行われますが、これにより、周囲の流体の温度を上昇させてしまうはずの熱を吸収することが可能になります。課題は常に、これらの材料を、凝集したり漏れ出したりすることなく流動する液体の中でどのように機能させるか、そして、その独特な特性を最大限に活用するために、それらが流れるパイプをどのように設計するかという点でした。

研究チームは、新しい冷却流体を作り出し、それを2種類の異なる微細なチャネルでテストすることで、これらの問題を解決しようと試みました。彼らはまず、熱を吸収して溶ける性質を持つことで知られるn-ヘキサデカンというワックス状の物質の核を持ち、それをプラスチックのようなポリマー製の頑丈で保護的な殻で包んだ、微小なカプセルを製作しました。油と水を特定の化学条件下で混合するプロセスを用いて、彼らは直径わずか20〜50ナノメートルの、これら無数の小さな球体を作り出しました。成功を確認するために、彼らはカプセルの化学組成を調べ、高解像度の画像を用いて、亀裂や漏れのない滑らかな球状であることを明らかにしました。その後、これらのカプセルを極めて低い濃度で純水に混合し、見た目は透明ですが、水単体とは異なる挙動を示す流体を作成しました。

研究者たちは、この新しい流体をテストするために、2つの異なる冷却システムを構築しました。どちらのシステムも銅製で、その表面には20本の微細なチャネルが刻まれています。一方のシステムは、チャネルが完全に直線状に走っており、もう一方は、緩やかにうねる経路を描いています。彼らはこの新しい流体をさまざまな速度でこれらのチャネル内にポンプで送り込み、電子部品から発生する激しい熱をシミュレートするために、銅ブロックの底部を加熱しました。目的は、この新しい流体がプレーンな水と比較してどれほど優れた熱運搬能力を持つかを確認すること、そして、チャネルの形状がプロセスにどのように影響するかを理解することでした。

結果は、この新しい流体が強力な冷却剤であることを示しましたが、その性能はチャネルの形状と流量に大きく依存していました。うねりのあるチャネルでは、流体は非常に優れた性能を発揮しました。流体が曲線の中を移動する際、液体の混合を促進し、通常、熱い金属壁の近くに形成される薄い熱層を破壊する小さな渦や乱れが生じました。この混合作用により、微小なカプセルが蓄えた熱をより効果的に放出できるようになりました。テストされた最高流量において、うねりのあるチャネルを用いた新しい流体は、プレーンな水と比較して熱伝達率を45パーセント向上させました。また、この流体は金属壁を大幅に冷却し、最も過酷な条件下で壁の温度を約30パーセント低下させました。

しかし、直線状のチャネルでは状況が異なりました。この新しい流体は、低速時には水よりも優れた性能を示したものの、その優位性は流速が増すにつれて衰え始めました。流体が直線的なパイプ内を速く移動しすぎると、通過する速度が速すぎて、微小なカプセルが熱を吸収して溶けるための十分な時間が確保できませんでした。彼らは、役割を果たす前にチャネルを駆け抜けてしまったのです。この発見は、ある重要なトレードオフを浮き彫りにしました。すなわち、カプセルの持つ独特の熱貯蔵能力を活用するには、それらが状態変化を起こすのに十分な時間、熱帯域に留まる必要があるということです。うねりのあるチャネルは、流体に、より長く複雑な経路を辿らせることで、高速走行時であっても、このプロセスが行われるために必要な追加の時間を提供したのです。

研究者たちは、流体を押し出すために必要な労力についても測定しました。流体は水よりもわずかに粘り気があり、かつ、うねりのあるチャネルはより複雑であるため、流体をポンプで送るのにより多くのエネルギーが必要となり、結果として圧力降下が大きくなりました。この追加のエネルギーコストにもかかわらず、冷却システムの全体的な利益はプラスの状態に保たれました。熱除去の量が、追加のポンプ動力による損失を大きく上回ったため、このシステムは依然として純粋な成功とみなされました。性能の最適解は、熱吸収が最大化され、かつカプセルが速すぎて通り過ぎてしまうことがない特定の流速で見出されました。この最適な速度において、新しい流体は、うねりのあるチャネルでは冷却効率を62パーセント、直線状のチャネルでは57パーセント、水と比較して向上させました。

研究者たちが、酸化アルミニウムの固形粒子を含む別の種類の高度な冷却液と今回の新しい流体を比較したところ、使用した濃度がはるかに低いにもかかわらず、彼らの相変化流体の方がより効果的であることが分かりました。アルミニウムの流体は単に熱伝導性を高めることに依存していましたが、今回の新しい流体は、カプセルの熱吸収能力を利用していました。このことは、相変化に伴う熱貯蔵能力が、単に液体の熱伝導率を高めることに対して明確な優位性を持つことを示唆しています。本研究は、微小な熱貯蔵カプセルと、慎重に設計されたうねりのあるチャネルを組み合わせることで、現在の基準よりもはるかに効率的な冷却システムを構築することが可能であり、コンパクトで高性能なデバイスにおける熱管理への有望な道筋を示すものであると結論付けています。