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

In de moderne wereld is het beheersen van warmte even cruciaal als het opwekken van vermogen. Van de motoren in onze auto's tot de processoren in onze computers: bijna elke machine geeft energie af in de vorm van warmte, en als die warmte niet snel en efficiënt wordt afgevoerd, kan het systeem falen of gevaarlijk inefficiënt worden. Decennialang hebben ingenieurs vertrouwd op vloeistoffen zoals water om deze warmte af te voeren, maar naarmate apparaten kleiner worden en de vermogensvraag groeit, schiet simpel water vaak tekort. Om deze grenzen te verleggen, hebben wetenschappers een slimme truc toegepast: het toevoegen van minuscule deeltjes aan de vloeistof om te veranderen hoe deze beweegt en energie absorbeert. Onder de meest veelbelovende van deze additieven zijn faseveranderingsmaterialen. Dit zijn stoffen die een enorme hoeveelheid warmte-energie kunnen opslaan, niet door heter te worden, maar door van staat te veranderen, net zoals ijs smelt in water. Hoewel dit proces plaatsvindt bij een constante temperatuur, stelt het het materiaal in staat om warmte op te zuigen die anders de temperatuur van de omringende vloeistof zou verhogen. De uitdaging is altijd geweest hoe deze materialen in een stromende vloeistof te laten werken zonder dat ze samenklonteren of uitstromen, en hoe de buizen waar ze doorheen stromen te ontwerpen om het meeste uit hun unieke eigenschappen te halen.

Een team van onderzoekers zette zich scharpe scherven om deze problemen op te lossen door een nieuw type koelvloeistof te creëren en deze te testen in twee verschillende soorten microscopische kanalen. Ze begonnen met het vervaardigen van microscopische capsules, elk met een kern van een wasachtige substantie genaamd n-hexadecaan, die bekend staat om zijn vermogen om te smelten en warmte te absorberen, omgeven door een stevige, beschermende schil gemaakt van een polymeer dat op plastic lijkt. Met behulp van een proces waarbij olie en water onder specifieke chemische omstandigheden worden gemengd, produceerden ze miljoenen van deze piepkleine sferen, elk slechts ongeveer 20 tot 50 nanometer in diameter. Om te bevestigen dat ze succesvol waren, onderzochten ze de chemische samenstelling van de capsules en maakten ze hoogresolutiebeelden die gladde, bolvormige vormen toonden zonder scheuren of lekken. Deze capsules werden vervolgens in pure water gemengd bij een zeer lage concentratie, wat een vloeistof opleverde die helder oogde maar anders gedroeg dan water alleen.

De onderzoekers bouwden vervolgens twee verschillende koelsystemen om deze nieuwe vloeistof te testen. Beide systemen waren gemaakt van koper en bevatten twintig kleine kanalen die in hun oppervlak waren uitgesneden. Het ene systeem had kanalen die in een perfect rechte lijn liepen, terwijl het andere systeem kanalen had die een zacht, golvend pad volgden. Ze pompten hun nieuwe vloeistof door deze kanalen bij verschillende snelheden, waarbij ze de onderkant van de koperen blokken verwarmden om de intense hitte te simuleren die wordt gegenereerd door elektronische componenten. Het doel was om te zien hoe goed de vloeistof warmte kon afvoeren in vergelijking met gewoon water en om te begrijpen hoe de vorm van het kanaal het proces beïnvloedde.

De resultaten toonden aan dat de nieuwe vloeistof een krachtig koelmiddel was, maar dat de prestaties sterk afhingen van de vorm van het kanaal en de stroomsnelheid. In de golvende kanalen presteerde de vloeistof uitzonderlijk goed. Terwijl de vloeistof door de bochten bewoog, ontstonden er kleine wervelingen en verstoringen die hielpen de vloeistof te mengen en de dunne laag warmte die normaal gesproken tegen de hete metalen wanden vormt, te doorbreken. Dit mengproces zorgde ervoor dat de kleine capsules hun opgeslagen warmte effectiever konden afgeven. Bij de hoogste geteste stroomsnelheden verbeterden de golvende kanalen met de nieuwe vloeistof de warmteoverdracht met 45 procent vergeleken met gewoon water. De vloeistof hield ook de metalen wanden aanzienlijk koeler, waardoor hun temperatuur met ongeveer 30 procent daalde onder de meest veeleisende omstandigheden.

Echter, het verhaal was anders in de rechte kanalen. Hoewel de nieuwe vloeistof bij lagere snelheden nog steeds beter presteerde dan water, begon het voordeel af te nemen naarmate de stroomsnelheid toenam. Wanneer de vloeistof te snel door de rechte buizen bewoog, passeerde deze het systeem zo snel dat de kleine capsules niet genoeg tijd hadden om te smelten en de warmte te absorberen. Ze schoten in feite zo snel door het kanaal dat ze hun werk niet konden doen. Deze bevinding benadrukte een cruciale afweging: het unieke vermogen van de capsules om warmte op te slaan, vereist dat ze lang genoeg in de hete zone blijven om van staat te veranderen. De golvende kanalen, door de vloeistof te dwingen een langere, complexere weg af te leggen, boden de extra tijd die nodig is voor dit proces, zelfs bij hoge snelheden.

De onderzoekers maten ook hoeveel inspanning vereist was om de vloeistof door de kanalen te duwen. Omdat de vloeistof iets dikker is dan water en de golvende kanalen complexer zijn, was er meer energie nodig om de vloeistof te pompen, wat resulteerde in een hogere drukval. Ondanks deze extra energiekosten bleef het algemene voordeel van het koelsysteem positief. De hoeveelheid afgevoerde warmte was zo veel groter dan de straf van de extra pompenergie dat het systeem nog steeds als een netto succes werd beschouwd. Het ideale punt voor prestaties werd gevonden bij een specifieke stroomsnelheid waarbij de warmteabsorptie werd gemaximaliseerd zonder dat de capsules te snel werden doorgevoerd. Bij deze optimale snelheid verbeterde de nieuwe vloeistof de koelingsefficiëntie met 62 procent in de golvende kanalen en met 57 procent in de rechte kanalen vergeleken met water.

Wanneer de onderzoekers hun nieuwe vloeistof vergeleken met een ander type geavanceerde koelvloeistof die vaste aluminiumoxide-deeltjes bevat, ontdekten ze dat hun faseveranderingsvloeistof effectiever was, zelfs bij een veel lagere concentratie. De aluminiumvloeistof vertrouwde simpelweg op een betere warmtegeleiding, terwijl de nieuwe vloeistof gebruikmaakte van het energie-absorberende vermogen van de smeltende capsules. Dit suggereert dat het vermogen om warmte op te slaan tijdens een faseverandering een duidelijk voordeel biedt ten opzichte van het simpelweg verbeteren van de geleidbaarheid van de vloeistof. De studie concludeert dat door deze microscopische warmte-opslagcapsules te combineren met een zorgvuldig ontworpen golvend kanaal, het mogelijk is om een koelsysteem te creëren dat veel efficiënter is dan de huidige standaarden, wat een veelbelovend pad biedt voor het beheren van warmte in compacte, hoogwaardige apparaten.