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

在现代世界中，热量管理与发电同样至关重要。从汽车的发动机到计算机的处理器，几乎每台机器都会以热量的形式释放能量，如果这些热量不能被快速且高效地移除，系统可能会发生故障或变得极其低效。几十年来，工程师们一直依赖水等液体来带走这些热量，但随着设备尺寸的缩小和功率需求的增长，简单的水往往会达到其极限。为了突破这些界限，科学家们转向了一个聪明的技巧：在液体中添加微小颗粒，以改变其流动方式和吸收能量的方式。在这些添加剂中最具前景的是相变材料。这些物质可以通过改变其状态（就像冰融化成水一样）来储存大量的热能，而不是通过升高温度。虽然这个过程是在恒定温度下发生的，但它允许材料吸收原本会升高周围流体温度的热量。挑战一直在于如何让这些材料在流动的液体中工作而不发生团聚或泄漏，以及如何设计它们流过的管道，以充分利用其独特的特性。

一个研究小组致力于解决这些问题，他们通过创造一种新型冷却液，并在两种不同类型的微型通道中对其进行了测试。他们首先制作了微型胶囊，每个胶囊都有一个由被称为正十六烷（n-hexadecane）的蜡质物质构成的核心，这种物质以其融化和吸收热量的能力而闻名，外层包裹着一层由类塑料聚合物制成的坚韧保护壳。通过在特定化学条件下混合油和水的工艺，他们生产了数百万个这样的微小球体，每个球体的直径仅为20到50纳米。为了确认他们取得了成功，他们检查了胶囊的化学成分，并拍摄了高分辨率图像，显示出光滑、球形的形状，没有裂纹或泄漏。随后，这些胶囊被以极低的浓度混合到纯水中，创造出一种看起来清澈但行为与纯水不同的流体。

研究人员随后构建了两个不同的冷却系统来测试这种新流体。两个系统都由铜制成，并在其表面刻有二十个微型通道。其中一个系统的通道呈完美的直线运行，而另一个系统的通道则遵循一条平缓的波浪路径。他们以各种速度将这种新流体泵入这些通道，并加热铜块的底部，以模拟电子元件产生的剧烈热量。目标是观察这种流体与纯水相比在携带热量方面的表现，并了解通道形状如何影响这一过程。

结果表明，这种新流体是一种强大的冷却剂，但其性能高度依赖于通道的形状和流速。在波浪形通道中，该流体的表现异常出色。当流体在曲线中移动时，它会产生微小的旋涡和扰动，这有助于混合液体并打破通常形成在热金属壁上的薄热层。这种混合作用使得微型胶囊能够更有效地释放其储存的热量。在测试的最高流速下，带有这种新流体的波浪形通道比纯水提高了45%的热传递率。此外，该流体还能显著降低金属壁的温度，在最苛刻的条件下，其降温效果减少了约30%。

然而，在直通道中的情况却有所不同。虽然这种新流体在低速时表现仍优于水，但其优势随着流速的增加而开始减弱。当流体在直管中移动过快时，它经过系统的速度太快，导致微型胶囊没有足够的时间来融化并吸收热量。它们本质上是在完成工作之前就匆忙穿过了通道。这一发现强调了一个关键的权衡：胶囊独特的储热能力需要它们在热区停留足够长的时间以完成状态改变。波浪形通道通过迫使流体行进一段更长、更复杂的路径，为这一过程提供了所需的时间，即使在高流速下也是如此。

研究人员还测量了推动流体通过通道所需的能量。由于这种流体比水略厚，且波浪形通道更为复杂，因此需要更多的能量来泵送流体，导致压力降更高。尽管存在这种额外的能量成本，冷却系统的整体效益仍然是积极的。由于移除的热量远大于额外泵送功率带来的损失，该系统仍被视为一次成功的尝试。性能的最佳平衡点出现在特定的流速下，此时热吸收达到最大化，同时胶囊不会因为移动过快而被匆忙带走。在此最佳流速下，与水相比，该新流体在波浪形通道中的冷却效率提高了62%，在直通道中提高了57%。

当研究人员将这种新流体与另一种含有固体氧化铝颗粒的高级冷却液进行比较时，他们发现，尽管使用浓度要低得多，但他们的相变流体更为有效。氧化铝流体依靠的是提高导热性，而这种新流体则是利用了熔融胶囊的吸热能力。这表明，在相变过程中储存热量的能力，比单纯提高导热性具有明显的优势。研究结论认为，通过将这些微观储热胶囊与精心设计的波浪形通道相结合，可以创造出一种比当前标准更高效的冷却系统，为管理紧凑型高性能设备的散热提供了一条充满希望的途径。