توضیحات

پروژه شبیه سازی چاه حرارتی یا هیت سینک میکروکانال مانیفولد در کامسول

 

دانلود مقاله مرجع

 

هیت سینک میکروکانال

با پیشرفت روز افزون تکنولوژی و نیاز به محاسبات بیشتر و سریع تر باعث شده است کامپیوتر ها و محاسبه گر ها نیز با با سرعت بسیار زیادی در حال پیشرفت باشند. نتیجه این چنین سرعت حرکت رو به جلو تعداد بیشتر ترانزیستورها در ابعاد کوچکتر و در نتیجه تولید گرمای بیشتر و هم چنین حساسیت بیشتر به گرما و همچنینی کاهش سطح انتقال حرارت می باشد که برای چنین منظوری باید مبدل های حرارتی با توانایی خنک کاری بالا تهیه بشود. امروزه از چاه های حرارتی میکروکانالی برای خنک کاری سیستم های الکترونیکی استفاده می شود. با کوچک شدن ابعاد ریزپردازنده‌ها و افزایش حرارت تولیدی استفاده از مبدل های حرارتی با سیال مایع به عنوان جایگزین سیال گازی مورد تحقیق و توسعه قرار گرفته است.

افزایش انتقال حرارت همزمان با کاهش افت فشار، کاهش اندازه و حجم سیستم انتقال حرارت، موضوعی است که طی چهار دهه مورد بررسی قرار گرفته است. در این میان میکروکانال‌های تبادل انتقال حرارت و انتقال جرم هنگامی که به دقت طراحی شوند و بهره‌برداری گردند، مطلوب به نظر می‌رسند. میکروکانال‌ها می‌توانند جریان را با دقت بالا در میان کانال‌ها توزیع نمایند. طول مسیر جریان را کاهش دهند. جریان آرام را به گونه‌ای در کانال‌ها تثبیت نمایند که ضرایب انتقال حرارت بالایی حاصل گردد.

پیشرفت در صنعت الکترونیک و نیاز به خنک سازی قطعات کوچک الکترونیکی، منجر به توسعه تجهیزات انتقال حرارت در مقیاس میکرو مانند مبدل های حرارتی میکروکانال شده است. این مبدل ها ضریب انتقال حرارت بالایی داشته و در عین حال دارای حجم و اندازه کوچکی هستند. با توجه به سرعت فعلی پیشرفت تکنولوژی، سرعت تراشه ها رفته رفته افزایش می یابد، حرارت تولید شده توسط تراشه بالا می رود و دمای تراشه افزایش می یابد، در حالی که حجم تراشه کوچک می شود.

تکامل و پیشرفت ریزپردازنده‌های الکترونیکی در گرو افزایش تراکم مدارهای الکتریکی است که خود باعث افزایش شار حرارتی ایجاد شده در این قطعات می‌شود. بنابراین تقاضا برای استفاده از روش‌های خنک‌کاری پربازده‌ نسبت به روش‌های سنتی مانند خنک‌کاری با هوا، هر روز بیشتر می‌شود. از بین روش‌های ارائه شده به منظور بهبود انتقال حرارت از وسایل الکترونیکی، میکروکانال‌های جاذب حرارت به دلیل نیاز به حجم کمی از سیال خنک‌کن و ضریب انتقال حرارت جابه‌جایی بالا، توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند.

با افزایش کارایی وسایل الکترونیکی نرخ انتقال حرارت از اجزای مربوطه افزایش یافته است. در دو دهه گذشته به منظور خنک‌سازی وسایل میکروالکترونیک، از چاه حرارتی میکروکانال استفاده شده است. همچنین نانوسیال‌های هیبریدی، نسل جدید نانوسیال هایند که دارای مشخصه های حرارتی بهتری نسبت به سیال های متداول و نانوسیال های تک ذره هستند. میکروکانال‌های استوانه‌ای علاوه بر کاربرد در خنک‌سازی وسایل میکروالکترونیک، در میکروراکتور‌ها نیز کاربرد دارند.

افزایش انتقال حرارت همزمان با کاهش افت فشار، کاهش اندازه و حجم سیستم انتقال حرارت، موضوعی است که طی چهار دهه مورد بررسی قرار گرفته است. در این میان میکروکانال‌های تبادل انتقال حرارت و انتقال جرم هنگامی که به دقت طراحی شوند و بهره‌برداری گردند، مطلوب به نظر می‌رسند. میکروکانال‌ها می‌توانند جریان را با دقت بالا در میان کانال‌ها توزیع نمایند. طول مسیر جریان را کاهش دهند. جریان آرام را به گونه‌ای در کانال‌ها تثبیت نمایند که ضرایب انتقال حرارت بالایی حاصل گردد.

با پیشرفت روز افزون صنایع الکترونیک به سمت سامانه‌های با قدرت پردازش بالاتر و سریع‌تر، خنک‌کاری الکترونیکی به عنوان یکی از مباحث مهم در این صنعت، همواره مورد توجه بوده و در سال‌های اخیر بیش از پیش نیاز به سامانه‌های خنک‌کاری کارآمد با نرخ انتقال حرارت بیشتر، به وجود آمده است.

با پیشرفت علم و به‌تبع آن؛ افزایش تولید و کاربری قطعات الکترونیکی و مکانیکی در زندگی روزمرّه، نگه‌داری و استفاده‌ی درست از این قطعات دارای اهمیت چندین‌برابر گشته است. یکی از مهم‌ترین معضلات موجود حین استفاده از این قطعات، افزایش دمای آنها و به‌دنبال آن ایجاد برخی مشکلات احتمالی خواهد بود. گرمایی که این قطعات حین فعالیت تولید می‌کنند، باید به طرز مناسبی دفع شود تا از بروز خطرات و مشکلات آتی جلوگیری به‌عمل آید. برای دفع گرمای تولیدشده توسط این قطعات، روش‌های مختلفی وجود دارد که یکی از آنها استفاده از چاه گرمایی یا هیت سینک است.

سیستم‌های میکروالکترونیک مدرن، مقدار زیادی حرارت تولید می‌کنند که باید به بیرون سیستم هدایت شود تا درجه حرارت آن به شکل قابل توجهی افزایش نیابد. این در حالیست که انتقال حرارت جابجایی اجباری هوا و میکروکانال‌های خنک کن به حد نهایی عملکردی خود رسیده‌اند. میکروکانال‌ها در مواردی که حجم انتقال حرارت بسیار بالاست و درعین حال فضای کافی برای نصب تجهیزات بزرگ وجود ندارد، کاربرد فراوان دارند. زیرا نسبت سطح به حجم در آن‌ها بیشتر است و در نتیجه انتقال حرارت در حجم‌های کوچک افزایش می‌یابد. عمده‌ترین عامل محدودکننده پیشرفت کوچک‌سازی تجهیزات میکروالکترونیک، عدم امکان خنک‌کاری این سیستم‌هاست. لذا نیاز به بهبود بخشیدن عملکرد میکروکانال‌ها بیشتر خودنمایی می‌کند. استفاده از نانو سیالات به عنوان سیال کاری در میکرو‌کانال‌ها به عنوان یک راه حل پیشنهاد می‌شود. یک نانو سیال از ذرات جامد در مقیاس نانو که درون یک سیال رایج انتقال حرارتی پخش شده‌اند، تشکیل شده است. مطالعات در زمینه نانو سیالات نشان می‌دهند که ضریب هدایت حرارتی نانوسیالات در حالت ساکن بطور چشمگیری افزایش می‌یابد.

افزایش انتقال حرارت همزمان با کاهش اندازه و حجم سیستم انتقال حرارت، موضوعی است که طی چهار دهه مورد بررسی قرار گرفته است اما رشد تقاضای انرژی، نیاز به افزایش کارآیی انرژی، فضای مورد نیاز کم برای وسایل، افزایش بهره وری و سهولت استفاده از تجهیزات، انقلابی در تبادل انتقال حرارت و جرم به وجود آورد. در میان این تکنیک ها میکروکانال ها مطلوب به نظر میرسند مخصوصاً هنگامی که به دقت طراحی و بهره برداری شوند میکروکانال ها می توانند جریان را با دقت بالا در میان کانال ها توزیع نمایند. طول مسیر جریان را کاهش دهند و جریان آرام را به گونه ای در کانال ها تثبیت نمایند که ضرایب انتقال حرارت بالایی حاصل گردد. نانوسیال ها نیز دارای قابلیت هدایت حرارتی بالاتری نسبت به سیالات رایج انتقال دهنده ی حرارت هستند. امروزه با رشد روز افزون نانوسیالات در سیستم های حرارتی و سایر فناوری ها این دسته از سیالات به شدت در کانون توجه محققان قرار گرفته اند. افزایش میزان انتقال حرارت موضوعی است که مدت ها مورد توجه محققان بوده است. نانوسیال به صورت ذرات نانو پراکنده در داخل سیال تعریف می شود.

امروزه دفع حرارت و کنترل دما در سامانه‌هایی با تولید شار حرارتی بالا در صنایعی همچون الکترونیک، هوافضا، نظامی، خودرو، سلول‌های خورشیدی، سلول‌های سوختی و غیره دارای اهمیت بالایی است. در بیشتر مواقع بهینه‌سازی سامانه‌های انتقال گرما به‌وسیله افزایش سطح آن‌ها صورت می‌گیرد که همواره باعث افزایش حجم و اندازه‌ی این دستگاه‌ها می‌شود. در مبدل‌های حرارتی دو پدیده مهم اتفاق می‌افتد. ابتدا سیال درون کانال جاری‌شده و بین سیال و دیواره انتقال حرارت صورت می‌گیرد. بنابراین برای بهبود این دو پدیده اولاً ازآنجاکه نرخ انتقال حرارت به نسبت مساحت سطح به حجم بستگی دارد پس کانال‌هایی با ابعاد کوچک‌تر ضریب انتقال حرارتی بهتری را ایجاد می‌کنند. همچنین استفاده از سیالاتی با خواص بهبودیافته می‌تواند باعث افزایش کارایی مبدل شود. بنابراین یکی از راه‌های مؤثر برای دفع این حرارت تولیدشده استفاده از میکروکانال‌ها است.

با رشد تکنولوژی کوچک سازی وسایل الکترونیکی و کاهش اندازه‌ی آن‌ها در دهه‌های اخیر، میزان بار حرارتی تولیدی در این وسایل بسیار افزایش یافته‌است که سبب آسیب زدن به این وسایل می‌شود. بنابراین تلاش برای حذف هر چه بیشتر این گرما، به یکی از مهمترین دغدغه‌های عصر حاضر تبدیل شده‌است. یکی از مناسب‌ترین سیستم‌هایی که برای حذف گرمای اضافی تولید شده در طی چند دهه اخیر گسترش یافته‌است، سیستم چاه گرمایی میکروکانالی می باشد. این سیستم‌ها شامل مجموعه‌ای از میکروکانال‌ها است که در آرایه ای موازی قرار گرفته‌اندو نیز سیالی است که به عنوان خنک کننده از داخل این میکروکانال‌ها جریان یافته و حرارت تولید شده در قطعه الکترونیکی را با خود حمل می کند. هندسه میکروکانال‌ها و نیز نوع سیال عامل، دو فاکتور مهم هستند که بر روی عملکرد حرارتی سیستم‌های چاه گرمایی تأثیر می‌گذارند.

از این رو مطالعات صورت گرفته بر روی این سیستم‌های حذف گرما، بر روی این دوعامل معطوف هستند تا اینکه با بهبود شرایط هریک، عملکرد حرارتی سیستم هر چه بیشتر افزایش یابد.

خنک کاری سیستم های الکترونیکی از حدود سال ۱۹۸۰ میلادی به عنوان محرکی برای تکنولوژی ساخت انواع تجهیزات در مقیاس میکرو شده است. همراه با تولید سیستم های الکترونیکی سریعتر و قدرتمندتر، به دلیل تقاضای بازار برای کاهش قیمت، وزن و اندازهی این تجهیزات شروع به کوچک شدن کردند و کوچک شدن منجر به بالا رفتن نرخ تولید حرارت و شار گرمایی سطحی زیاد شد. به این ترتیب نیاز به ابزارهایی که در دفع سریع و موثر حرارت بالای تولید شده کارآمد باشند، بیش از پیش آشکار شده است.

به طور کلی سه راه برای افزایش نرخ انتقال حرارت وجود دارد:

1- افزایش اختلاف دمای سیستم با محیط

 ۲- افزایش سطح تبادل حرارت

٣- افزایش ضریب جابجایی

آنچه که مسلم است راه حل اول یعنی افزایش اختلاف دمای سیستم با محیط، عملی نبوده و خارج از اختیارات طراح است. انتخاب راه حل دوم نیازمند استفاده از مبدل های حرارتی با سطح تماس بالا در مقابل حجم و وزن اشغال شده ی پایین می باشد.

امروزه از میکرو کانال ها به عنوان ابزاری که دارای نسبت سطح به حجم بالا همراه با حجم کم هستند به صورت گسترده استفاده می شود. در یک کانال با طول مشخصه  1متر نسبت سطح به حجم برابر m^-1 1 است. در حالی که برای یک کانال با طول مشخصه 1 میکرومتر این نسبت برابر   m^{-1 6} 10  است. این ویژگی مزایای متعددی را برای میکرو کانال ها فراهم کرده است. از جمله اینکه این ابزارها را برای مبدلهای حرارتی فشرده بسیار مناسب ساخته است.

به طور کلی کانال هایی با قطر هیدرولیکی بین ۱ تا ۱۰۰ میکرومتر را میکروکانال می نامند و از آنها به منظورهای مختلفی نظیر انتقال حرارت، انتقال جرم و … استفاده می شود. در حال حاضر اغلب میکروکانالها از مواد مختلفی نظیر شیشه، پلیمر، سیلیکون و انواع فلزات ساخته می شوند. ساخت آنها به روش های متفاوتی نظیر میکروماشین کاری سطحی و حجمی، مدل سازی، لایه گذاری . و میکروماشین کاری با ابزار برش معمولی صورت می گیرد.

یکی از کاربردهای اساسی میکروکانال ها، دفع حرارت از قطعات الکترونیکی مانند تراشه های الکترونیکی میباشد. یک هیت سینک میکروکانال وسیله ای است با تعداد زیادی کانال در ابعاد میکرومتر که در پشت ریزپردازنده ساخته می شود و با جریان سیال درون آن حرارت از ریزپردازنده دفع می شود. هیت سینک میکروکانال در دفع شارهای حرارتی بالا، حجم و وزن بسیار کم و خصوصیاتی از این قبیل، برای خنک کاری ریزپردازنده های با عملکرد بالا وسیله بسیار مناسبی است، بنابراین بررسی پارامترهای موثر بر آن و همچنین یافتن معادلاتی که بتواند رفتار دقیق میکرو کانال را پیش بینی کند از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

بررسی جریان سیالات درون مجاری با مقیاس بزرگ از سال ها پیش توسط محققینی چون پویزویل و رینولدز آغاز شد و تاکنون توسط محققین زیادی به طور مفصل بررسی و مدل شده است. اما پس از سالها، رویکرد جدیدی به این نوع از جریان ها پیدا شده است و رفتار آنها زیر ذره بین محققان قرار گرفته است.

از آنجا که مکانیک سیالات علمی است همراه با مطالعات تجربی، شکل گیری این علم به گونه ای بوده است که علوم حاصله تایید کننده مشاهدات تجربی باشد. در مکانیک سیالات کلاسیک استخراج معادلات به نحوی است که پاسخ حاصل از حل آنها، نتایج تجربی را ارضا می کند و در نهایت مرجع تشخیص درستی یا نادرستی استخراج و حل معادلات، همین نتایج تجربی هستند. در حوزه میکروسیالات مشکل اساسی این است که ظاهرا مشخصات جریان درون میکرو کانال ها با نظیرش در مقیاس های بزرگ سازگار نیست و بعضا انحراف زیادی دارد. به عبارت دیگر در این حوزه جدید مرجع تشخیص تغییر کرده است و مکانیک سیالات کلاسیک نمی تواند رفتار دقیق جریان را پیش بینی کند. بنابراین باید در استخراج و یا حداقل اصلاح معادلات، بازنگری دقیق تری انجام شود. این بازنگری می تواند شامل بررسی صحت فرضیات معادلات ناویراستوکس و نیز صحت فرضیات ساده کننده جریان باشد. اما راه حل سوم برای افزایش نرخ انتقال حرارت، وابسته به استفاده از سیالاتی با ظرفیت انتقال حرارت بالا می باشد.

در ابتدا به منظور بالا بردن ظرفیت انتقال حرارت سیال، مطالعات به استفاده از ذرات جامد فلزی و غیر فلزی در ابعاد میلی متر و میکرومتر به صورت معلق در سیال پایه معطوف بود. افزایش درصد حجمی ذرات معلق در سیال مساوی است با افزایش انتقال حرارت هدایتی مخلوط که دلیل آن ضریب هدایت حرارتی بالای ذرات فلزی و غیر فلزی اضافه شده به سیال نسبت به ضریب هدایت حرارتی سیال پایه می باشد.

پیشرفت های صورت گرفته در صنایع الکترونیکی در دهه های اخیر سبب شده است تا قطعات الکترونیکی با ابعاد میکرون تولید شوند. از جمله ی این وسایل می توان به میکرو سیستم های الکترونیکی و مکانیکی( MEMS) اشاره کرد. کاهش اندازه در وسایل الکترونیکی سبب شده است تا میزان حرارت تولیدی در این وسایل و نیز در مدارهای الکترونیکی بالا رود ، بنابراین استفاده از روش های قدیمی نظیر به کار بردن فن یا پره های فلزی کارایی چندانی ندارد، از این رو نیاز است تا از تکنولوژی های جدیدتری برای حذف حرارت تولید شده استفاده شود. سیستم های هیت سینک میکروکانال یا چاه گرمایی میکروکانالی( MCHS ) یکی از تکنولوژی هایی است که در زمینه های مختلف از جمله زیست پزشکی، شیمی و الکترونیک استفاده میشود.

کاربرد آن در الکترونیک خنک سازی تجهیزات ممز MEMS ها، مدارهای بزرگ – مقیاس و نیز تراشه های کامپیوتری می باشد. در ابتدای تولید این سیستم ها از جریان جابه جایی اجباری هوا جهت خنک سازی استفاده می شد اما بعدها پیشرفت بیشتر وسایل الکترونیکی و افزایش حرارت تلف شده در این وسایل، سبب شد تا از خنک کننده ی مایع استفاده شود. در بین خنک کننده های مایع تک فازی، آب به دلیل گرمای ویژه و نیز هدایت گرمایی بالا، فراوانی در طبیعت و نیز سازگاری با محیط بهترین گزینه محسوب می شود. ذرات جامد به طور کلی هدایت حرارتی بهتری را به نسبت سیالات از خود نشان داده اند، از این رو پراکنده کردن این ذرات جامد در یک سیال، قادر است تا هدایت حرارتی خالص محلول را افزایش دهد. پیشرفتهای اخیر در نانو تکنولوژی تولید ذرات نانو اندازه را میسر کرده است.

یکی از مهم ترین انواع سیال های خنک کننده نانوسیال ها هستند که امروزه جایگاه ویژه ای در زمینه خنک کنندگی سیستم های هیت سینک میکروکانال MCHS پیدا کرده اند. نانوسیال ها سوسپانسیون­های کلوئیدی هستند که شامل ذرات نانو اندازه می باشند (قطر کمتر از ۱۰۰ نانومتر) که در داخل یک سیال پایه پراکنده شده اند. جالب ترین قابلیت و مشخصه ای که نانو سیالات دارند این است که ذرات پراکنده شده به ندرت باعث مسدود شدن ویا ساییدگی سطح می شوند که این خصوصا برای جریان های داخل میکروکانال یک نکته ی مثبت است.

میکروکانال:

طبقه بندی های مختلفی برای کانال ها وجود دارد اما یکی از ساده ترین طبقه بندی ها، دسته بندی صورت گرفته توسط کندلیکار و گرنده (۲۰۰۳) است که بر اساس ابعاد میکرو کانال صورت گرفته است. بر طبق این طبقه بندی کانالی را که کوچکترین بعد آن بین ۱۰ تا ۲۰۰ میکرون باشد، می توان میکرو کانال نامید.

طبقه بندی کانال ها

 

در اینجا D کوچکترین بعد کانال است. طبقه بندی ساده تری که وجود دارد، توسط ابت(۲۰۰۳) ارائه شده است که بر اساس قطر هیدرولیکی است. بر طبق این دسته بندی، کانال هایی با قطر هیدرولیکی کمتر از یک میلیمتر را می توان میکروکانال نامید. طبقه بندی فوق توسط تعدادی دیگر از محققان نظیر بهرامی و جوانوویچ (۲۰۰۶) و بایرکتارو پیدوگو (۲۰۰۶) پذیرفته شده است.

دسته بندی رژیم جریان در میکرو کانال­ ها

دسته بندی رژیم جریان در میکرو کانال ها بر اساس عدد بدون بعد نادسن صورت می گیرد. این عدد نسبت متوسط مسير پویش آزاد مولکولی را به بعد مشخصه جریان بیان می کند.

که در اینجا لاندا همان متوسط مسير پویش آزاد مولکولی است و L بعد مشخصه جریان است که در مورد کانال ها همان قطر هیدرولیکی می باشد. یکی از دسته بندی هایی که در مورد رژیم جریان موجود در کانال ها صورت گرفته است، دسته بندی صورت گرفته توسط كندلیکارو گرنده (۲۰۰۳) است.

 

طبقه بندی رژیم جریان بر اساس محدوده های مختلف عدد نودسن.

 

بر طبق دسته بندی فوق، چنانچه عدد نودسن سیال کمتر از 0.001 باشد، می توان جریان را پیوسته فرض کرد. برای رژیم جریان پیوسته، معادلات حرکت ناوير-استوکس برای جریان صادق است و شرایط مرزی عدم لغزشی سرعت و عدم پرش دمایی برای دیواره ها برقرار است.

0.1 > Kn> 0.001 محدوده جریان لغزشی را شامل می شود. معادلات حرکت ناویر استوکس با انجام اصلاحاتی بر روی آن ها قابل استفاده است و شرایط مرزی سرعت لغزشی و پرش دمایی به کار می رود.

10> Kn> 0.1 برای رژیم جریان گذرا به کار می رود. این رژیم مابین جریان آزاد مولکولی و جریان لغزشی است که معادلات ناویر استوکس برای این نوع جریان قابل استفاده نیست.

10<Kn جریان آزاد مولکولی است و باید جریان هر کدام از مولکول ها به صورت انفرادی مدل سازی شود. کوچک بودن عدد نودسن درد و صورت امکان پذیر است، یکی در صورت کوچک بودن مسیر پویش آزاد مولکول ها و دیگری در صورت بزرگ بودن بعد مشخصه کانال. در داخل میکرو کانال ها به دلیل کوچک بودن قطر هیدرودینامیکی، عامل کوچک بودن عدد نادسن، کوچک بودن مسیر پویش آزاد مولکولی میباشد. برای پی بردن به این مطلب که آیا جریان داخل کانال پیوسته است یا خیر، باید عدد نادسن را برای آب محاسبه نمود.

میکرو کانال ها به سبب مزیت هایی که دارند در دهه های اخیر به عنوان سیستم های خنک کننده بسیار مورد توجه هستند، از جمله ی این ویژگی ها می توان به نسبت سطح به حجم بالای آن ها و حجم کوچک (که سبب انتقال جرم و حرارت با سرعت بالا می شود) ، نیاز به خنک کننده کم و هزینه عملیاتی پایین اشاره کرد. امروزه انواع مختلفی از میکرو کانال ها تولید می شوند، میکروکانال های با مقاطع عرضی مختلف به شکل مدور، مستطيل، ذوزنقه و… که کاربردهای خاصی دارند. گاهی شکل میکروکانال متفاوت است، برخی از این اشکال عبارتند از: استوانه ای، مستطیلی، زیگزاگی، منحنی شکل، پلکانی، مارپیچی و دندانه دار، که همگی آن ها با هدف بررسی تأثیر هندسه ی میکرو کانال ها بر روی عملکرد سیستم های جاه گرمایی صورت گرفته است. یکی از ابتدایی ترین انواع میکرو کانال ها میکروکانال یک لایه است که اولین بار توسط پیس وتاكرمن مورد استفاده قرار گرفته است.

این نوع از میکرو کانال جدای از مزایای کلی که بین تمام میکرو کانال ها عمومیت دارد، به دلیل ساختار هندسی یک لایه ای که دارد، سبب بروز برخی از مشکلات می شود مانند توزیع بالا و غيريكنواخت دما در طول کانال، که باعث می شود در داخل چیپ ها و تراشه های الکترونیکی تنش حرارتی ایجاد شده و همین سبب کاهش کارایی الکتریکی قطعه می شود. یکی از راه های رفع این توزیع دمایی دولایه در نظر گرفتن کانال است. در شکل زیر برخی از انواع میکروکانال ها نشان داده شده است.

شکل برخی از انواع میکروکانال ها.

 

به دلیل پیشرفت سریع در فناوری های مدرن، مثل صنعت IT، سیستم های فعلی الکترونیکی، بخش وسیعی از حرارت را به وجود می آورند، عملکرد ابزار مربوطه را پایین آورده و قابلیت کارآیی آن را کاهش می دهد. استفاده ی موفق از سیستم های مکانیکی میکرو- مینی الکترونیک در کاربردهای سرمایشی، آن ها را تبدیل به ابزاری نهایی برای مهندسان کنترل مدیریت گرمایی کرده است. یکی از شدنی ترین کاربردها برای سیستمهای مکانیکی میکرو- مینی الکترونیک، چاه حرارتی یا هیت سینک است. علاوه بر میکروالکترونیک، میکرو- مینی شبکه، هیت سینک یا چاه حرارتی کاربردهایی در زمینه های متنوع و مهم دارد که شامل تهویه هوا، اتومبیل سازی، یخچال، هوا فضا، بيومهندسی، سرمایش تیغه های توربین گازی که توان و صنایع فرآوری می باشد، از دیگر زمینه های مشمول این موضوع می توان به ردیاب های مادون قرمز، آینه های لیزری قوی و ابر رساناها و تجزیه ی فیلم کنترل گرمایی اشاره کرد. به هر حال کاربرد هیت سینک ها یا چاه های حرارتی ریزشبکه بسیار دشوار است زیرا افت فشار بسیار زیادی به خاطر جریان سیال از طریق ریزشبکه ایجاد می شود. از طرف دیگر هیت سینک ها یا چاه های حرارتی میکروکانال با قطر هیدرولیکی بین0.2 و 0.3 میلیمتر را می توان با یک شار گرمایی نسبتا بالا و افت فشار ملایم استفاده کرد.

امروزه، کاهش منابع انرژی دلیل اصلی برای نگهداری انرژی و مدیریت آن است. از اینرو، تکنیک های افزایش انتقال حرارت میتواند در ذخیره سازی و مدیریت انرژی یاری رساند. همچنین، کوچک سازی تجهیزات تبادل حرارتی، بعنوان یک تکنیک تاثیرپذیر، دارای پتانسیل ارائه سیستم های کارآمد انرژی می باشد. تدبیر میکروکانال ها برای اولین بار تدبیری بود که توسط تاكرمن و پییز در سال ۱۹۸۱ درباره هیت سینک ها یا چاه های حرارتی پیشنهاد شد. میکروکانال ها از کانال های قراردادی برحسب قطرهای هیدرولیکی کانال متفاوتند. برمبنای طبقه بندی كاندلیکار و گریند، یک هیت سینک/چاه حرارتی کوچک کانال بطور نمونه یک تعداد از کانال های موازی در اندازه کوچک با اقطار هیدرولیک بین 200 میکرون و 3 میلیمتر تعریف شده اند. تکنیک های موجود در هندسه ها یک ناحیه فعال از پژوهش هستند که توسط بسیاری از محقیق پیگیری شده اند.

میکرو کانال ها، كانالهايي هستند که ابعاد آنها از یك میلیمتر کمتر و از یک میکرومتر بیشتر می باشد. در ابعاد بالاي يك میلی متر، جریان خصوصياتي مشابه بیشتر جریان های مرئی را از خود بروز می دهد. در ابعاد پایین تر از يك ميكرومتر، جریان با مشخصات جریان های مقیاس نانو بیشتر منطبق است. در حال حاضر بیشتر میکروکانال ها داراي ابعادي از ۳۰ تا ۳۰۰ میکرومتر می باشند. جریان سیال داخل کانال ها در درون بسياري از دستگاه هاي طبيعي و دستگاه های ساخته شده توسط بشر قرار دارد، انتقال جرم و حرارت در دستگاه های بیولوژيكي در کل طول دیواره های کانال انجام می گیرد مواردي چون مغز، ریه، کلیه، روده و مانند آنها، به مانند آنچه در بسياري از دستگاه های ساخته شده توسط بشر به وقوع می پیوندد. مواردي چون مبدل های حرارتي، راكتورهاي هسته ای، واحدهاي تقطير، واحدهاي جداسازي هوا و نظیر آنها. به­طورکلی فرايندهاي انتقال در طول دیواره كانال ها انجام می شود، چراکه جریان حجمي از روي سطح مقطع كانال عبور می کند. بنابراین سطح مقطع كانال می تواند به عنوان عبور دهنده سیال به داخل یا خارج دیواره های کانال ايفاي نقش نماید.

کانال دو وظیفه اساسي دارد که باید در طول عملكرد خود به انجام برساند:

١- سیال را به برخورد موثر با دیواره های کانال وادار کند.

۲- به منظور اینکه فرایند انتقال به خوبی انجام پذیرد کانال باید همواره سیال جدید را به سمت دیواره فرستاده و سیالي را که در نزديك ديواره است و وظیفه فرایند انتقال خود را انجام داده از دیوار دور کند تا سیال جدید در مجاورت دیواره جایگزین آن شود.

نرخ فرآیند انتقال به مساحت سطح تماس با سیال بستگي دارد که این خود براي كانال با سطح مقطع دایره ای به قطر كانال، D بستگي داشته هم چنان که نرخ جریان نیز به مساحت سطح مقطع كانال بستگی دارد، که سطح مقطع نیز به طور خطي با D2 متناسب است، بنابراین نسبت مساحت سطح داخلي کانال به حجم با قطر كانال نسبت عكس خواهد داشت، پرواضح است که با کاهش قطر نسبت مساحت سطح داخلي کانال به حجم افزایش خواهد داشت.

 جالب است که در دستگاه های بیولوژیكي فرايندهاي انتقال جرم، ابعاد کانال کوچکتری دارند، جايي که از کانال هاي با ابعاد بزرگتر فقط به منظور جابجايي سیال استفاده می شود. از نقطه نظر مهندسي حرکت از کانال هاي با ابعاد بزرگ يعني حدود ۱۰ تا ۲۰ میلی متر به کانال هاي با ابعاد کوچک صورت می گیرد. تا جايي که علاقه به گستره از چند ده تا چند صد میکرومتر، استفاده از کلمه (مقیاس میکرو) به عنوان یک واژه متداول جهت استفاده در تقسیم بندی های علمی و مهندسي که با فرایندهایی در این مقیاس سروکار دارند، شناخته شده و پذیرفته شده است.

هرچه ابعاد کانال کوچکتر می شود تعداد بيشتري از نظریه هایی که برای توصیف وضعیت سیال، انرژي و انتقال جرم استفاده می شد نیازمند بررسی بیشتر جهت حصول اطمینان از اعتبار این نظریه ها در تشریح مسئله با ابعاد میکرو میباشد. دو عامل اساسي برای دور شدن از نظریه های معمولي جهت توصيف مقیاس میکرو وجود دارد، به عنوان مثال به دلیل قطر كوچك كانال ممکن است تغييراتي در نحوه مدلسازی جریان سیال داخل کانال رخ دهد:

١- عدم قطعیت در کاربرد عوامل اساسي که به روش های آزمایشگاهي در مسائل با مقیاس بالاتر به دست آمده است مانند ضرایب افت، ورودي و خروجي، جریان سیال داخل لوله ها.

۲- عدم قطعیت در اندازه گیری های مقیاس میکرو مانند ابعاد هندسي و پارامترهاي مسئله.

میکروکانال ها از مواد گوناگوني چون شیشه، پلیمرها، سيليكون و فلزات و با روش های گوناگونی چون میکرو ماشین کاری سطح، میکرو ماشین کاری حجمي،.، میکرو برنده ها و روش هایی چون قالب سازی و ريختگي ساخته می شوند. میکروکانال ها به واسطه نسبت سطح به حجمي که دارند و نیز حجم كوچك خود دارای مزایایي هم می باشند. نسبت بالاي سطح به حجم به میکروکانال ها نرخ بالايي از انتقال حرارت و جرم بخشیده و آنها را به ابزارهايي قدرتمند براي استفاده درمبدل های حرارتي جمع و جور تبدیل می سازد.

افزایش انتقال حرارت همزمان با کاهش افت فشار، کاهش اندازه و حجم سیستم انتقال حرارت، موضوعی است که طی چهار دهه مورد بررسی قرار گرفته است. اما رشد تقاضای انرژی، نیاز به افزایش کارآیی انرژی و کاهش استفاده از تجهیزات، فضای مورد نیاز کمتر برای وسایل، افزایش بهره وری و سهولت استفاده از تجهیزات، انقلابی در تبادل انتقال حرارت و جرم به وجود آورد. در میان این تکنیک ها میکرو کانال های تبادل انتقال حرارت و انتقال جرم مطلوب به نظر می رسند، مخصوصا هنگامی که به دقت طراحی شوند و بهره برداری گردند. میکرو کانال­ها می توانند جریان را با دقت بالا در میان کانال ها توزیع نمایند. طول مسیر جریان را کاهش دهند. جریان آرام را به گونه ای در کانال ها تثبیت نمایند که ضرایب انتقال حرارت بالایی حاصل گردد. نسبت سطح تماس به حجم افزایش یابد و افت فشار کلی کاهش یابد. اینها مزایای اصلی استفاده از میکروکانالها در صنایع مختلف می باشد. پیشرفت های زیادی در زمینه ساخت و تولید دستگاه های میکرو کانال حاصل شده است. کاهش هزینه تولید و در عین حال افزایش بهره وری سیستم های میکروکانال از جمله این موارد است.

رشد تقاضا برای کوچک سازی محصولات در تمامی بخش های صنایع، با رقابت فراگیر برای محصولات کم هزینه تر، قابل اطمینان تر و سریع تر همزمان شده است. که این امر منجر به بررسی های بیشتر به منظور طراحی و بهره برداری از سیستم های حرارتی با راندمان بالاتر شده است. افزایش سریع در تعداد ترانزیستورها در ریز تراشه ها و توان و کارایی و تولید حرارت بالاتر آنها، مشکل جدیدی در صنایع الکترونیکی محسوب می گردد. مبدل های حرارتی و انتقال جرم در میکروکانال ها در صنایع مختلف، در حال توسعه میباشند تا اینکه بتوانند در زمینه طراحی و بهره برداری، سیستم هایی با کارایی و مدیریت حرارتی بالاتری را به وجود آورند.

تلاش های زیادی بر روی انتقال حرارت در میکروکانال ها در سیستم های تک فاز از زمان توکرمن و پیز بر روی سیستم های سرمایش مدارهای یکپارچه در مقیاس خیلی بزرگ انجام شده است. در سال ۱۹۸۱ توکرمن و پیز مفهوم هیت سینک میکرو کانال را برای اولین بار توضیح دادند و پیش بینی کردند که سردسازی در میکروکانال ها با جابجایی اجباری در سیستم های تک فاز می تواند حرارت با نرخ W/cm² 1000 را دفع کند.

شکل مقياس اجزاء و سیستم سرمایشی.

جابجایی اجباری در کانال ها و تزریق مایع برای چندین دهه جهت سردسازی سریعتر در صنایع مورد استفاده بود. همچنین انتقال حرارت در میکروکانال ها به طور فزاینده ای مورد توجه و علاقه محققین بوده است. که این موضوع به دلیل وجود ضریب انتقال حرارت بالا و افت فشار متوسط، در مقایسه با سیستم های سرمایش قدیمی متعارف که با آب و هوا کار می کنند، می باشد. به طور مثال هیت سینک های میکرو کانال برای دیودهای لیزری با توان بالا توانستند شار حرارتی W/cm² 500 را دفع کنند.

برای چندین دهه مطالعات بر روی جریان دوفازی و مشخصه های جریان در مسیرهای جریان میکروکانال، در وسایل میکرو در کاربردهای مختلف مهندسی از قبیل وسایل پزشکی، مبدل های حرارتی با شار حرارتی بالا، سردسازی میکروالکترونیک های با قدرت بالا، ابررایانه ها، لیزرهایی با قدرت بالا انجام گرفت. ادامه حرکت به سمت میکروچیپ های ریزتراشه های فشرده ممکن است نیازمند دفع حرارتی بالاتر را که تاکنون تنها با جابجایی اجباری با هوا صورت می گرفت به سمتی دیگر سوق دهد. که در این میان سردسازی با استفاده از مایع و میکرو کانال هایی که با میکروچیپ ها یکپارچه شده اند، یکی از گزینه های مورد توجه می باشد. در بسیاری از موارد که نیاز به سردسازی بالای W/cm² 100 داریم سیستم سرمایشی توسط هوا یا آب چندان موثر به نظر نمی رسد. در بسیاری از کاربردها دفع شار حرارتی بالا از اجزاء نیازمند این است که هیت سینک یا چاه حرارتی بزرگتر از خود اجزاء باشد. با وجود این، نقاط داغ معمولا ظاهر می شوند و سطح انتقال حرارت غیریکنواخت می باشد. این موضوع محققان را ترغیب کرد که مستقیم سطح پشت یک منبع حرارتی را به منظور دفع شار حرارتی یکنواخت مورد اثر قرار دهند. آنچنان که در شکل زیر دیده می شود. هیت سینک یا چاه حرارتی معمولا از سیلیکون ساخته می شود. با یک لایه اکسید سیلیکون به این منظور که اجزاء را به لحاظ الکتریکی ایزوله نگه دارند. کانال های مستطیلی خیلی باریک توسط فین ها در مقیاس میکرومتر شکل گرفته اند که اطمینان دهند که شار حرارتی یکنواخت توسط جریان سیال سرد از میان میکرو کانال های مستطیلی عبور می کند.

شکل هیت سینک یا چاه حرارتی میکرو کانال سیلیکونی.

از قانون سرمایش نیوتن می دانیم که برای اختلاف دمای ثابت، شار حرارتی بستگی به hA دارد. در جائیکهh ضریب انتقال حرارت و A سطح انتقال حرارت می باشد. بنابر این به منظور رسیدن به یک شار حرارتی بالا باید ha افزایش یابد و به دلیل اینکه ضریب انتقال حرارتh مرتبط با قطر هیدرولیکی است، افزایش سطح یک گزینه می باشد. سطح انتقال حرارت می تواند توسط میکروکانال ها افزایش یابد. آنچنان که در شکل فوق دیده می شود. رفتار جریان آب در داخل کانال ها توسط قطر هیدرولیکی کانال و سطح مقطع کانال مشخص می شود. برای یک انتقال حرارت بالا، قطر هیدرولیکی کمتر و سطح تماس بیشتر مورد نیاز است.

مزایا و مشکلات میکروکانال ها

جریان در میکروکانال ها به طور گسترده ای در طی دو دهه مورد بررسی قرار گرفته است. تحقیق در زمینه موثر بودن و سرمایش سریع تر ابزارهای الکتریکی با توان بالا مورد بررسی واقع شد. مزایای میکروکانال ها در ضرایب انتقال حرارت بالا، کاهش سایز مبدل های حرارتی، کاهش وزن، کاهش استفاده از تجهیزات و مواد می باشد. کاهش قطر میکروکانال منجر به فشردگی بیشتر مبدل حرارتی می شود و باعث افزایش ضریب انتقال حرارت و افزایش سطح انتقال حرارت به ازای واحد حجم می شود. میکرو کانال ها کاربردهای وسیعی در زمینه های گوناگون دارند از قبیل مهندسی بیو، سیستم های سیال در مقیاس میکرو، میکروچیپ ها، لوله های حرارتی میکرو. به عنوان مثال، فشرده بودن و وزن کم میکرو کانال ها رویکرد صنایع اتومبیل را به سمت مبدل های حرارتی میکرو سوق داده است. امروزه میکروکانال ها به طور گسترده ای جایگزین لوله­های مدور در سرد کننده های اتومبیل و مبدل های حرارتی با قطر هیدرولیکی حدود ۱ میلی متر شده اند. اخیرا میکرو کانال ها به طور موفقیت آمیزی در سیستم های تهویه اتومبیل به کار می روند. سلول های سوختی و همچنین میکروالکترونیک ها موارد دیگری از کاربرد میکروکانال ها است. مشکل اصلی میکروکانال ها مشكل ساخت و میزان بالای فیلتراسیون سیال کاری است که در میان میکروکانال ها جریان می یابد. افزایش افت فشار و در نتیجه توان بالای مصرفی پمپ از دیگر مشکلات میکرو کانال ها است.

روش های ساخت میکروکانال ها

میکروکانال­ها بر اساس ابعاد و مواد مورد استفاده به روش های گوناگونی ساخته می شوند. مواد متعارف مورد استفاده برای ساخت میکرو کانال ها سیلیکون، سیلیکا، پلی کربنات / پلی ایمید، پلاستیکی یا فلز می باشند. پیکربندی پایهای میکروکانال ها مستطیل، شبه مستطيل، مثلث، بخش های متفاوت ذوزنقه ای، که به طور گسترده ای در مقالات توسط ورلی و نگویاکس گزارش شده اند. طبقه بندی روشهای ساخت میکرو کانال به صورت زیر است.

فناوری قدیمی شامل موارد زیر می شود:

1- ریخته گری میکرو

۲- اره کردن میکرو

3-فرزکاری و برشکاری میکرو

۴- قطعه قطعه کردن میکرو

فناوری مدرن شامل موارد زیر می شود:

MEMS

Laser micro machining

Electro discharge machining

Micro molding

تکنولوژی MEMS به طور گسترده ای به واسطه تکنولوژی شبه رساناها رشد پیدا کرده است و در آزمایشگاههای تحقیقاتی استفاده می شود. اخيرا تکنولوژی ساخت لیزری میکروساختارها به دلیل عدم قطعیت کمتر در ساخت و تعداد نامحدود هندسه ها مورد توجه بسیار قرار گرفته است.

با توسعة سریع و روز افزون سیستم های میکروالکترومکانیکی و افزایش تولید حرارت ناخواسته در قطعات میکروالکترونیک، لیزرها، پردازنده های تصویری و صنایع هوافضا سیستم های خنک کننده مرسوم دیگر قادر به حذف حرارت تولید شده نبودند. مبدل های حرارتی میکروکانالی برای اولین بار توسط تاکرمان و پیس در اوایل ۱۹۸۰ ارائه شد و به عنوان بهترین، مطمئن ترین و موثرترین روش خنک سازی که توان حرارتی بسیار بالاتر و همچنین ساختار هندسی کوچکتری نسبت به سایر مبدل های حرارتی داشت شناخته شد.

پس از آن مورد توجه بسیار زیادی قرار گرفت و تحقیقات عملی و شبیه سازی عددی بسیاری بر روی آن صورت گرفت. گرمای تولیدی سیستم های میکرو الکترومکانیکی(MEMS) به هیت سینک های میکروکانالی (MCHS) منتقل می شود و از طریق سیال خنک کننده این گرمای ناخواسته تولیدی حذف می گردد. جهت بهبود عملکرد این نوع هیت سینک ها چهار فاکتور نوع جریان ورودی، نوع ماده به کار رفته، نوع سیال خنک کننده و هندسه این نوع مبدل ها مورد توجه قرار گرفته است. در مقایسه با هوا آب که ظرفیت گرمایی نزدیک به چهار برابر هوا رسانش گرمایی بالاتر انتخاب بسیار بهتری به عنوان سیال خنک کننده می باشد. جوشیدن و تغییر فاز سیال کننده در میکروکانال ها می تواند باعث مسائل جدی مانند افت فشار، افزایش شدید دما در یک نقطه، کاهش انتقال حرارت و ایجاد جریان معکوس در میکرو کانال ها گردد که این مشکلات یاد شده محققین را متقاعد به استفاده از سیال خنک کننده تک فاز می کنند.

امروزه سیلیکون در صنایع IC به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد. بنابراین برای کاهش مقاومت حرارتی هیت سینک میکروکانالی(MCHS) می تواند به صورت بخش متصل به پردازنده ساخته شود. به این دلیل در تحقیق صورت گرفته سیلیکون به عنوان ماده تشکیل دهنده بدنه و آب به عنوان مایع خنک کننده در نظر گرفته شده است.

توزیع کننده جریان(مانیفولد) مجرایی گفته می شود که وظیفه برقراری ارتباط بین کانال ها را دارد. مانیفولدها برای توزیع و کنترل سیال ورودی به کانال ها مورد استفاده قرار می گیرند. مانیفولدها را به طور کلی می توان به دو دسته تقسیم کرد الف) شاخه ای ب) متوالی.

توزیع کننده یا مانیفولد شاخه ای

ساختاری شبیه به یک درخت دارد که قطر و طول کانال ها به تدریج در جهت جریان کاهش و درنهایت به میکروکانال ها منتهی می شود. در این نوع از توزیع جریان با تغيير عدد رینولدز شار عبوری تغییر چندانی نمی کند. اگرچه عملکرد مناسبی دارند طراحی آنها بسیار پیچیده و مشکل است و نیازمند طراحی و ساخت دقیق برای اطمینان از توزیع متعادل جریان و همچنین جلوگیری از انسداد محل اتصال کانال ها می باشند. علاوه بر این افت فشار بسیار بالایی که به علت شکل هندسی این توزیع کننده ها به وجود می آید عملا کاربرد این نوع از توزیع کننده های جریان را برای استفاده در ابزاری که مبنای عملکرد آنها با اختلاف فشار است را ناممکن می سازد.

توزیع کننده یا مانیفولد متوالی

به طور کلی توزیع کننده یا مانیفولد متوالی به دلیل سادگی ساخت و افت فشار پایین تر نسبت به توزیع کننده های شاخه ای در صنایع و سیستم های بسیاری کاربرد دارند. در این نوع توزیع کننده ها جریان از طریق ورودی وارد مجرای اصلی توزیع کننده شده و سپس از طریق شیارها بین کانال ها توزیع می گردد. به طور کلی این توزیع کننده ها به چهار دسته تقسیم می شود.

۱) جدا کننده جریان

 ۲) ترکیب کننده جریان

 ۳) جریان موازی

۴) جریان برگشتی

که در واقع دو نوع جریان موازی و جریان برگشتی از ترکیب جدا کننده جریان و ترکیب کننده جریان با کانال های جانبی ساخته می شوند. علاوه بر این توزیع کننده ها، توزيع کننده دیگری را طراحی کرد که آن را توزیع کننده جریان طبیعی نامید. که در آن جریان به صورت آزاد بین کانال ها تقسیم می گردد. برای سنجش عملکرد این نوع توزیع کننده معیاری به نام ام ال دی (MLD) تعریف می شود. که نشان دهنده نقص یا ضعف طراحی توزیع کننده برای ایجاد جریان منظم میان میکروکانال ها می باشد. این نامنظمی جریان باعث ایجاد نقاطی با حرارت بالاتر نسبت به سایر نقاط در بستر مبدل حرارتی می گردد.

نانوسیال:

در سال های اخیر پیشرفت های زیادی در تکنولوژی ساخت تولید نانوذره وجود داشته است. مخلوط کردن این نانوذرات با سیال های پایه، گروه ویژه ای از سیالات را به نام نانوسیال ایجاد می کند. چوی اولین کسی بود که از نانوسیال ها استفاده کرد و نشان داد که افزایش نانوذرات در سیال پایه، مشخصه های انتقال گرما را بهتر خواهد کرد. بعد از او، چندین مطالعه در این زمینه انجام شد دو روش متفاوت برای بررسی جریان و مشخصه های انتقال گرمای نانوسیال به نام روش های تک فازی و دوفازی وجود دارد. تا کنون اکثر مطالعات بر پایه روش تکفازی انجام شده است. سیالاتی که امروزه در صنعت مورد استفاده قرار می گیرند، شامل آب، روغن و اتیلن گلیکول است. این قبیل سیالات رسانایی گرمایی ضعیف تری را در مقایسه با نانوسيالات که به سیال پایه آنها، جامدات فلزی و یا اکسیدی اضافه شده است از خود نشان می دهند. پس انتظار می رود با معلق کردن برخی ذرات جامد در مایع، خواص انتقال گرما این مایعات و در نتیجه نرخ انتقال گرما افزایش یابد. ضریب هدایت گرمایی نقش بسیار مهمی را در یک سیال برای انتقال گرما بازی می کند. با وجود تلاش ها و تحقیقات فراوانی که برای افزایش انتقال گرما انجام شده است و هنوز در حال انجام است، پیشرفت در بهبود شرایط انتقال گرما تا حدود زیادی محدود بوده و این امر دلیلی جز این ندارد که سیالاتی که مورد استفاده قرار می گیرند، دارای خواص گرمایی ضعیفی هستند (حتی تا ۱۰۰۰ برابر ضعیف تر از فلزات). به عنوان مثال ضریب هدایت گرمایی مس ۷۰۰ برابر بزرگتر از آب و ۳۰۰۰ برابر بزرگتر از ضریب هدایت گرمایی روغن موتور می باشد. در ادامه برخی از مزایای استفاده از نانوسيالات بیان شده است.

١- بهبود انتقال گرما استفاده از نانوسيالات موجب افزایش ضریب هدایت حرارتی می شود که پارامتری تأثیر گذار در افزایش انتقال حرارت می باشد. همچنین نانوسیال ها به نسبت سیال های متداول داری ضریب انتقال گرمای جابجایی بزرگتری هستند که باعث بهبود انتقال گرما می شود.

۲- کوچکترشدن سیستم های انتقال گرما به علت افزایش انتقال گرما در نانوسيالات در میزان حرارت یکسان، مبدل ها و رادیاتورهای گرمایی زمانی که از نانوسیال به جای سیال معمولی برای انتقال گرما استفاده شود از اندازه کوچکتری برخوردار خواهند بود.

٣- کاهش انسداد مجاری از آنجا که اندازه نانوذرات نسبت به میکروذرات ۱۰۰۰ برابر کوچکتر است؛ بنابراین ته نشینی و رسوب خیلی کمتری نسبت به ذرات میکرو دارند و این سبب کاهش انسداد مجاری می شود.

۴- استفاده در میکروکانال ها یکی دیگر از قابلیت های نانوسیال ها در خنک کاری تجهیزات الکترونیکی در ابعاد میکرومتر است. با پیشرفت تکنولوژی تجهیزات الکترونیکی نیز کوچک تر می شوند؛ بنابراین نیازمند خنک کاری بیشتری شده که این خنک کاری با استفاده از نانوسیال ها که دارای قابلیت خنک کاری بهتری نسبت به سیالات متداول مانند آب، روغن و… هستند انجام می شود.

 

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی چاه حرارتی یا هیت سینک میکروکانال در نرم افزار کامسول انجام شده است.

هندسه مدل:

هندسه مدل هیت سینک میکروکانال در این پروژه مطابق مقالات مرجع به صورت زیر می باشد.

 

هیت سینک میکروکانال در این پروژه از نوع هیت سینک میکروکانال مانیفولد است که توسط هارپول و انینگر(1991) و توسط پاک و همکاران(1991) به عنوان شیوه ای موثر در کاهش تغییرات دما درون منبع گرمایی و افت فشار در یک نرخ جریانی با حجم ثابت درنظرگرفته شده است. هیت سینک های میکروکانالی مانیفولد دارای چندین کانال ورودی و خروجی هستند. در هیت سینک میکروکانال مانیفولد(MMC) دارای مانیفولد یا توزیع کننده های جریان است که در بهبود عملکرد سرمایشی هیت سینک میکروکانالی نقش دارند.

مدلسازی هندسی در شکل زیر نشان داده شده است.

 

جنس هیت سینک از آلیاژ آلومینیوم(Al 6063-T83) و جنس قطعه الکترونیکی از سرامیک آلومینا می باشد.

ابعاد مدل هندسی:

 

مش بندی:

 

 

 

 

 

پارامترها و شرط مرزی:

فشار تماس (Pc) و تولید گرما در سرامیک به صورت زیر تعریف شده است:

جریان آرام در ورودی با سرعت میانگین 0.85 متر بر ثانیه و دمای 22 درجه سانتیگراد می باشد. در خروجی گرما به صورت همرفت می باشد. در فصل مشترک بین هیت سینک و قطعه الکترونیکی، شرط مرزی تماس حرارتی استفاده می شود. مقاومت تماس حرارتی عامل مهمی در طراحی سرمایش وسایل الکترونیکی است که بر عملکرد سرمایشی هیت سینک تاثیر قابل توجهی می گذارد.

نتایج شبیه سازی کامسول:

نتایج میدان دمایی در هیت سینک:

 

نتایج دمای فوقانی و تحتانی سطح:

 

نتایج سطوح همدما:

 

 

 

نتایج میدان سرعت:

 

 

نتایج فشار: