Koelsystemen die een vloeistof gebruiken die van fase verandert, zoals water dat op een oppervlak kookt, kunnen een belangrijke rol spelen in veel zich ontwikkelende technologieën, inclusief geavanceerde microchips en geconcentreerde zonne-energiesystemen. Maar precies begrijpen hoe dergelijke systemen werken, en welke soorten oppervlakken de overdracht van warmte maximaliseren, is een uitdagend probleem gebleven.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van MIT hebben ontdekt dat relatief eenvoudig, verruwing op microschaal van een oppervlak kan de overdracht van warmte aanzienlijk verbeteren. Een dergelijke benadering zou veel minder complex en duurzamer kunnen zijn dan benaderingen die de warmteoverdracht verbeteren door kleinere patronen in het nanometerbereik (miljardste van een meter). Het nieuwe onderzoek biedt ook een theoretisch kader voor het analyseren van het gedrag van dergelijke systemen, de weg wijzen naar nog grotere verbeteringen.

Het werk is deze maand gepubliceerd in het tijdschrift Technische Natuurkunde Brieven , in een paper met co-auteur van afgestudeerde student Kuang-Han Chu, postdoc Ryan Enright en Evelyn Wang, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde.

“Warmteafvoer is een groot probleem” op veel gebieden, vooral elektronica, Wang zegt; het gebruik van faseovergangsvloeistoffen zoals kokend water om warmte weg te leiden van een oppervlak "is al tientallen jaren een gebied van aanzienlijk belang." Maar tot nu toe, er is geen goed begrip van parameters die bepalen hoe verschillende materialen - en met name oppervlaktetextuur - de warmteoverdrachtsprestaties kunnen beïnvloeden. “Vanwege de complexiteit van het faseveranderingsproces, het is pas sinds kort dat we de mogelijkheid hebben om oppervlakken te manipuleren om het proces te optimaliseren, Wang zegt, dankzij de vooruitgang in micro- en nanotechnologie.

Chu zegt dat een belangrijke potentiële toepassing zich in serverfarms bevindt, waar de noodzaak om veel processors koel te houden aanzienlijk bijdraagt ​​aan de energiekosten. Hoewel dit onderzoek het gebruik van water voor koeling analyseerde, hij voegt eraan toe dat het team "gelooft dat dit onderzoek generaliseerbaar is, ongeacht de vloeistof.”

Het team concludeerde dat de reden waarom oppervlakteruwheid de warmteoverdracht aanzienlijk verbetert - meer dan een verdubbeling van de maximale warmteafvoer - is dat het de capillaire werking aan het oppervlak verbetert, helpen een lijn van dampbellen "vastgepind" te houden aan het warmteoverdrachtsoppervlak, het vertragen van de vorming van een damplaag die de koeling sterk vermindert.

Om het proces te testen, de onderzoekers maakten een reeks siliciumwafels ter grootte van een postzegel met verschillende gradaties van oppervlakteruwheid, inclusief enkele perfect vloeiende voorbeelden ter vergelijking. De ruwheidsgraad wordt gemeten als het gedeelte van het oppervlak dat in contact kan komen met een vloeistof, in vergelijking met een volledig glad oppervlak. (Bijvoorbeeld, als je een stuk papier verfrommeld hebt en het vervolgens weer platdrukt zodat het een gebied bedekt dat half zo groot is als het originele vel, dat zou een ruwheid van 2 vertegenwoordigen.)

De onderzoekers ontdekten dat het systematisch verhogen van de ruwheid leidde tot een evenredige toename van het warmteafvoervermogen, ongeacht de afmetingen van de oppervlakteverruwingskenmerken. De resultaten toonden aan dat een eenvoudige opruwen van het oppervlak de warmteoverdracht net zoveel verbeterde als de beste eerdere bestudeerde technieken, die een veel complexer proces gebruikte om patronen op nanoschaal op het oppervlak te produceren.

Naast het experimentele werk, het team ontwikkelde een analytisch model dat heel precies overeenkomt met de waargenomen resultaten. Onderzoekers kunnen dat model nu gebruiken om oppervlakken te optimaliseren voor bepaalde toepassingen.

"Er is een beperkt begrip van wat voor soort constructies je nodig hebt" voor effectieve warmteoverdracht, zegt Wang. Dit nieuwe onderzoek "dient als een belangrijke eerste stap" in de richting van een dergelijke analyse.

Het blijkt dat warmteoverdracht bijna volledig een functie is van de algehele ruwheid van een oppervlak, Wang zegt, en is gebaseerd op het evenwicht tussen verschillende krachten die inwerken op de dampbellen die dienen om warmte af te voeren:oppervlaktespanning, momentum en drijfvermogen.

Hoewel de meest directe toepassingen waarschijnlijk in hoogwaardige elektronische apparaten zouden zijn, en misschien in geconcentreerde zonne-energiesystemen, dezelfde principes kunnen van toepassing zijn op grotere systemen zoals ketels voor krachtcentrales, ontziltingsinstallaties of kernreactoren, zeggen de onderzoekers.

Satish Kandlikar, een professor werktuigbouwkunde aan het Rochester Institute of Technology die niet bij dit werk betrokken was, zegt dat het "opmerkelijk is om zulke grote warmtestromen te bereiken" op siliciumoppervlakken zonder complexe micro- of nanofabricageprocesstappen. Deze ontwikkeling opent deuren naar een nieuwe klasse van oppervlaktestructuren die micro- en nanoschaalkenmerken combineren.” Hij voegt eraan toe dat het MIT-team “gecomplimenteerd moet worden voor deze belangrijke onderzoeksbevinding. Het zal nieuwe richtingen geven, vooral in toepassingen voor chipkoeling.”

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.