Bedre overflader kan hjælpe med at sprede varme

Kølesystemer, der bruger en væske, der skifter fase - såsom vand, der koger på en overflade - kan spille en vigtig rolle i mange udviklingsteknologier, inklusive avancerede mikrochips og koncentrerede solenergisystemer. Men at forstå præcis, hvordan sådanne systemer fungerer, og hvilke slags overflader maksimerer overførslen af ​​varme, er fortsat et udfordrende problem.

Nu, forskere ved MIT har fundet ud af, at relativt enkelt, Mikroskala ru af en overflade kan dramatisk forbedre dens overførsel af varme. En sådan tilgang kunne være langt mindre kompleks og mere holdbar end tilgange, der forbedrer varmeoverførslen gennem mindre mønstre i nanometerområdet (milliarddele af en meter). Den nye forskning giver også en teoretisk ramme til at analysere adfærden af ​​sådanne systemer, viser vejen til endnu større forbedringer.

Værket blev offentliggjort i denne måned i tidsskriftet Anvendt fysik bogstaver , i et papir medforfatter af kandidatstuderende Kuang-Han Chu, postdoc Ryan Enright og Evelyn Wang, en lektor i maskinteknik.

"Varmeafledning er et stort problem" på mange områder, især elektronik, Wang siger; brugen af ​​faseskiftende væsker såsom kogende vand til at overføre varme væk fra en overflade "har været et område af betydelig interesse i mange årtier." Men indtil nu, der har ikke været en god forståelse af parametre, der bestemmer, hvordan forskellige materialer – og især overfladeteksturering – kan påvirke varmeoverførselsydelsen. "På grund af kompleksiteten i faseændringsprocessen, det er først for nylig, at vi har en evne til at manipulere" overflader for at optimere processen, Wang siger, takket være fremskridt inden for mikro- og nanoteknologi.

Chu siger, at en stor potentiel applikation er i serverfarme, hvor behovet for at holde mange processorer kølige bidrager væsentligt til energiomkostningerne. Mens denne forskning analyserede brugen af ​​vand til afkøling, han tilføjer, at holdet "mener, at denne forskning er generaliserbar, uanset hvilken væske."

Holdet konkluderede, at grunden til, at overfladeruheden i høj grad forbedrer varmeoverførslen - mere end en fordobling af den maksimale varmeafledning - er, at den forbedrer kapillærvirkningen ved overfladen, hjælper med at holde en linje af dampbobler "fast" til varmeoverførselsoverfladen, forsinke dannelsen af ​​et damplag, der i høj grad reducerer afkøling.

For at teste processen, forskerne lavede en serie siliciumwafere i frimærkestørrelse med varierende grader af overfladeruhed, inklusive nogle perfekt glatte prøver til sammenligning. Graden af ​​ruhed måles som den del af overfladearealet, der kan komme i kontakt med en væske, sammenlignet med en fuldstændig glat overflade. (For eksempel, hvis du krøllede et stykke papir og derefter fladede det ud igen, så det dækkede et område halvt så stort som det originale ark, det ville repræsentere en ruhed på 2.)

Forskerne fandt ud af, at systematisk stigende ruhed førte til en proportional stigning i varmeafledningsevnen, uanset dimensionerne af overflade-opruning funktionerne. Resultaterne viste, at en simpel runing af overfladen forbedrede varmeoverførslen lige så meget som de bedste tidligere undersøgte teknikker, som brugte en meget mere kompleks proces til at producere nanoskalamønstre på overfladen.

Ud over det eksperimentelle arbejde, holdet udviklede en analytisk model, der meget præcist matcher de observerede resultater. Forskere kan nu bruge den model til at optimere overflader til bestemte applikationer.

"Der har været begrænset forståelse af, hvilken slags strukturer du har brug for" for effektiv varmeoverførsel, siger Wang. Denne nye forskning "tjener som et vigtigt første skridt" mod en sådan analyse.

Det viser sig, at varmeoverførsel næsten udelukkende er en funktion af en overflades generelle ruhed, Wang siger, og er baseret på balancen mellem forskellige kræfter, der virker på dampboblerne, der tjener til at sprede varme:overfladespænding, momentum og opdrift.

Mens de mest umiddelbare anvendelser sandsynligvis vil være i højtydende elektroniske enheder, og måske i koncentrerede solenergisystemer, de samme principper kunne gælde for større systemer såsom kraftværkskedler, afsaltningsanlæg eller atomreaktorer, siger forskerne.

Satish Kandlikar, en professor i maskinteknik ved Rochester Institute of Technology, som ikke var involveret i dette arbejde, siger, at det er "ganske bemærkelsesværdigt at opnå varmestrømme" så store som disse "på siliciumoverflader uden komplekse mikro- eller nanofabrikationsprocestrin. Denne udvikling åbner døre til en ny klasse af overfladestrukturer, der kombinerer mikro- og nanoskalafunktioner." Han tilføjer, at MIT-teamet "bør komplimenteres for dette store forskningsresultat. Det vil give nye retninger, især inden for chip-kølingsapplikationer."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.