تقاضای رو به رشد برای کوچک‌سازی محصولات در تمام بخش‌های صنعتی، با رقابت جهانی برای اطمینان بیشتر، سرعت بیشتر و محصولات مقرون‌به‌صرفه همراه شده است و منجر به چالشهای جدیدی برای طراحی و بهره برداری سیستمهای مدیریت حرارتی شده است. افزایش سریع در تعداد ترانزیستورها بر روی تراشه، با افزایش قابلیت یا قدرت و درنتیجه شار حرارتی بالاتر، یکی از این چالش بزرگ در صنعت الکترونیک است. تکنولوژیهای مبدل حرارت و مبدل جرم میکروکانال در حال پیدا کردن کاربردهای جدید در صنایع گوناگون به‌عنوان یک راهحل امیدوارکننده برای تغییر تکنولوژیها است. در این راه ما نسل بعدی سیستمهای مدیریت حرارتی با کارایی بالا را طراحی و راه‌اندازی میکنیم. در این فصل با اصول میکروکانالها برخورد خواهیم کرد. با معرفی تاریخچه، زمینه‌های فنی، طبقه‌بندی، مزایا و معایب میکروکانالها شروع میکنیم. روش ساخت (تکنولوژی متداول و تکنولوژی مدرن) برای میکروکانالها در کنار هم در نظر گرفته می شود. در نهایت، ارتباط افت فشار و ضریب انتقال حرارت برای جریان تک فاز برای انواع شرایط جریان داخلی ارائه خواهد شد.
1-4-2 تاریخچه میکروکانالها
کارهای زیادی برای انتقال حرارت تک فاز در میکروکانالها توسط تاکرمن[6] و پیز[7] [3] برای خنک‌سازی مدارات یکپارچه در مقیاس بسیار بزرگ (VLSI)[8] انجام شد. در سالهای اول تاکرمن و پیز [3] اولین توضیح را برای بیان مفهوم چاه حرارتی میکروکانال دادند و پیش‌بینی کردند که خنککاری جابه‌جایی اجباری تک فاز در میکروکانالها می‌تواند ۱۰۰۰ وات بر مترمربع حرارت را حذف کند. جابه‌جایی اجباری در کانال و تزریق مایع برای خنک کاری سریعتر و در مقیاس بزرگ‌تر در صنعت برای چند دهه استفاده شد. انتقال حرارت میکروکانال، در مقایسه با هوای معمولی و مایع سیستمهای سرد دارای ضریب انتقال حرارت بالا، همراه با پتانسیل بالا برای ضریب انتقال حرارت و افت فشار متوسط میباشد. انتقال حرارت میکروکانال، به پدیده‌ای محبوب و جالب برای پژوهشگران تبدیل شده است. به‌عنوان مثال، برای خنک کاری چاه حرارتی میکروکانال باقدرت بالا با آرایش دیود لیزری حذف شار حرارت ۵۰۰ وات بر مترمربع اثبات شده است. در چند دهه گذشته، مطالعات انجام‌شده روی جریان دو فازی و ویژگی‌های انتقال حرارت در جریان میکروکانال، به توسعه سریع میکرودستگاه‌های مورد استفاده برای کاربردهای مهندسی مختلف مانند دستگاههای پزشکی، مبدل‌های حرارتی فشرده با شار حرارت بالا، خنک کاری میکروالکترونیک با چگالی قدرت، ابررایانه‌ها، پلاسما و لیزرهای قوی و … منجر شده است.
1-4-3 معرفی میکروکانالها
در اغلب موارد خنککاری موردنیاز بیش از ۱۰۰ وات بر مترمربع است که به‌راحتی نمی‌توان با سیستمهای ساده خنککاری هوا و یا خنککاری آب، خنک کاری را انجام داد. در بسیاری از کاربردها، به دلیل دفع شار حرارت بالا از اجزا، چاه حرارتی موردنیاز باید بزرگ‌تر از اجزای خود باشد. بااین‌وجود، نقاط داغ معمولا ظاهر میشود و سطوح غیریکنواخت شار حرارت در سطح چاه حرارتی مشاهده می شود. محققان چاه حرارتی جدیدی را توسعه دادند که می‌تواند به‌طور مستقیم در پشت منبع حرارت برای حذف شار گرمایی یکنواخت جاسازی شود. از قانون سرمایش نیوتن می‌دانیم که برای یک اختلاف دما ثابت، شار گرما به حاصل hA بستگی دارد که در آن h ضریب انتقال حرارت است و
A مساحت سطح انتقال حرارت است. بنابراین، در راستای تحقق نیاز به دفع شار حرارت بالا، حاصل hA افزایش مییابد و ازآنجاکه ضریب انتقال حرارت h به قطر هیدرولیک مرتبط است، افزایش سطح نیز یک گزینه است. سطح انتقال حرارت را می‌توان با بهره گرفتن از میکروکانالها در بدنه (سطح تراشه)، محصول افزایش داد. رفتار جریان آب در داخل کانال توسط قطر هیدرولیکی کانال و سطح مقطع کانال تعیین میشود. برای دست‌یابی به انتقال حرارت بالا، قطر هیدرولیکی کوچک‌تر و سطح انتقال حرارت بزرگ‌تر کانال ترجیح داده میشود، بنابراین کانالهای متعدد تنگ با عمق بالا مناسب میباشد. قطر هیدرولیکی کوچک و سطح مقطع گسترده‌تر باعث افزایش افت فشار و درنتیجه نیاز قدرت پمپاژ بیشتر است. از سوی دیگر، افزایش سطح مقطع سطح گرم، نرخ انتقال حرارت را افزایش میدهد. این شرایط را می‌توان با نسل آینده میکروکانالها که دارای قطر هیدرولیکی بزرگ‌تر، سطح مقطع بزرگ‌تر و همچنین ضریب انتقال حرارت بالاتر است، تنظیم کرد.
1-4-4 طبقه‌بندی میکروکانالها و مینیکانالها
میکروکانالها را به روش‌های مختلف می‌توان طبقه‌بندی کرد. برخی از محققین معیارهای مختلف برای مینیکانالها در مقابل میکروکانالها پیشنهاد کرده‌اند. ساو[9] و گریف[10] [4] یک معیار برای طبقه‌بندی میکروکانالها پیشنهاد کردند به شرح زیر است:
l≥dh باشد که l ثابت لاپلاس و dh قطر کانال است.
مهندل[11] و همکاران [5] از قطر هیدرولیکی برای طبقه‌بندی میکرو مبدل حرارتی استفاده کردند که به شرح زیر است،
| مبدل حرارتی مقیاس میکرو: | 1 mm ≤ dh ≤ 100 mm |
| مبدل حرارتی مقیاس مزو: | 100 mm ≤ dh ≤ 1 mm |
| مبدل حرارتی فشرده: | 1 mm ≤ dh ≤ 6 mm |
| مبدل حرارتی متداول: | dh > 6 mm |
کاندلیکار[12] [6] یک طبقه‌بندی میکروکانال برای تک فاز همانند دو فاز پیشنهاد داد که به صورت زیر است،
| کانالهای متداول: | dh > 3 mm |
| مینیکانالها: | 200 mm ≤ dh ≤ 3mm |
| میکروکانالها: | 10 mm ≤ dh ≤ 200 mm |
پالم[13] [7] یک تعریف کلیتر از میکروکانالها ارائه داد که آن ها را به‌عنوان المانهای انتقال حرارت توصیف کرد که در آن تئوریهای کلاسیک به‌درستی نمی‌تواند ضریب اصطکاک و انتقال حرارت را پیش‌بینی کند. استفان[14] یک میکرو سیستم تعریف کرد که در آن پدیده‌های معمول یک سیستم ماکرو وجود ندارد. بنابراین برای تمایز مینی و میکروکانالها با قطر خاص مانند قطر هیدرولیکی از ۱ میلی‌متر همیشه مفید نیست، اگرچه این تعریف اغلب استفاده میشود.
1-4-5 مزایا و چالشهای میکروکانالها
جریان در میکروکانالها، در دو دهه گذشته به‌طور گستردهای مورد بررسی بوده است این بررسیها برای خنک‌سازی مؤثر و سریعتر دستگاههای الکترونیکی با چگالی قدرت بالا بوده است. ضریب انتقال حرارت بالای نهفته در میکروکانالها، توانایی کاهش اندازه مبدل‌های حرارتی به‌طور قابل‌توجه را دارد. از دیگر مزایای میکروکانالها کاهش وزن، حجم کم و کاهش استفاده از مواد میباشد. کاهش قطر میکروکانالها در بیشتر مبدل‌های حرارتی فشرده باعث افزایش ضریب انتقال حرارت به‌واسطه سطح وسیع‌تر در واحد حجم میشود. میکروکانالها کاربردهای گسترده عملی در زمینه‌های بسیار تخصصی، ازجمله مهندسی زیست و سیستمهای جریانی میکرو ساخت[15]، میکروپمپها و میکرولولههای حرارتی دارند. به‌عنوان مثال، تراکم و وزن پایین میکروکانالها، صنعت خودرو را دگرگون کرد. مبدل‌های حرارتی کوچک و میکروکانالها، امروز جایگزین لولههای مدور در کندانسورهای خودرو و مبدل‌های حرارتی با قطر هیدرولیک در حدود ۱ میلی‌متر شده است. اخیرا، میکروکانالها با موفقیت در سیستمهای تهویه مطبوع خودرو، سلول‌های سوختی و میکروالکترونیک اعمال‌شده‌اند. چالش اصلی میکروکانالها، مشکلات ساخت و فیلتر کردن سیال عامل با درجه بالا، برای آن‌که از طریق کانال‌ها جریان یابد. افت فشار بالا و توان پمپاژ موردنیاز نیز از چالشهای میکروکانالها در نظر گرفته می شود.
1-4-6 روش‌های ساخت میکروکانالها
میکروکانالها توسط انواع فرایندها، بسته به ابعاد و مواد استفاده‌شده در آن ها ساخته میشوند. مواد رایج مورد استفاده برای میکروکانالها سیلیکون، سیلیس، پلی کربنات، پلیمیدها، پلاستیک و یا فلز هستند. میکروکانالها، دارای مقاطع مستطیل، نیم‌دایره، مثلث و یا ذوزنقهای هستند که به‌طور گسترده در متون گزارش‌شده و توسط نگوین[16] و ورلی[17] [8] خلاصه شده است
فرم در حال بارگذاری ...
