Kekasaran Permukaan Membantu Konduktivitas Panas

Originally in English (Translated by Google Translate)
David Chandler, 26 June 2012
Massachusetts Institute of Technology





Scanning mikrograf elektron (SEM) dari permukaan silikon microstructured untuk percobaan mendidih. Dimensi dari micropillars yang didefinisikan dengan baik untuk memungkinkan studi sistematis efek kekasaran permukaan pada fluks panas kritis (CHF).
Gambar: Kuang Chu-Han et al, Fisika Terapan Surat
26 Juni 2012


Berbagi di Facebook Berbagi di twitter pada reddit Lebih Berbagi Berbagi ServicesShare pada email
Sistem pendingin yang menggunakan cairan yang mengubah fase - seperti air mendidih pada permukaan - dapat memainkan bagian penting dalam teknologi berkembang, termasuk microchip maju dan terkonsentrasi surya daya sistem. Tapi memahami persis bagaimana kerja sistem tersebut, dan apa jenis permukaan memaksimalkan transfer panas, tetap menjadi masalah yang menantang.



Sekarang, para peneliti di MIT telah menemukan bahwa relatif sederhana, roughening mikro dari permukaan secara dramatis dapat meningkatkan transfer panas. Pendekatan seperti itu bisa jauh lebih kompleks dan lebih tahan lama daripada pendekatan yang meningkatkan perpindahan panas melalui pola yang lebih kecil dalam nanometer (billionths meter) jangkauan. Penelitian baru juga memberikan kerangka teoritis untuk menganalisis perilaku sistem seperti ini, menunjukkan jalan untuk perbaikan yang lebih besar.


Pekerjaan itu diterbitkan bulan ini dalam jurnal Applied Physics Letters, dalam kertas co-ditulis oleh mahasiswa pascasarjana Kuang-Han Chu, Postdoc Ryan Enright dan Evelyn Wang, seorang profesor teknik mesin.


"Pelepasan panas adalah masalah utama" di berbagai bidang, terutama elektronik, Wang mengatakan, penggunaan fase perubahan cairan seperti air mendidih untuk mentransfer panas dari permukaan yang "telah menjadi bidang yang menarik perhatian selama beberapa dekade." Tapi sampai sekarang, belum ada pemahaman yang baik tentang parameter yang menentukan bagaimana bahan yang berbeda - dan terutama tekstur permukaan - dapat mempengaruhi perpindahan panas kinerja. "Karena kompleksitas dari proses fase-perubahan, itu hanya baru-baru ini bahwa kita memiliki kemampuan untuk memanipulasi" permukaan untuk mengoptimalkan proses, Wang mengatakan, berkat kemajuan dalam mikro dan nanoteknologi.


Chu mengatakan aplikasi potensial utama adalah di peternakan server, di mana kebutuhan untuk menjaga prosesor dingin banyak memberikan kontribusi signifikan terhadap biaya energi. Sedangkan penelitian ini dianalisis penggunaan air untuk pendinginan, ia menambahkan bahwa tim "percaya penelitian ini adalah digeneralisasikan, tidak peduli apa cairan."


Tim itu menyimpulkan bahwa kekasaran permukaan alasan sangat meningkatkan transfer panas - lebih dari dua kali lipat pembuangan panas maksimal - adalah meningkatkan kapiler di permukaan, membantu menjaga garis uap gelembung "disematkan" pada permukaan perpindahan panas, menunda pembentukan dari lapisan uap yang sangat mengurangi pendinginan.


Untuk menguji proses, para peneliti membuat serangkaian perangko-perangko berukuran wafer silikon dengan berbagai tingkat kekasaran permukaan, termasuk beberapa sampel yang sangat halus untuk perbandingan. Tingkat kekasaran diukur sebagai bagian dari luas permukaan yang dapat datang ke dalam kontak dengan cairan, dibandingkan dengan permukaan yang benar-benar halus. (Sebagai contoh, jika Anda meremas selembar kertas dan kemudian diratakan kembali keluar sehingga ditutupi setengah luas seluas lembar asli, yang akan mewakili kekasaran 2.)


Para peneliti menemukan bahwa kekasaran sistematis meningkat menyebabkan peningkatan proporsional dalam kemampuan disipasi panas, terlepas dari dimensi dari permukaan-roughening fitur. Hasil penelitian menunjukkan bahwa roughening sederhana transfer panas permukaan meningkat sebanyak teknik sebelumnya terbaik dipelajari, yang menggunakan proses yang jauh lebih kompleks untuk menghasilkan pola skala nano di permukaan.


Selain karya eksperimental, tim mengembangkan model analitik yang sangat tepat sesuai dengan hasil yang diamati. Para peneliti sekarang dapat menggunakan model yang mengoptimalkan permukaan untuk aplikasi tertentu.


"Ada pemahaman yang terbatas tentang apa jenis struktur Anda perlu" untuk transfer panas yang efektif, Wang mengatakan. Penelitian baru ini "berfungsi sebagai langkah pertama yang penting" menuju analisis tersebut.


Ternyata transfer panas hampir seluruhnya merupakan fungsi dari kekasaran permukaan secara keseluruhan, Wang mengatakan, dan didasarkan pada keseimbangan antara berbagai kekuatan yang bekerja pada gelembung uap yang berfungsi untuk mengusir panas: tegangan permukaan, momentum dan daya apung.


Sedangkan aplikasi yang paling cepat kemungkinan akan dalam performa tinggi perangkat elektronik, dan mungkin terkonsentrasi surya daya sistem, prinsip yang sama bisa berlaku untuk sistem yang lebih besar seperti boiler powerplant, tanaman desalinasi atau reaktor nuklir, kata peneliti.


Satish Kandlikar, seorang profesor teknik mesin di Rochester Institute of Technology yang tidak terlibat dalam pekerjaan ini, kata itu adalah "sangat luar biasa untuk mencapai fluks panas" sama besarnya dengan ini "pada permukaan silikon tanpa kompleks langkah-langkah proses mikro atau nanofabrication. Perkembangan ini membuka pintu untuk kelas baru struktur permukaan menggabungkan fitur mikro dan nano "Dia menambahkan bahwa tim MIT" harus dipuji untuk penelitian besar menemukan.. Ini akan memberikan arah baru terutama dalam chip pendinginan aplikasi. "


Penelitian ini didukung oleh Battelle Memorial Institute dan Angkatan Udara Kantor Penelitian Ilmiah. Tim ini mendapat bantuan dalam fabrikasi dari Lab MIT Teknologi Microsystems.


Read the original version here : MIT News