miniの性能向上 - 台湾ホワイトストーン株式会社

Scientific Reports volume 12、記事番号: 9402 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

ナノ流体と変化する断面のミニチャネルヒートシンク効果の組み合わせは、効果的に冷却される小型電子デバイスなどの熱デバイスの使用にとって注目に値する選択肢となっています。この論文では、異なる種類のナノ流体を使用した場合の三次元の直線と波形のチャネル構成の比較を数値的に調査しました。波の振幅と特定の種類の体積分率（酸化銅 CuO、ダイモンド Al2O3、酸化鉄 Fe3O4、酸化チタン TiO2、銀 Ag ナノ流体）の効果が提供されています。波の 3 つの振幅（0.15 mm、0.2 mm、0.25 mm） ) および 200 ～ 1000 のレイノルズ数と 0 ～ 0.075 の濃度体積変化が使用されます。ミニチャネルの熱抵抗、圧力降下、摩擦係数への影響が表示されます。ミニチャネルシンクの熱伝達効率が観察されます。冷却剤として蒸留水を追加した場合、直線チャネルと比較して熱効率が大幅に向上し、その結果は、ナノ流体と波状ミニチャネルがヒートシンクの水熱効率を向上させ、熱伝達の点でAg-水ナノ流体が優れていることを示しています他のナノ流体では、ヌッセルト数の増加は、濃度体積 0.075 で 54% に達しました。

前世紀の最後の四半世紀、1965 年にマイクロ電子デバイスの発明がエレクトロニクス業界に革命をもたらしました。ムーア氏はこのサムネイルを見て、集積回路内のトランジスタの数が「2 年ごとに」2 倍になり、それが 2 倍になると予測したことを示しました。今後も続けてください。ここ数十年、従来のエネルギー源や環境汚染問題に対する制約により、技術者は熱システムの効率を回復するよう促されてきました。これらの機器は動作中に熱を発生し、効果的かつ信頼性の高い動作を行うためには継続的に熱を取り出す必要があるからです。

この目的のためにヒートシンクが使用されます。空冷ヒートシンクは最も広く使用されている電子プロセッサ冷却装置であり、熱伝導率と空気熱容量が低いため、これらのシステムは小さな寸法の高速プロセッサを冷却することができず、その結果、熱流が非常に高い。液冷ヒートシンクは空気に比べて優れた性能を持っていますが、従来の作動流体は熱性能が低いという特徴があるため、これらの分散剤の性能向上が研究者の注目を集めています。そのため、従来の作動流体の代わりにより優れた熱特性を持つ流体を使用する必要があります。液体は、従来の液体よりも熱伝導率が高いナノ流体として知られており、したがって、最近の研究では、実験および実験としてナノスケールの液体を使用して熱伝達を強化することに焦点を当てているため、ベース流体に固体粒子を分散させると、主要な流体の熱特性が上昇する可能性があります。分析研究により、ナノスケール流体の熱コンダクタンスは従来の液体よりも大きく、したがってデバイスの冷却においてより効率的であることが示されています。

ナノ流体を冷却剤として使用する効果は、Mohammed et al.1 によって、長方形に形成されたマイクロチャネルヒートシンク (MCHS) 内の流体の流れと熱伝達の特徴に関して数値的に研究されています。酸化アルミニウムと水を冷却液として使用します。その結果、ナノ粒子の体積分率が増加すると、ヒートシンクの熱抵抗は減少しますが、熱伝達係数と壁せん断応力は増加することがわかりました。

長方形、台形、および三角形のマイクロチャネルヒートシンクは、Gunnasegaran らによって数値的に研究されました2。その結果、水力直径が小さいヒートシンクではより高い熱伝達率が達成できることが示されました。三次元形状では冷却液として水が使用されました。

Farsad ら 3 は、3 種類のナノ粒子 (Al2O3-H2O、CuO-H2O、および Cu-H2O) ナノ流体を冷却剤として使用して、銅から作られたマイクロチャネルヒートシンク (MCHS) の数値研究を発表しました。結果は、(Al2O3/H2O) ナノ流体マイクロチャネルヒートシンク (0.08) の冷却能力が、蒸留水マイクロチャネルヒートシンクと比較して約 4.5% 向上することを示しました。また、純粋なマトリックスナノマテリアルの高い熱伝導率により、酸化物マトリックスナノマテリアルよりも高い熱増強が生じます。

Ho と Chen4 は、長方形のミニチャネルヒートシンク内の冷却流体として (Al2O3/H2O) ナノ流体の熱的性能を実験的に研究しました。結果は、ナノ流体冷却ヒートシンクが有意に高い平均熱伝達係数を有し、後に水冷ヒートシンクを追い越すことを示した。

純水の代わりに (Al2O3 – H2O) ナノ流体を作動流体として使用した長方形のミニチャネルヒートシンクの熱効率が、Sohel らによって実験的に検査されました。その結果、熱伝達係数が最大 18% 向上したことがわかりました。ナノ流体は、ヒートシンクのベース温度 (約 2.7 °C) を純水まで低下させることが重要でした。

Xia et al.6 は、異なる入口/出口位置 (I、Z、C タイプ) を備えたマイクロチャネルヒートシンク内の流体の流れと熱の伝達を数値的に研究しました。作動冷却液として水が選択されました。その結果、流速の均一性は I タイプの方が比較的良好であり、Z タイプの場合は不良であることがわかりました。

波形マイクロチャネルヒートシンクとナノ流体の応用は、Sakanova et al.7 によって数値的に研究されました。ダイヤモンドアルミナと純水を冷却剤として利用した。上下の平行な波状壁を備えた 3 次元幾何学形状を調査しました。その結果、波状壁の効果により、ダイモンドアルミナ混合物と比較して明らかに熱伝達が向上することがわかった。 Sivkumar ら 8 は、蛇行形状のマイクロチャネルヒートシンク内の (アルミナ Al2O3 および酸化銅 CuO-H2O) ナノ流体における強制対流熱伝達性能を実験的に研究しました。結果は、CuO/水ナノ流体の熱伝達係数がAl2O3-H2Oおよび蒸留水と比較して拡大したことを示した。

Li ら 9 は、流量制御装置 (円柱、長方形、突起、V 溝) を使用して、マイクロチャネル内の Al2O3 – H2O ナノ流体の層流対流の熱伝達とエントロピー生成の改善を調べました。この調査の結果、長方形デバイスのマイクロチャネルの相対摩擦係数 f/f0 が他の形状よりも大幅に大きいことがわかりました。

Liu ら 10 は、均一ではない入口を備えたミニチャネルヒートシンクの挙動を数値的に研究しました。彼らは、ミニチャネルヒートシンクの動作が流体の流れの再分配によって実際に影響を受ける可能性があり、不均一なバッフルを使用すると、ミニチャネルヒートシンクの全体的な熱抵抗が 9.9 ～ 13.1 パーセントの範囲で低下する可能性があることを示しました。

Zhang et al.11 は、マルチポートミニチャネルフラットチューブ (MMFT) における 2 つの熱伝達改善方法 (パッシブマイクロフィン構造とアクティブナノ流体) を使用して、熱伝達と圧力降下の特徴を実験的に調査しました。この研究では、レイノルズ数が 3600 に等しい場合、ヌッセルト数が 158% まで上昇することが示されました。

新しい設計（二層配置）ヒートシンクが Tang らによって提案されました 12。彼らの研究結果は、二重層構造が水平方向と垂直方向の両方で熱交換を高め、その結果、均一な温度分布と優れた熱伝達効率を提供することを示しています。

2 つの断面ヒートシンク (長方形および円形の断面形状) の冷却実行に対する CuO-H2O ナノ流体の効果は、Ghasemii らによって数値的に研究されました 13。同様のレイノルズ数での円形チャネルと長方形チャネルのコントラストの結果、長方形チャネルを備えたヒートシンクの方が熱抵抗が小さいことがわかります。

Feng et al.14 は、ワイヤーコイルが挿入された長方形のマイクロチャネルヒートシンクにおける層状液体流の性能と熱伝達を検証する数値調査を実施しました。結論として、ワイヤコイルによって生成される縦方向の渦により、マイクロチャネルヒートシンクの熱伝達効率が大幅に向上しますが、同時に流れ抵抗も増大することがわかりました。

Abdollahi et al.15 は、水系流体 (SiO2、Al2O3、ZnO、CuO) 中のさまざまな酸化物ナノ流体を使用し、(V) タイプの入口/出口事前配置を備えたマイクロチャネルヒートシンク内の層流ナノ流体流の熱伝達と流体の流れの特徴を数値的に観察しました。。結果は、研究された他のナノ流体と比較して、SiO2 ナノ流体が最も高い熱伝達率を有することを示しました。

円筒形ヒートシンクにおける流動特性と熱伝達は、Sabamowo et al.16 によって調査されました。彼らは、チャネルのらせん角度の減少とチャネルのアスペクト比の増加により、平均熱伝達係数と圧力降下が改善できることを明らかにしました。 Khodabandeh と Abbassi17 は、横角 (75°、60°、45°、30°) を持つ台形マイクロチャネルを備えたヒートシンクの熱効率を数値的に実証しています。冷却剤として Al2o3–H2O を使用しています。角度が 75° の偏向チャネルは、熱伝達量が最も高くなります。

対流熱伝達係数、ベース温度、熱抵抗、および濃縮体積への影響は、Saeed と Kim によって文書化されています18。彼らの結果は、アルミナナノ流体を使用すると、蒸留水と比較して対流熱伝達係数が大幅に増加することを示しています。

ミニチャネルヒートシンクの長方形、円形、台形、正方形のミニチャネルのさまざまな形状の熱解析は、Sinks らによって実験的に研究されました 19。この研究では、他のタイプのミニチャネルと比較して、円形のミニチャネル形状に必要なポンピングパワーは最大であり、長方形のミニチャネルでは最小であることが示されました。

熱伝達を高めるための 3 つの技術が、Naphon らによって実験的に検討されました 20。マイクロチャネルヒートシンク、ナノ流体、ジェットの衝撃。結果は、ベース流体中のナノ粒子の懸濁液が、0.015% のナノ流体強度で対流熱の伝達を 18.56 パーセント大幅に増加させることを示しました。さらに、発生する熱伝達係数は、ノズルの直径が大きくなり、ノズルの高さが低くなるにつれて増加する傾向があります。

Ambreen et al.21 は、Al2O3-水ナノ流体を冷却剤として使用した、円形断面を持つ 72 個のフィンを含むヒートシンクの熱流体特性を数値的に推定しました。上記の調査により、塩基性液体にナノ粒子を添加すると、体積濃度 (0.25、0.5、1)% に対してそれぞれ (8.4、11.5、16) パーセントだけ熱伝達係数の改善率が増加することが証明されました。 Kumar と Sarkar22 は、(Al2O3 – TiO2) ナノ流体を冷却剤として使用し、9 つの平行な長方形のチャネルからなる熱分散の熱伝達と圧力減少特性の実験的および数値的研究を分析しています。数値的および実験的結果は、ナノ粒子の体積濃度が増加することによって圧力と摩擦係数の減少が増加すること、および異なるタイプ、同様の形状およびサイズの粒子を混合しても、熱伝達率に明白な影響をもたらさないことを示した。

Sajid et al.23 は、波状チャネル内の冷却剤としての TiO2 ナノ流体の熱伝達と流体力学的特徴に関する実験研究を調査しました。結果は、ナノ流体があらゆるタイプのヒートシンクに対して純水よりも優れた熱伝達特性を示すことを示しました。ヌッセルト数の最大の増加は、TiO2 ナノ流体からの 0.012% 濃度を使用した場合の 40.57 パーセントとして記録されています。

新しいチャネル設計は、わずかな圧力降下を伴う円筒形のミニチャネルヒートシンクの効率を向上させるために、Abdulqadur et al.24 によって提案されました。コンセプトは、チャネルの方向がまっすぐな入口から波状の経路まで変化する、直線波状ハイブリッドチャネルです。結果は、同様の動作条件下では、直線状の波形チャネルを備えた円筒形ミニチャネルヒートシンクの一般的な出力が、直線状のチャネルを備えたものよりも高いことを示しました。水を冷却液として使用して、実験的および数値的研究を検討しました。

連続熱流束による長方形のマイクロチャネルヒートシンクを通るアルミナ Al2O3/水ナノ流体の熱効率が Kahani25 によって数値的に分析されました。その結果、ナノ粒子の直径の減少によりヌッセルト数が増加することが明らかになりました。ナノ流体流の体積濃度 1 パーセントのレイノルズ数 100 では、ヌッセルト数の最大改善はこれらの条件で 38 パーセントに達しました。

水ミニチャネルヒートシンクの全体効率に対するスラブの厚さの影響は、Tariq らによって数値的に調査されています 26。その結果、ミニチャンネル内のスラブ厚さ（0.2～1.6）mmでは、ベース温度が上昇し、圧力が低下する一方で、熱の伝達が減少することがわかりました。

曲がりくねった水路と冷却剤としてのナノ流体の水力発電と熱効率は、Naranjani et al.27 によって数値的に研究されました。冷却剤として、体積分率が 4% 未満の Al2O3 ナノ粒子を含む水ベースのナノ流体が使用されました。研究者らは、ヒートシンク内の標準チャネルの代わりに波状チャネルを使用すると、熱伝達が (24 ～ 36)% 増加し、ポンピング能力が 31% に増加し、その結果全体の性能が 16 ～ 24% 向上することを示しました。

Ataei et al.28 は、長方形のミニチャネルヒートシンクの熱伝達と熱効率の実験的研究を調査しました。ライノルズ数の範囲は 400 ～ 1000 です。結果は、蒸留水の代わりにハイブリッドナノ流体 Al2O3/TiO2-H2O を使用することにより、最大熱伝達係数が 16.97% に向上し、壁の温度が 5 °C に低下したことを示しました。少なくともライノルズ数。アルミナと酸化チタンのナノマテリアルを別々に使用した別の研究。ミニチャネルヒートシンク内の熱伝達と圧力降下は、Sadegh Moghanlou らによって研究されています 29。この研究の結果は、0.5 体積パーセントの Al2O3 ナノ粒子を分散させるだけで、9.30 パーセントの熱伝達の改善が観察されたことを示しました。 (TiO2 – 水) も収集され、熱伝達が 4.56% 向上したことが実証されました。

ヒートシンク内の垂直フィンを備えた加熱された円筒の周りを流れる Fe3O4-水ナノ流体の水力学的および熱的特徴は、Qi らによって実験的に研究されています 30。研究者らは研究の中で、最大の熱交換出力を得るための最も許容可能な作業条件は、ナノ粒子の質量分率が0.4パーセント、フィンの高さHが3mmであることを発見し、フィンの高さとともに熱効率が増加することを示しました。

新しい 4 チャネル (幅 4 mm、深さ 3.5 mm) の集中型サーマルヒートシンクの形状が、代替流路を使用して Jilte らによって検討されました 31。その結果、純水と比較して冷却されたヒートシンク (Al2O3) の除去率が高く、体積 0.5% と 5% の割合でそれぞれ 2% と 17% 増加したことがわかりました。熱流束の値は、流体流量範囲が 30 ～ 180 mL/min の場合、50 W と 70 W です。

コシュクンとチェトキン32。この研究ではピンフィンとナノマテリアルのそれぞれを個別に扱い、数値研究は以前の実験研究から得られたナノ粒子の特性を使用して検討されました。彼らの結果は、マイクロピンフィンを挿入し、ナノ流体の明確な分画体積比を使用することによって、総熱コンダクタンスが最大化されることを示した。 Muhammad et al.33 によると、さまざまなナノ粒子 (アルミナ、シリカ、銅) を使用したミニチャネル (長手方向に収束 - 発散) の数値研究では、濃度は 0 ～ 0.8 パーセント、レイノルズは 200 ～ 2300 の範囲で、熱流束は 45Kw/m2 でした。アルミナナノ粒子は、他の 2 種類のナノ粒子よりも最大の熱伝達率を持っています。

Naphon et al.34 は、高さの異なるアルミニウム製の長方形のミニチャネルヒートシンクに水と TiO2 ナノ流体の混合物を注入する実験を行いました。この結果は、脱イオン純水と比較してナノ流体の場合、圧力降下がほぼ同じで熱伝達が大幅に向上することを示しました。同じ著者である Naphon et al.35 と、長方形のミニチャネルの同じ幾何学形状について、乱流領域と二相ナノ流体モデルの場合に実験的および数値的に研究されました。結果は、二相モデルの方が単相モデルよりも画分の体積が正確であることを示しました。 Naphon et al.36 は、ANN 技術 (人工ニューラルネットワーク) を使用して、二重管水平配向の熱交換器における熱と摩擦の影響をシミュレートしました。 ANN シミュレーションから得られた結果を実験結果と比較すると、\(\pm \, 2.5\%\) から \(\pm \, 7.5\%\) の誤差範囲で高い精度が得られました。

さまざまな条件でのジェット衝突は、Naphon らによって研究されています。 In37、強度 0.2 パーセントの TiO2 ナノ粒子の二相モデルに対する数値的アプローチ。 38 では、スペースプレートとジェットの直径比の影響を示す実験研究。マイクロチャネルヒートシンクで実験的に研究された 20 フロージェット衝突特性では、体積分率、ノズルの直径、ノズルとヒートシンクの間のスペース、質量のフローレートなどの多くのパラメーターが考慮されます。 CFD を使用した In39 ANN 技術は、マイクロチャネルヒートシンクでのジェット衝突をシミュレートするために使用されます。 In40 さまざまな形状のピンフィン (円形、円錐形、長方形) が実験的に研究されました。結果は、円形のピンが円錐形と長方形よりもそれぞれ 25 パーセントと 12 パーセント高い熱効率を持っていることを示しています。

別の冷却技術は脈動であり、これは Naphon らによって研究されています。 2つの論文で。 41 年の最初のものでは、著者が ANN を使用して、磁場の下でらせん状に巻かれた流体の流れと伝熱管をシミュレートしました。数値結果と実験結果を比較すると、 \(\pm \, 0.025\) から \(\pm \, 0.05\) の範囲の誤差が生じます。 2 番目の論文では、Naphon ら 42 は、ANFIS (適応神経ファジィ推論システム) と呼ばれる別のアプローチを使用して、磁場下のらせん波状管内の流体と熱を模倣しました。数値データと実験データを比較すると高い精度が得られます。

Line et al.43 は、有限体積アプローチを使用した波状マイクロチャネルの数値研究を調査しました。波長、振幅、および波長と振幅の 3 つの変数構成が検査されます。結果は、従来の長方形のマイクロチャネルと比較して、3 つの構成でパフォーマンスが向上していることを示しています。 Mustafa et al.44 は実験的および数値的研究を検討しました。 3 つの異なる円筒形マイクロチャネルの比較。1 つは直線、2 つ目は平行な波状、3 つ目は螺旋構造です。結果は、らせん形状が波状や直線形状よりも優れた熱水性能をもたらすことを示しています。

Shahd et al.45 は、層流領域における円筒形ヒートシンクの波形断面積と平坦断面積を比較する数値研究を実施しました。酸化銅と水を混合したものを作動流体として使用しました。結果は、波状の表面によりヒートシンクの壁温度が平らなヒートシンクの壁温度よりも 20.47 °C に低下することが示されました。

直線ミニチャネル断面積と収束発散ミニチャネル断面積の比較は、Zahraa et al.46 によって数値的に研究されました。 Fe3O4 と Ag の 2 種類のナノ流体が冷却流体として水と混合して使用されます。シミュレーションは有限要素法を利用して行われました。

前述の文献レビューによると、ミニチャネルヒートシンク内の熱伝達率は、チャネルの形状と使用される冷却剤の種類に大きく依存します。研究者らは、長方形、三角形、円形のチャネルヒートシンクを幅広く改良しました。ただし、波形チャネルヒートシンクはまだ理解の研究段階にあり、その水力効率と熱効率に関する最小限の文献しか入手できません。波状ミニチャネル内の流体の流れと熱伝達の研究を扱う前に出版された論文が 3 つあります。それらは参考文献 23、参考文献 27 と参考文献 44 です。参考文献 23 では、平行な波状壁を使用した実験研究が調査されました。参考文献 27 および 44 では、流れに平行な壁が平行な同一の経路を持つ一連の平行な波形を備えたコンパクトなヒートシンクの FVM 研究の数値が示されています。本研究では、1 つの特定のチャネルにおける長方形と波状の熱伝達率、流体の流れ構造、および摩擦係数の比較を 3 次元幾何学的に検討しました。この作品の波状流路は平行ではないため、壁の上部は平行な壁の上部に対応し、壁の底部は平行な壁の底部に対応します。したがって、波状の流路内の流れは、定期的に狭いエリアと拡張エリアを確認します。この研究の目的は、ミニチャネルヒートシンクの作動流体として蒸留水に加えて5種類のナノ流体を使用することにより、ミニチャネルヒートシンクの熱伝達の改善に対する2つの異なる方向のチャネル壁の波の影響を実証することです。異なる流量での異なる濃度量と異なる波振幅を比較し、従来のチャネルと比較します。

数値解析に使用した物理モデルを図1に示します。ミニチャネルの標準的なヒートシンクとして、長方形(従来の)MCHSを備えたヒートシンクが利用されています。銅で構成されており、チャネルが 1 つだけあります。従来のミニチャネルの幾何学的パラメータは次のとおりです。壁の厚さ (t) = 1 mm。チャネルの幅 (Wc) = 2 mm; ヒートシンクの幅 (W) = 4 mm。チャネルの高さ (Hc) = 3 mm。ヒートシンクの高さ (H) = 5 mm。下部サイズは（4 mm × 50 mm）で、図 1a に示すように、下面から均一な熱束 180 kW/m2 が得られます。

現在の問題の概略図 (a) 従来のチャネル (b) 波状チャネル。

図 1b は、波状のミニチャネルヒートシンクを示しています。長方形のミニチャネルヒートシンクと同じ寸法です。一つの変化は、流体の流れの経路が次式で表されるコサイン曲線になることです。

ここで、Y = S、50 N\(\ge S\ge 0\) = 0.25 (mm)、A: 波形振幅 = 0.15、0.2、0.25 (mm)。

この研究では、熱伝達率と流体の流れの構造に対する変数の影響を明確に示すために、2 つの計算領域を含む 3 次元幾何学が調査されました。最初のドメインは、流体の流れと対流熱伝達モードを表す流体計算ドメインであり、2 番目のドメインは伝導熱伝達モードを表す固体計算ドメインであり、銅で作られています。どちらの領域でも、適切な仮定と境界条件が高精度で開発され、論理的で正しい解決策が得られます。この研究では、分析を簡素化するために、ミニチャネルの動作条件に関する多くの仮定が行われています。

作動流体の流れは、チャネルを横切る層流、定常状態、非圧縮性の単相流です (流体は液体状態のみです)。

重力は微々たるものです。

熱流束は一定で、ヒートシンクのベースに供給されました。

ミニチャンネルヒートシンクの表面は効果的に断熱されています。

熱の伝わり方、輻射は無視できるものとみなします。

この研究では、共役問題 (流体-固体問題) の 3 次元幾何学が提示されました。上記の仮定に基づいて、このモデルの支配方程式は次のとおりです。

（連続）。流体 (冷却剤) の (質量保存) 方程式 43,44:

x、y、z デカルト座標での運動量方程式は次のように与えられます。

流体 (冷却剤) のエネルギー方程式は次のとおりです。

固体領域のエネルギー方程式は次のとおりです。

入口における速度は、最大値 (uin) を持つ適切なプロファイルによって与えられますが、他の速度成分はゼロに等しくなります。

冷却液入口の温度 (293 k)。

出口圧力は0Paで実施します。

チャネルの底部で受け取られる一定の熱流束 180 kW/m2。

どの外面にも熱損失はありませんでした。

入口セクションの速度と温度に適切な境界条件を与えることによって。入口セクションでのこれらの値に基づいて、支配方程式、連続性、運動量、エネルギーが解かれます。

レイノルズ数 Re、水力直径 (Dh) は次のように定義されます。

ミニチャネルヒートシンクの吸気口と出力間の圧力降下 (Δp)、摩擦係数 (f)、熱抵抗 (Rth) は次の式で決定されます 14:

ここで、\(pin\) と \(pout\) はミニチャネルヒートシンクの入口と出口の静圧、Q: 総熱伝達、\(Q={q}_{in}*{A}_ {s}\); ここで、qin はヒートシンクの下面の熱流束です。 As はベースのミニチャネルヒートシンク面積であり、As = W × L で表されます。

ヌッセルト数 Nu は次のように計算されます 14:

ここで、kf：流体の熱伝導率、Twm：ヒートシンクの平均温度、Aht：作動流体とヒートシンクミニチャネルの接触表面積で表され、Tout：出口における流体の温度。

本研究で使用した作動流体は、[(Al2O3-H2O)、(CuO-H2O)、(TiO2-H2O)、(Fe3O4-H2O)、(Ag-H2O)] ナノ流体、表 1 で得られる熱物性ナノ粒子です。。

ナノ流体の熱物理的特性は、次の関係を使用して推定されました。

ナノ流体の密度と比熱は、Sakanova et al.7 のモデルを使用して計算されました。

ナノ流体の熱伝導率と粘度は、モデル 7 を使用して計算されました。

現在の研究では、Comsol Multiphysics プログラムを使用して、ミニチャネルでの 3 次元の熱と流れの問題をシミュレートし、解決しました。

Comsol Multiphysics の CFD モジュールは、問題領域 (固体および流体領域の連続性、運動量、エネルギー) を支配する偏微分方程式を解くための Galerkin アプローチを備えた有限要素法に基づいて構築されています。

メッシュグリッドが正確であることを保証するために、長方形のミニチャネルに対してさまざまなメッシュタイプ (通常、細かい、細かい、極度のフィン) を使用して検査が実行されました (図 2)。表 2 でテストおよび説明されているメッシュのタイプ。ヌッセルト数はグローバルパラメータであるため、各タイプには、固体領域と流体領域間の高温表面接触における平均ヌッセルト数を従属変数として計算することにより、要素領域、境界要素、およびエッジ要素の数が含まれています。 , 誤差を最小限にするため、細かいメッシュが選択されました。ヌッセルト数と最高温度 (Tmax) は、レイノルズ数 Re 400 および熱流束 180 kW/m2 で従来のミニチャネルヒートシンクのメッシュごとに評価されました。選択したパラメータの相対誤差は、以下の方程式を使用して計算されました35

計算領域のメッシュ分布 (a) 従来のチャネル (b) 波状チャネル。

ここで、Z は任意のパラメータを表します。ヌッセルト数、圧力降下、摩擦係数、温度などの Z1 と Z2 は、最も細かいグリッドおよび他のグリッドから得られる変数値を意味します29。表 2 はこれを示しています。このソリューションのメッシュの独立性は、「細かい」メッシュによって保証され、最適な実行時間を可能にしました。データの精度を確保するために、以前の cfd 解析の 2 つのモデリングモデルが比較されました。最初のモデルは、(FVM) ベースのソフトウェア ANSYS CFX I (www.ansys.com) を使用して、コイルインサートを取り付けた長方形ヒートシンク (MCHS) 内の熱と流れを調査する数値解析を実行した 14 名に関連付けられました。図 3 と 4 は、現在の COMSOL 5.6 (www.comsol.com) シミュレーションと利用可能な計算との比較を示しており、2 つのアプローチ間で良好な一致が見られます。もう 1 つの検証は、マイクロチャネルヒートシンクの熱伝達特性の応用に対する波形チャネル構造とナノ流体の影響を説明するための数値調査を伴う 7 人によるものです。この分析により検証が行われ、図 1 と 2 に良好な一致が見られました。 5、6、7、8。

Re = 663 および qw = 400 kW/m2 のマイクロチャネルの断面 (x/L = 0.625) に関する、現在の研究と Feng et al.14 の温度と速度の等高線の比較。

ヌッセルト数 (a) とレイノルズ数 (b) による摩擦係数の変化の比較による、Feng et al.14 によるコード検証。

z軸に沿った長方形チャネルの速度ベクトルとSakanova7の比較。

現在の調査と、Sakanova らによる長方形のチャネルを通る温度分布経路との比較。

純水を使用した長方形の MCHS の (a) 熱抵抗と (b) 圧力損失の Re 依存性。

ダイヤモンド (5%)-水ナノ流体を冷却剤として使用した長方形 MCHS の (a) 熱抵抗と (b) Re に対する圧力降下の依存性。

ミニチャネル内の熱と流体の流れの分布は冷却効率に直接影響するため、研究する必要があります。

図 9 は、レイノルズ数 Re = 800、冷却剤として Ag (7.5%) を使用した、y 軸に沿って異なる振幅 (A = 0、0.15、0.2、および 0.25) を持つ長方形および波形チャネルの速度分布と大きさを示しています。波状の構造のため、流体の速度は、長方形の流路で到達するとき (0.49 m/s)、波状の流路で到達するとき (0.65、0.72、0.81)、波の振幅の増加に伴って増加します。それぞれ波の振幅 (0.15、0.2、0.25) mm に応じて m/s で、波状の形状が活動性を高め、運動エネルギーをさらに高めます。これは、ウエスト領域の隣接する層を減らし、増加を引き起こします。したがって、流体の流動質量は流体の運動エネルギーを増加させます。 y 方向の最大速度は中心線から曲線の頂点に移動し、波状の頂点の隣の流れが加速されます。したがって、流体力学的エッジ層と熱エッジ層は薄くなっています。したがって、熱伝達率が向上します。

振幅 (A) = 0、0.15、0.2、および 0.25 の φ = 0.075、Re = 800、q_w = 180 kw/m2 での速度の大きさに対する波形壁の影響。

さまざまな形状のミニチャネルヒートシンク (Ag) における流体と固体間の相互作用表面に沿った温度分布を説明するために、同じ入口条件 (錫) でのレイノルズ数 Re = 800 およびナノ流体の体積濃度 (0.075) のナノ流体が選択されました。 = 293 K）を図 10 に示します。温度は、さまざまなチャネルの y 方向に沿って入口から出口まで上昇します。ミニチャネルヒートシンクからの最大の熱分散は、チャネル間での最大温度変化により入口で発生します。チャネルと入口流体の温度。熱伝達のプロセスは、チャネルの壁とその中を流れる流体との間の対流によって発生するだけでなく、最も高い熱伝達が発生する表面と流体の間の温度の変化量に基づいて熱伝達でも発生します。流れの開始時、流体の温度が低いため、温度の分散が大きくなり、その結果、表面から冷却流体への熱の伝達が起こり、流れの中を流れる間に冷却流体の温度が上昇し、その結果、温度差が大きくなります。流れが枯渇し、熱伝達が減少すると、熱量は減少します。したがって、Y 軸に沿って温度が上昇していることがわかります。波形チャネルのミニチャネルヒートシンクの最高温度は、長方形チャネルの場合よりも低く、図 10 に示すように、波形の振幅 (A) が増加するにつれて低下します。その理由については「効果」セクションで説明します。 MCHS の波状の壁の様子。」

振幅 (A) = 0、0.15、0.2、および 0.25 の φ = 0.075、Re = 800、q_w = 1.85E5 w/m2 での温度分布に対する波形壁の影響。

ミニチャンネルの波状壁の効果を評価するために、最初は冷却液として蒸留水を使用しました。図 11 は、従来のミニチャネルヒートシンクとすべて波形のミニチャネルヒートシンクの両方について、レイノルズ数に対する熱抵抗、摩擦係数、および圧力降下を示しています。図11aから、熱抵抗と熱抵抗の関係は、その厚みを通した伝導による熱の伝達に対して部品が示す抵抗であり、それが増加すると、要素の断熱能力が増加することを意味します（レイノルズ数（Re）は逆になります）。比例関係にある. 流量の増加と熱分散効果により, レイノルズ数が増加するにつれて熱抵抗は減少します. これは, これらすべてのケースにおいて (A) = 0.25 mm が最小の熱抵抗を持っていることは明らかです. また, 長方形のチャネルであることも明らかです.熱抵抗はすべての波形チャネルよりも大きくなります。波形チャネルと長方形チャネルを比較すると、熱伝達効率に大きな違いが示されます。図 11b から、摩擦係数 (f) とレイノルズ数 ( Re) レイノルズ数が増加するにつれて、摩擦係数は減少します長方形の流路での摩擦係数の最低値がわかりますまた、波状の振幅 (A) = 0.25 mm での波状流路の摩擦係数 (f) が明らかですすべての波状ケースよりも大きいです。これらの影響は、流れを再処理し、波状水路内での経路を変更した結果生じる抗力の増加の結果です。摩擦係数 (f) は、波の経路による流れの抵抗の増加によって圧力が大幅に低下するため、波の振幅が増加すると増加します。

長方形流路と波形流路における (a) 熱抵抗 (Rth) (b) 摩擦係数 (f) (c) 圧力損失と (d) ヌッセルト対レイノルズ数 (Re) の関係。

図１１ｃから、圧力降下とレイノルズ数（Ｒｅ）との関係も比例していることが分かる。レイノルズ数 (Re) が増加すると、圧力損失も増加します。波形チャネルの圧力降下が従来のチャネルよりも大きいことは明らかです。波の振幅が大きいほど、チャネルの向きの変化と波状チャネル内での二次流れによる磁束の乱れにより圧力降下がさらに大きくなり、渦とチャネルの壁の間の接触によってヒートシンクの圧力損失が増加することがよくあります。。

図 11d は、さまざまな場合の長方形のミニチャネルと波状チャネルのヌッセルト数比を示しています。長方形のチャネルと比較して、波状チャネルの熱伝達は増加することが期待できます。チャネル構成に関係なく、レイノルズ数が増加すると、励起パワー Pp が高くなりますが、ヌッセルト数は増加します。レイノルズが上昇すると、チャネルの壁近くで温度勾配が増加するにつれてチャネル内の熱境界層が減少し、それによって熱伝達が増加します。波を通る流体の流れは、流れ場を乱す遠心力の影響を受け、流体の再循環を引き起こす可能性があります27。

液体をこのチャネルの中心部からその高温壁まで、およびチャネル壁に隣接する領域からチャネルの中心部へ移動させるチャネルからの二次流れは、流体の再循環によって誘導され、したがって二次流れの力が生じます。レイノルズ数が増加すると増加します。さらに、チャネルの壁の曲率の変化により、チャネル内の渦の方向が変化します。流体が流れている間に波状の経路によって遮断される結果、波が狭くなった領域が加速器として機能し、その後流れの領域が増加する領域が続くため、動きの伝達がより効果的になります。このシーケンスにより、流れる流体の層の間に一種の層が形成され、流体の効果が高まります。波形チャネルを備えたヒートシンクの熱効率の向上は、熱伝達領域の増加と、対流を強化する二次流れの渦の形成によるものです。熱伝達の改善は 2 つの部分で引き起こされます。つまり、熱伝達の表面と冷却流体の間の接触面積を増やすこと、もう 1 つの部分は、流れを狭窄部の内側に向ける間で連続的に流れの方向を変えることです。続いて拡張領域の側壁に向かって流れを外側に向けます。この方向は流れの終端まで定期的に発生します。

図 12 では、(CuO) ナノ流体と冷却剤として水を使用した波状チャネルの熱抵抗は、レイノルズ数が上昇すると減少することがわかります。また、ナノ粒子の割合が増加すると、熱抵抗はさらに減少しました。この熱抵抗の減少は、ナノ流体の熱伝導率が純水よりも大きいことによって解釈できます。これは、ベース流体としての水に熱伝導性ナノ粒子を添加することにより、熱物性が増加するためである。

波状チャネルの熱抵抗とレイノルズ数: (a) 波状振幅 (A = 0.15 mm)。 (b) 波状振幅 (A = 0.2 mm)。 (c) 波状振幅 (A = 0.25 mm)。

図 13 では、摩擦係数に対するナノ流体の影響を示すために、さまざまな濃度の体積 (φ) の AL2O3 ナノ流体が選択されています。摩擦係数はナノ流体の方が大きく、波の上昇と並行して上昇することがわかりました。振幅と濃度の体積 (φ) は、レイノルズ数の増加とともに減少します。また、純粋な流体の代わりにナノ流体を冷却剤として使用すると、ナノ流体中にナノ固体粒子が存在し、ナノ流体の粘度と密度が増加するため、蒸留水と比較して圧力損失がさらに上昇する可能性があることにも注意してください。摩擦係数の増加を引き起こします。摩擦係数と速度は逆の関係にあるため、レイノルズ数が増加すると摩擦係数は減少します。

波状チャネルの摩擦係数とレイノルズ数: (a) 波状振幅 (A = 0.15 mm)。 (b) 波状振幅 (A = 0.2 mm)。 (c) 波状振幅 (A = 0.25 mm)。

図 14 は、圧力損失とレイノルズ数の関係を表しています。これは、標準流体と比較して、ナノ流体を使用して達成されるヒートシンクの熱伝達効率の上昇とより高い圧力損失が相関していることを示しています。これは、ナノ流体の粘度がより高いためです。ナノ粒子の体積分率が増加すると、ナノ粒子間の相互作用が増加し、実際のナノ流体の粘度が上昇します。したがって、ヒートシンク内の冷却剤を駆動するために必要なポンピングパワーは、ナノ粒子の体積分率が上昇するにつれて増加します。

冷却剤として使用したナノ流体が圧力降下に及ぼす影響を示します。

冷却剤として（Al2O3、CuO、TiO2、Fe3O4、Ag）水ナノ流体などのさまざまなナノ流体を使用して、波状チャネルの三次元熱伝達を数値的に調べます。体積濃度の範囲は 0.025 ～ 0.075 パーセントで、レイノルズ数は 200 ～ 1000 です。総熱抵抗に対するナノ粒子濃度体積の影響については、高レイノルズと低レイノルズの場合が選択されています。図 15 の結果に基づく。一般に、すべての種類のナノ粒子は同じ方向に移動します。これは、ナノ材料の濃度比の増加に伴う熱抵抗の減少です。図１５ａおよび図１５ｂにおいて、レイノルド数が増加することにより熱抵抗が減少することも判明した。 Ag ナノ流体は、すべての濃度および両方のレイノルズ数で最も低い熱抵抗値を示しました。ナノ粒子の体積分率が増加するにつれて、総熱抵抗は減少します。ナノ流体 (Ag-水) は、他の形態のナノ流体と比較して最も低い熱抵抗を示します。 (Ag-水) ナノ流体は熱伝導率が優れています。ナノ流体の影響は次のように説明できます。熱伝導率と動的粘度の両方は、ベース流体中のナノ粒子の存在によって改善され、その後、熱容量が減少します。熱伝導率を高めることで対流熱伝達率を高めることも可能です。同時に、動粘度が増加し、熱容量が減少し、ナノ流体の平均速度が減少します。

さまざまな種類のナノ流体の全体の熱抵抗と体積濃度の関係 (a) Re = 200、(b) Re = 1000。

図 16 は、レイノルズ数 (Re = 200) でのチャネルのさまざまな形状のヌッセルト数に対する集中体積の影響を示しています。ナノ流体が冷却剤として使用される状況では、ヒートシンクを冷却するときに水を使用する場合よりもヌッセルト数 (Nu) が大きくなります。これは主に、ベース流体と比較してナノ流体の熱効率が高いことに起因します。これにより、総エネルギー伝達に対する熱伝導の寄与が増加し、ナノ粒子の体積の割合が増加するにつれて増加します。これは、ナノ粒子とベース流体の間の熱伝達の全体面積の増加と、粒子のブラウン運動を増加させるナノ粒子の衝突速度の増加に起因し、混合物の有効熱伝導率の増加を引き起こします27。図 17 は、摩擦係数に対するナノ粒子の種類の影響を示しています。f の値は Ag が最大値、Al2O3 が最小値です。

さまざまなチャネルのヌッセルト数 (Nu) と体積濃度の関係を表示します。

レイノルズ数によるさまざまなナノ流体の波状流路の摩擦係数 (A = 0.15 mm) と体積濃度 (ϕ = 5%)。

図 18 は、さまざまな作動流体の最高温度を示しています。蒸留水、Al2O3-H2O、TiO2-H2O、CuO-H2O、Fe3O4-H2O、および Ag-H2O ナノ流体は、さまざまなレイノルズ数 (Re) の波形チャネル (A) = 0.15 mm の冷却剤として考慮されます。速度が増加すると、ミニチャネルの壁の温度が低下します。冷却に関するニュートンの法則により、熱伝達係数は温度変化と反比例の関係にあります。

は、さまざまなレイノルズ数 (Re) の波状チャネル (A = 0.15 mm) でのさまざまなナノ流体のミニチャネルの最高温度を示しています。

ここで、h: 熱伝達係数 (w/m2 k)、A: 表面積 (m2)、\(\nabla T\): 温度変化 (k)。

図18に示すように、他のナノ流体と比較して熱伝達が最も大きく改善されたAg-H2Oナノ流体は、ミニチャネル壁で最も低い温度値を示しました。壁の温度に対する体積破壊の影響を説明するには調査したさまざまなチャネルに対して、異なる体積濃度の（CuO-水）が選択されました。図19に示すように、長方形（a）と、異なる波状振幅（A = 0.15、0.2、0.25）mmの波状ミニチャネル（b））、(c) と (d) をそれぞれ示します。ナノ粒子の体積分率 (φ) が増加すると壁温度が低下することが示されました。これは、粒子とベース流体の間の全体的な熱伝達面積が増加し、ナノ粒子の衝突速度が向上して粒子のブラウン運動が増加し、混合物の熱伝導率が向上するためです。

さまざまなタイプのミニチャネルヒートシンクの最大壁温度とレイノルズ数の関係を示します。

式 1 に示すように、ヌッセルト数と摩擦係数の組み合わせの影響を利用して、PEC を使用して波状水路の全体的な熱水挙動を測定しました。 (20)27

ここで、下付き文字 (o と i) は、従来のヒートシンクと波状のミニチャネルを表します。

図 20 は、異なる波の振幅 (A) と作動流体として蒸留水を備えた波状チャネルの熱性能係数とレイノルズ数の間の関係を示しています。この解析では、熱効率係数がレイノルズ数範囲全体にわたって 1 よりも大きく、レイノルズ数の増加に伴ってほぼ増加することが明らかです。さらに、波の振幅が増加すると、熱性能係数が上昇します。これは、長方形のミニチャネルと比較して、波状のミニチャネルを使用すると、熱伝達の向上によって圧力損失の増加がバランスできることを意味します。

冷却剤として蒸留水を使用した場合の、さまざまな波状振幅 (A) を持つ波状チャネルの熱性能係数とレイノルズ数の変化。

現在の研究では、壁を波形にする低コストの方法と、異なるナノ流体を使用する費用対効果の高い方法の 2 つの方法によって熱伝達が強化され、この 2 つの方法が実証されたことが証明されました。実証済みの結果により、熱伝達率を高める効果が証明されています。方形および波形のミニチャネルヒートシンクと流体の流れ特性の間の数値解析が、Al2O3-H2O、酸化銅 (Cuo-H2O)、酸化チタン (TiO2-H2O)、酸化鉄 (Fe3O4-) の 5 つの異なるナノ流体を使用して行われました。 H2O) と銀 (Ag-H2O)。さまざまなナノ流体の波の振幅、レイノルド数、体積分率の影響を調査します。水を冷却剤として使用する場合、従来の長方形のミニチャネルの冷却効率は、波形のミニチャネルヒートシンクによって克服されます。さらに、波形チャネルの振幅が大きくなるほど、熱抵抗が小さくなり、追加の圧力降下が生じます。本研究では、5種類のナノ流体の性能を調べました。これらはすべて、蒸留水と比較して冷却の適用が優れていることとナノ流体の存在を示していますが、圧力降下と摩擦係数が増加します。 Ag-H2O ナノ流体は、熱伝達係数が最も高く、熱抵抗が最も低いため、他のすべてのナノ流体よりも優れています。ヒートシンク内の従来のチャネルを波形チャネルに置き換えると、ヌッセルト数が 28 ～ 52% 増加します。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

波の振幅

定圧比熱 (KJ/kg K)

油圧直径(m)

扇状摩擦係数

熱伝達係数(W/km2)

チャンネルとチャンネルの高さ

熱伝導率（W/m・K）

ヒートシンクの長さ (m)

うねり数

ヌッセルト数

プランドル数

入口速度 (m/s)

圧力損失 (Pa)

圧力(Pa)

熱流束(W/cm2)

総熱流束

総熱抵抗(K/W)

レイノルズ数

ヒートシンクの厚さ

温度(K)

流速 (m/s)

ヒートシンクとチャネルの幅

水平および垂直距離 (m)

デカルト座標 (m)

動粘度(kg・s/m)

密度(kg/m3)

ナノ粒子の体積分率

チャネル

有限体積法

流体

入口

ナノ流体

ソリッドドメイン

固体粒子

最大

伝導

対流

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M. Hatami

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著者全員が肉数学セクション、モデリング、執筆、結果の分析に貢献しました。

ハタミ氏への通信。

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転載と許可

サードーン、ZH、アリ、FH、ハムザ、HK 他波形チャネルとさまざまな種類のナノ流体を使用することにより、ミニチャネルヒートシンクの性能を向上させます。 Sci Rep 12、9402 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-13519-0

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受信日: 2022 年 2 月 10 日

受理日: 2022 年 5 月 25 日

公開日: 2022 年 6 月 7 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-13519-0

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