Kylsystem som använder en vätska som ändrar fas - såsom vatten som kokar på en yta - kan spela en viktig roll i många utvecklingsteknologier, inklusive avancerade mikrochips och koncentrerade solenergisystem. Men att förstå exakt hur sådana system fungerar, och vilka typer av ytor som maximerar värmeöverföringen, har förblivit ett utmanande problem.

Nu, forskare vid MIT har funnit att det är relativt enkelt, Mikroskalig uppruggning av en yta kan dramatiskt förbättra dess värmeöverföring. Ett sådant tillvägagångssätt kan vara mycket mindre komplext och mer hållbart än tillvägagångssätt som förbättrar värmeöverföringen genom mindre mönstring i nanometerområdet (miljarddelar av en meter). Den nya forskningen ger också en teoretisk ram för att analysera beteendet hos sådana system, pekar på vägen till ännu större förbättringar.

Verket publicerades denna månad i tidskriften Bokstäver i tillämpad fysik , i en uppsats medförfattare av doktoranden Kuang-Han Chu, postdoc Ryan Enright och Evelyn Wang, en docent i maskinteknik.

"Värmeavledning är ett stort problem" inom många områden, speciellt elektronik, Wang säger; användningen av fasförändringsvätskor som kokande vatten för att överföra värme från en yta "har varit ett område av stort intresse i många decennier." Men fram till nu, det har inte funnits en god förståelse för parametrar som avgör hur olika material – och särskilt ytstruktur – kan påverka värmeöverföringsprestanda. "På grund av fasförändringsprocessens komplexitet, det är först nyligen som vi har en förmåga att manipulera" ytor för att optimera processen, Wang säger, tack vare framstegen inom mikro- och nanoteknik.

Chu säger att en stor potentiell applikation finns i serverfarmar, där behovet av att hålla många processorer svala bidrar avsevärt till energikostnaderna. Medan denna forskning analyserade användningen av vatten för kylning, han tillägger att teamet "tror att denna forskning är generaliserbar, oavsett vilken vätska det är."

Teamet drog slutsatsen att anledningen till att ytråhet avsevärt förbättrar värmeöverföringen - mer än fördubblar den maximala värmeavledningen - är att den förbättrar kapillärverkan vid ytan, hjälper till att hålla en rad ångbubblor "fast" på värmeöverföringsytan, fördröja bildandet av ett ångskikt som kraftigt minskar kylningen.

För att testa processen, forskarna gjorde en serie kiselskivor i frimärksstorlek med olika grader av ytjämnhet, inklusive några perfekt jämna prover för jämförelse. Graden av grovhet mäts som den del av ytan som kan komma i kontakt med en vätska, jämfört med en helt slät yta. (Till exempel, om du skrynklade ihop ett papper och sedan plattade ut det igen så att det täckte en yta som är hälften så stor som originalarket, som skulle representera en grovhet på 2.)

Forskarna fann att systematiskt ökande grovhet ledde till en proportionell ökning av värmeavledningsförmågan, oavsett måtten på ytuppruggningsfunktionerna. Resultaten visade att en enkel uppruggning av ytan förbättrade värmeöverföringen lika mycket som de bästa tidigare studerade teknikerna, som använde en mycket mer komplex process för att producera mönster i nanoskala på ytan.

Förutom det experimentella arbetet, teamet utvecklade en analytisk modell som mycket exakt matchar de observerade resultaten. Forskare kan nu använda den modellen för att optimera ytor för särskilda applikationer.

"Det har varit begränsad förståelse för vilken typ av strukturer du behöver" för effektiv värmeöverföring, säger Wang. Denna nya forskning "fungerar som ett viktigt första steg" mot en sådan analys.

Det visar sig att värmeöverföring nästan helt är en funktion av en ytas totala grovhet, Wang säger, och baseras på balansen mellan olika krafter som verkar på ångbubblorna som tjänar till att avleda värme:ytspänning, fart och flytkraft.

Medan de mest omedelbara tillämpningarna sannolikt skulle vara i högpresterande elektroniska enheter, och kanske i koncentrerade solenergisystem, samma principer skulle kunna gälla för större system som kraftverkspannor, avsaltningsanläggningar eller kärnreaktorer, säger forskarna.

Satish Kandlikar, en professor i maskinteknik vid Rochester Institute of Technology som inte var involverad i detta arbete, säger att det är "ganska anmärkningsvärt att uppnå värmeflöden" så stora som dessa "på silikonytor utan komplexa mikro- eller nanotillverkningsprocesssteg. Den här utvecklingen öppnar dörrar till en ny klass av ytstrukturer som kombinerar funktioner i mikro- och nanoskala.” Han tillägger att MIT-teamet ”bör gratuleras för detta stora forskningsresultat. Det kommer att ge nya riktningar, särskilt i chip-kylningsapplikationer."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.