Рубашка для радиатора: Теплообмен на пределе
Исследователи из Университета штата Орегон разработали новый способ нанесения наноструктурных покрытий, делающий теплообмен гораздо более эффективным. Метод может быть применен как при производстве высокотехнологичных устройств, так и для промышленного отопления и охлаждения.
Проблема чрезмерного нагревания (а иногда и охлаждения) механических и электронных устройств стоит со времен промышленной революции. Трудно представить себе автомобиль без радиатора, а бытовой холодильник или кондиционер без теплообменника. Проблема отвода тепла ограничивает функциональность многих современных устройств — от портативных компьютеров до радиолокационных систем.
На процесс кипения жидкости влияют следующие свойства теплообменной поверхности:
1. Наличие микро- и наноразмерных трещин и неровностей, необходимых для начала нуклеации — первой стадии фазового перехода (в данном случае — жидкость-газ).
2. Пористость, за счет которой приток жидкости может сохранять участки нуклеации активными.
3. Наличие выступов, которые создают области более активного кипения.
При нанесении на теплообменные поверхности покрытия на основе оксида цинка, который образует наноразмерные структуры, внешне напоминающие цветы, эффективность теплопередачи возрастает за счет развитой поверхности и действующих на ней капиллярных сил.
В ходе эксперимента исследователи наносили разработанное покрытие на пластинки из алюминия, меди и кремния — наиболее часто используемых для охлаждения электроники материалов. Пластинки нагревали дистиллированную воду в теплоизолированной (чтобы минимизировать влияние теплообмена с окружающей средой) камере. Потери тепла составили около 1,5% от мощности нагревателя. Измеряя температуры пластинки и воды, исследователи выявили зависимость теплового потока от перегрева поверхности (т.е. разницы между фактической температурой пластинки и точкой кипения воды). В результате критический тепловой поток для наноструктурированных поверхностей примерно в 4 раза превысил значение, полученное для «чистых» материалов, а их коэффициент теплопередачи возрос в 10 раз.
«Для исследованных нами образцов теплоотдача приближалась к теоретическому пределу. Это очень хороший результат», — говорит Терри Хендрикс (Terry Hendricks), руководитель проекта.
В качестве теплоносителя может выступать как вода, так и другие жидкости с лучшими охлаждающими характеристиками. Улучшение теплообмена, достигнутое путем модификаций структуры поверхности материала, может быть использовано как в миниатюрных устройствах, так и в крупных промышленных системах. Существенным преимуществом технологии является недорогой метод нанесения подобных покрытий — осаждение наноматериалов при помощи микрореактора (Microreactor-assisted nanomaterial deposition — MAND).
Ну а пока наши компьютеры, кондиционеры и прочая домашняя электроника ждут систем охлаждения на основе новой технологии, их владельцы могут испробовать гораздо более приятный способ освежиться — отведать мороженого. И даже попробовать приготовить его самостоятельно, как описано в статье «Холодное наслаждение: Кулинария как точная наука».
По пресс-релизу OSU