Los sistemas de refrigeración que utilizan un líquido que cambia de fase, como el agua hirviendo en una superficie, pueden desempeñar un papel importante en muchas tecnologías en desarrollo. incluyendo microchips avanzados y sistemas de energía solar concentrada. Pero entendiendo exactamente cómo funcionan estos sistemas, y qué tipo de superficies maximizan la transferencia de calor, sigue siendo un problema desafiante.

Ahora, Los investigadores del MIT han descubierto que, relativamente simple, La rugosidad a microescala de una superficie puede mejorar drásticamente su transferencia de calor. Este enfoque podría ser mucho menos complejo y más duradero que los enfoques que mejoran la transferencia de calor a través de patrones más pequeños en el rango de nanómetros (mil millonésimas de metro). La nueva investigación también proporciona un marco teórico para analizar el comportamiento de dichos sistemas, señalando el camino hacia mejoras aún mayores.

El trabajo fue publicado este mes en la revista Letras de física aplicada , en un artículo escrito en coautoría por el estudiante graduado Kuang-Han Chu, postdoctorado Ryan Enright y Evelyn Wang, profesor asociado de ingeniería mecánica.

"La disipación de calor es un problema importante" en muchos campos, especialmente electrónica, Wang dice; el uso de líquidos de cambio de fase como el agua hirviendo para transferir el calor lejos de una superficie "ha sido un área de gran interés durante muchas décadas". Pero hasta ahora, No ha habido una buena comprensión de los parámetros que determinan cómo los diferentes materiales, y especialmente la textura de la superficie, pueden afectar el rendimiento de la transferencia de calor. “Debido a las complejidades del proceso de cambio de fase, es solo recientemente que tenemos la capacidad de manipular "superficies para optimizar el proceso, Wang dice:gracias a los avances en micro y nanotecnología.

Chu dice que una de las principales aplicaciones potenciales está en las granjas de servidores, donde la necesidad de mantener fríos muchos procesadores contribuye significativamente a los costos de energía. Si bien esta investigación analizó el uso de agua para enfriar, agrega que el equipo "cree [s] que esta investigación es generalizable, no importa cuál sea el fluido ".

El equipo concluyó que la razón por la que la rugosidad de la superficie mejora en gran medida la transferencia de calor (más del doble de la disipación máxima de calor) es que mejora la acción capilar en la superficie. ayudando a mantener una línea de burbujas de vapor "fijadas" a la superficie de transferencia de calor, retrasando la formación de una capa de vapor que reduce en gran medida el enfriamiento.

Para probar el proceso, los investigadores hicieron una serie de obleas de silicio del tamaño de un sello postal con diversos grados de rugosidad superficial, incluyendo algunas muestras perfectamente uniformes para comparar. El grado de rugosidad se mide como la parte del área de la superficie que puede entrar en contacto con un líquido, en comparación con una superficie completamente lisa. (Por ejemplo, Si arrugó un trozo de papel y luego lo aplanó de modo que cubriera un área la mitad de grande que la hoja original, eso representaría una rugosidad de 2.)

Los investigadores encontraron que el aumento sistemático de la rugosidad conducía a un aumento proporcional en la capacidad de disipación de calor, independientemente de las dimensiones de las características de rugosidad de la superficie. Los resultados mostraron que un simple raspado de la superficie mejoraba la transferencia de calor tanto como las mejores técnicas estudiadas previamente. que utilizó un proceso mucho más complejo para producir patrones a nanoescala en la superficie.

Además del trabajo experimental, el equipo desarrolló un modelo analítico que coincide de manera muy precisa con los resultados observados. Los investigadores ahora pueden usar ese modelo para optimizar superficies para aplicaciones particulares.

"Ha habido un conocimiento limitado de qué tipo de estructuras necesita" para una transferencia de calor eficaz, Wang dice. Esta nueva investigación “sirve como un primer paso importante” hacia dicho análisis.

Resulta que la transferencia de calor es casi enteramente una función de la rugosidad general de una superficie, Wang dice:y se basa en el equilibrio entre varias fuerzas que actúan sobre las burbujas de vapor que sirven para disipar el calor:tensión superficial, impulso y flotabilidad.

Si bien es probable que las aplicaciones más inmediatas se encuentren en dispositivos electrónicos de alto rendimiento, y quizás en sistemas de energía solar concentrada, los mismos principios podrían aplicarse a sistemas más grandes, como calderas de centrales eléctricas, plantas desaladoras o reactores nucleares, dicen los investigadores.

Satish Kandlikar, un profesor de ingeniería mecánica en el Instituto de Tecnología de Rochester que no participó en este trabajo, dice que es "bastante notable lograr flujos de calor" tan grandes como estos "en superficies de silicio sin pasos complejos del proceso de micro o nanofabricación. Este desarrollo abre las puertas a una nueva clase de estructuras de superficie que combinan características de micro y nanoescala ”. Añade que el equipo del MIT“ debería ser felicitado por este importante hallazgo de investigación. Proporcionará nuevas direcciones, especialmente en aplicaciones de enfriamiento de virutas ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.