طراحي سيستم خنك كاري ميكروسيالي مبتني بر نيروي كشش سطحي با استفاده از ميكروكانال با سطح مقطع غيريكنواخت

Design of a Capillary-Driven Microfluidic Cooling System Using Non-Uniform Cross Section Microchannel

در كار حاضر، طرحي جديد براي ميكروكانال هاي يك سيستم خنك كاري ميكروسيالي مبتني بر نيروي كشش سطحي پيشنهاد شده است تا راندمان سيستم افزايش يابد. در اين رويكرد، با كنترل نيروهاي كشش سطحي و اصطكاكي، احتمال تشكيل هلالي سيال در داخل ميكروكانال در گستره وسيعي از دماهاي كاركرد افزايش مي يابد. ميكروكانال طرح پيشنهادي از سه بخش تشكيل شده است. بخش نخست داراي سطح مقطع كوچكي است و به منظور كنترل افت فشار اصطكاكي از آن استفاده مي شود. بخش دوم، تبخيركننده با سطح مقطع متوسط است. موازنه ميان نيروهاي كشش سطحي و اصطلاكي باعث تشكيل هلالي سيال در اين بخش از ميكروكانال مي شود. هلالي مي تواند در طول اين بخش از ميكروكانال حركت كند تا به ورودي بخش سوم برسد. بخش سوم ميكروكانال داراي سطح مقطع بزرگ است، لذا فشار مويينگي در اين بخش به شدت كاهش مي يابد و مانع حركت بيشتر هلالي به سمت جلو مي شود. نرخ تبخير از سطح هلالي با استفاده از تئوري تبخير از لايه نازك مايع تخمين زده مي شود. نتايج نشان مي دهد كه در رويكرد پيشنهادي، قابليت دسترسي به مقادير شار حرارتي بيش از 100-30وات بر سانتي متر مربع (در محدوده دماي سطح °C100-70) توسط مكانيزم تبخير از يك غشاي آب دوست امكان پذير است.

In the present work, a novel microchannel configuration is proposed to improve the cooling performance of a capillary-driven microfluidic system. In this approach, the possibility of meniscus formation inside the microchannel is increased for a wide range of operating temperature by controlling the capillary and viscous forces. The proposed microchannel consists of three sections. The first section is a narrow part of microchannel to control the pressure drop. The second section of microchannel is an evaporator. The meniscus is formed in this section due to balance of the capillary and viscous forces. It can move along the microchannel until the entrance of the third section of microchannel. The third section is a wide part of microchannel. The meniscus cannot move further in this section due to decreasing the capillary pressure. The evaporation rate from meniscus is estimated by using the thin film evaporation theory. Results show that the heat flux up to 30-100 W/cm2 (at the range of 70- 100⁰C) can be dissipated by the evaporation mechanism from a hydrophilic membrane.