میکروکانال ها و مینی کانال ها

کانال ها و میکروکانال‌ها درگونه‌های مختلفی از دستگاه‌هایی که با جریان سیال تک فاز سروکار دارند به‌کار می‌روند. کاربردهای ابتدایی شامل دستگاههای میکروماشین ازجمله میکروپمپ‌ها، میکروولو (میکرو شیرآلات) و میکرو سنسورها می‌شدند. این امر با پیشرفت در زیست‌شناسی و علم زندگی باتوجه به نیاز مواد بیولوژیکی همچون، پروتئین، DNA، سلول‌ها،‌ جنین و مواد شیمیایی موردتوجه قرار گرفت.

بعدها زمینه‌ی میکرومیکسرها توجه زیادی با پیشرفت میکرو راکتورها به خود جلب کرد؛ جایی که دو گونه‌ی شیمیایی قبل از ورود به محفظه‌ی واکنش باهم مخلوط می‌شوند. با ارائه شدن مفهوم سیستم های خنک کن میکرو کانال ها و مینی کانال ها، چاه حرارتی (هیت سینک) میکرو کانالی ارجحیت بسیار بزرگی‌ در خنک کردن دستگاه های الکترونیکی و میکروپردزاش‌گرهای پرسرعت، بنا به عملکرد بسیار بالا و همچنین ساختار ظریف و متمرکزشان پیدا کرد. همچنین پیشرفت در دستگاه های میکروالکترومکانیکی به‌طور طبیعی نیازمند سیستمی برای ازبین بردن حرارت می‌باشند.

خنک کردن آینه‌های به‌کار رفته در سیستم‌های پرقدرت لیزر شامل سیستم‌های خنک‌کننده‌یی است که اشل خیلی کوچک را پوشش می‌دهند. پیچیده‌تر از اینها، در مهندسی پزشکی و ژنتیک نیاز به کنترل انتقال سیال و کنترل دقیق حرارت در گذر از چندین ابعاد میکرومتری را می‌توان نام برد. درک درست و بهتر از جریان سیال و انتقال حرارت در این سیستم‌های میکرومقیاس برای طراحی و کارکرد آن‌ها ضروری می‌باشد. در ادامه به برخی از مفاهیم کانال های چاه حرارتی در ابعاد مینی و میکرو با الگوی جریان های متفاوت و عوامل موثر در عملکرد آنها خواهیم پرداخت.

نیاز برای مسیر کوچکتر سیال

جریان سیال داخلی کانال، در داخل هسته بیشتر سیستم‌های طبیعی و ساخت دست انسان وجود دارد.

انتقال جرم و گرما از مابین دیواره‌های کانال در سیستم‌های بیولوژیکی و الکترونیکی ازجمله:

• مغز
• شش‌ها
• کلیه‌ها
• رگ‌های خونی
• توربین‌ها

یا سیستم‌های ساخت دست انسان ازجمله:

• سیستم‌های خنک‌کننده مبدل‌های حرارتی
• راکتورهای هسته‌ایی واحدهای تقطیر
• جداکننده‌ی هوا و…

عموماَ فرآیند انتقال درمابین دیواره‌های کانال اتفاق می‌افتد، جاییکه توده‌ی جریان در قسمت مقطع عرضی کانال می‌باشد. بنابراین مقطع عرضی کانال به عنوان مجرایی برای عبور و انتقال سیال و گذر آن از دیواره‌ها، عمل می‌کند.

کانال دو هدف را برای بدست آوردن آن ارضا می‌کند:

• آوردن جریان و تماس آن با دیواره‌های کانال
•  انتقال سیال تازه به کانال و نزدیک جداره‌ها و راندن سیال از دیواره‌ها وقتی که فرآیند انتقال به‌عمل آمده است

نرخ انتقال حرارت به مساحت سطح بستگی دارد که با قطر D برای لوله‌ی استوانه‌ای جایی، که نرخ جریان به سطح مقطع عرضی که به صورت خطی با {D^2} تغییر می‌کند بستگی دارد. بنابراین نسبت مساحت سطح به حجم با D  تغییر خواهد کرد. بطور واضح وقتی قطر کاهش می‌یابد نسبت مساحت سطح به حجم افزایش می‌یابد. در بدن انسان 2 فرآیند بسیار مهم و کارآمد انتقال جرم و حرارت در داخل شش‌ها و کلیه‌ها انتقال می‌افتد. (با کانال‌های جریان با ابعاد نزدیک 4 میکرومتر).

شکل زیر محدوده‌ی ابعاد کانال را که در سیستم‌های مختلف به‌کار گرفته می‌شوند را نشان می‌دهد:

دو عنصر اساسی مسئول برای رهایی از تئوری‌های معمول و رایج گذشته در ابعاد میکرو وجود دارد. برای مثال تفاوت‌ها در مدل‌سازی جریان سیال در کانال‌های ابعاد کوچک و شبیه سازی ها می‌تواند نتیجه‌ی چند نکته‌ی زیر باشد:

• تغییر در اساس فرآیند همچون انحراف از فرضیه‌های پیوستگی برای جریان گاز و یا تأثیر افزایشی برخی از نیروهای اضافی همچون (ازجمله) الکتروکنتیک و….
• عدم قطعیت درمورد کاربرد فاکتورهای تجربی استخراج شده از آزمایشات نتیجه‌گیری شده در مقیاس بزرگتر
• عدم قطعیت برای ضرایب اتلاف در ورود و خروج جریان سیال در لوله‌ها و…
• عدم قطعیت در اندازه‌گیری‌های ابعاد میکرو شامل ابعاد هندسی و پارامترهای عملیاتی.

طبفه بندی کانالی جریان

طبقه‌بندی کانال براساس قطر هیدرولیکی به عنوان راهنمای ساده انجام گرفته شده است. کاهش سایز کانال تأثیر متفاوتی روی فرآیندهای مختلف دارد.

در موارد کانال‌های غیردایروی بهتر است که ابعاد منیمم کانال برای مثال، قسمت کوچک عرض مستطیل به عنوان D درنظر گرفته شود.

شکل زیر ابعاد کانال برای جریان های مختلف گازها در فشار 1 اتمسفر را نشان میدهد.

طرح طبقه بندی کانال بر پایه ی ابعاد قطر کانال نیز در جدول پایین آورده شده است، که در آن “D” کوچکترین ضلع کانال در نظر گرفته شده است.

در شکل زیر نیز شماتیکی از پیکربندی و مشخصات سیستم خنک‌کن میکروکانال برای خنکاری سرور نشان داده شده است.

با رشد و توسعه‌ی سریع تکنولوژی میکروالکترونیک تحقیق‌های زیادی توسط محققان انجام شد و ساختارهای متنوعی از میکرو کانال ها ومینی کانال ها ارائه شده‌اند. ازجمله ساختارها وپیکربندی های بکار رفته، می توان به ساختارهای فراکتال شبیه درخت، ساختار پره‌های مجزای الماسی شکل ساختار چند لایه‌ای لانه‌ی زنبوری شکل و … اشاره کرد.

بعد از کار پیشگامانه توکرمن و پیز در ۱۹۸۱ جایی‌ که مفهوم چاه حرارتی میکرو کانال برای اولین بار ارائه شد، بررسی و تحقیقات متعددی از جمله مطالعه برروی جریان سیال و مشخصات انتقال حرارت در میکرو کانال‌ها انجام شد.

به طور عمده بنا به ضرایب بالای انتقال حرارت سرمایشی مایعات نسبت به گاز ها، از سرد کننده‌های مایع در میکرو کانال‌های هیت سینک استفاده می شود.

نیاز برای بهبود و افزایش انتقال حرارت با روش های جدید

تکنولوژی قدیمی برای بهبود و افزایش انتقال حرارت، ازجمله افزایش عدد رینولدز و درنتیجه تقویت کردن آشفتگی و … که بیشتر براساس تجربه و برخلاف تئوریجات مناسب ؛ توسعه یافته بودند که عموماً با افزایش مصرف انرژی برای بهبود عملکرد انتقال حرارت به همراه هستند که این امر باعث شده اخیراً به‌طور عمده از روش‌های کاهش ضخامت لایه مرزی برای افزایش و بهبود انتقال حرارت و سطح انتقال حرارت و همچنین آشفتگی جریان در نزدیکی دیواره‌ها استفاده ‌کنند.

 تکنولوژی بهبود انتقال حرارت توسط گردابه‌های طولی می‌تواند عملکرد انتقال حرارت جابه‌جایی را به صورت خیلی مؤثر بهبود ببخشد و امروزه به عنوان سومین نسل تکنولوژی انتقال حرارت تعریف شده است.

جانسون و ژوبرت در 1969 اولین مطالعه ی مولدهای گردابه ای (Vortex Generator) را مورد مطالعه قرار دادند.

مولدهای گردابه ای میتوانند در اشکال زیر به کار روند:

• پره ای مثلثی
• یا پره ای معمولی
• دندانه
• مانع های شیب دار و برآمدگی هایی

مکانیزم عملکرد مولدهای گردابه ای:

•  مکانیزم ایجاد و تولید ورتکس یا گردابه طولی به اینگونه می باشد که اختلاف فشار مابین دو ایجاد کننده ی گردابه باعث شده جریان از گوشه های کناری جدا شده و گردابه های عرضی، طولی و نعل اسبی شکل ایجاد کند.
• گردابه‌های تولید شده توسط تولید کننده های گردابه میتواند به صورت کارآمد، رشد لایه مرزی جریان را مغشوش کرده وجریان ثانویه تولید می کند و همچنین میدان دمایی کانال را از جریان ثانویه و جریان گذرنده مرکزی به مجاورت دیواره و بر عکس تغییر دهد

ژاکوبی و شاه در ۱۹۹۵ نشان دادند که بهبود انتقال حرارت متشکل از بهبود جریان اصلی‌ و بهبود جریان ثانویه می‌باشد.

پره‌های پنجره ای، پرره ی نواری، دیواره‌های موجی شکل مثال هایی از انواع روش بهبود جریان اصلی‌ میباشند.

ایجاد گردابه برای بهبود انتقال حرارت، روش بهبود جریان ثانویه می‌باشد و ۲ نوع گردابه وجود دارد:

1. گردابه ی عرضی (Transvers Vortex)
2. گردابه ی طولی (Longitudinal Vortex)

جهت چرخشی گردابه ی عرضی بر جهت اصلی‌ جریان عمود بوده و جریان ۲ بعدی می‌باشد، در حالیکه گردابه ی طولی محور چرخششان موازی با جهت جریان اصلی‌ بوده و جریان ۳بعدی می‌باشد.

معمولا ا تولید کنند‌های گردابه برای استفاده در کانال ها، صفحه ها با زاویه حمله متفاوت و …  به کار گرفته می شوند. در حقیقت تولید گردابه ی طولی به تنهایی غیر ممکن بوده چون گردابه ی عرضی نیز در کنار آنها تولید خواهند شد.

گردابه غالب در جریان سیال (طولی یا عرضی؟)

گردابه ی غالب بسته به اینکه از کدام نوع باشد در نظر گرفته خواهد شد و این غالب بودن به زاویه β (زاویه حمله) بستگی دارد که توسط  Fiebig در ۱۹۹۵ ارائه شده است. زمانی‌ که زاویه حمله کوچک باشد گردابه‌های ایجاد شده عمد‌تاً به صورت طولی خواهند بود و وقتی‌ زاویه بزرگ و نزدیک به ۹۰ درجه باشد گردابه‌ها عمد‌تاً از نوع عرضی خواهند بود.

مقایسه گردابه ها:

• تحقیقات نشان داده اند که گردابه های طولی انتقال حرارت کلی را بهبود می‌بخشد.
• درحالی که گردابه‌های عرضی می‌توانند فقط انتقال حرارت محلی کانال را افزایش دهند.

تولیدکننده‌های گردابه‌های طولی معمولاً به 4 نوع رایج تقیه‌بندی می‌شوند:

• باله‌ی دلتا (مثلثی شکل)
• باله‌ی مستطیلی
• بالک‌های مثلثی
• بالک‌های مستطیلی
• تولیدکننده‌ی گردابه طولی

در مجله های بعدی بصورت عمیقتر و جزئی تر به مباحث Vortex Generators پرداخته خواهد شد.