構造設計された共重合体安定化ZnOナノ流体によるヒートパイプの熱伝導率と熱性能の研究

Scientific Reports volume 13、記事番号: 14219 (2023) この記事を引用

メトリクスの詳細

本研究は、多くの産業用途に不可欠な熱交換器用ヒートパイプの熱伝導率、安定性、効率、抵抗を推定することに焦点を当てました。 これを達成するために、両親媒性ポリ(スチレン-co-2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸)ポリ(STY-co-AMPS)のコポリマーをフリーラジカル重合技術によって合成しました。 分散剤は、ZnO ナノ流体の均一な溶液と安定化のために使用されました。 ナノ流体の熱伝導率に対する分散剤の影響は、KD2 pro 熱特性分析装置を使用して分析されました。 流体の導電率は体積分率と非線形の関係で大幅に増加します。 最大の増強は、分散剤の最適化された濃度 1.5 vol% で観察されました。 同時に、ナノ流体の熱伝導率に対する分散剤の影響が線状高分子電解質と比較されました。 さらに、実験値を妥当な集合に基づいて既存の古典的モデルと比較し、調製したナノ流体を作動媒体として使用した。 従来のスクリーンメッシュヒートパイプとヒートパイプの熱抵抗に対する温度分布を実験的に調査した。 この結果は、ナノ粒子上の分散剤の最適濃度がベース流体と比較して熱効率の向上を示すことを示しています。 さらに、粒子体積分率と分散剤濃度が増加すると、熱抵抗と温度分布は減少する傾向を示します。

過去 20 年間、エネルギー貯蔵、エネルギー伝送、熱の発生は、世界のエネルギー予算の 90% が割り当てられてきた主要な研究領域です。 急速な発展は、先進的な熱材料と技術研究に取り入れられました。 したがって、装置の熱伝達性能の向上につながる可能性のある作動流体の熱物理的特性を改善する必要がある。 主に、エンジンオイル、エチレングリコール、水は、熱伝導率が低く、熱伝達装置の性能に影響を与えるため、従来の熱伝達用流体として広く使用されてきました。 ヒートパイプは二相熱伝達装置であり、ある場所から別の場所へ非常に低い温度降下で熱を伝達します。 効果的な冷却効率により、これらはさまざまな熱伝達用途に広く使用されています。 ヒートパイプは、作動流体が毛管圧力勾配を通って循環するため、多くの熱用途で一般的な冷却システムです。 作動流体の相転移と蒸発/凝縮は、熱伝達特性に大きな変化を引き起こします。ヒートパイプの有効性は、材料の品質/寸法、流体の特性、および芯の構造に基づいています1。 熱アプリケーションには、ソーラー システム 2、ガス センシング 3、電子冷却 4、オプトエレクトロニクス 5、航空宇宙 6、熱交換器 7、8 などが含まれます。

熱伝達用途では、従来の流体の欠点を克服できる作動流体としてナノ流体が使用されました。 可能性を発揮し、工業規格を実現するには、熱ナノ流体の安定した分散が必要です9。 NP の主な欠点は、相が分離し、流体から沈殿することです。 熱伝達プロセス中に、凝集したナノ流体は、特定のマイクロエレクトロニクス システムで詰まりや摩耗の問題を引き起こす可能性があります10。 熱ナノ流体の分散を達成することは最大の課題の 1 つであり、表面電荷の追加や界面活性剤による化学的表面修飾の利用など、多くのアプローチが試みられてきました。 超音波処理、機械的撹拌など。

多くの研究者がナノ流体の熱性能を向上させる試みを行っており、Kang et al.11 は焼結ヒートパイプに対する銀ナノ流体の影響を調査しました。 彼らの調査結果によれば、壁温度入力電力が 30 ～ 50 W 減少します。さらに、ヒートパイプの作動媒体としてのナノ流体は、ベース流体としての水と比較した場合、最大 70 W の高い熱性能を実証しました 12。 同様に、Rosari et al.13 は、より低い粒子体積分率での ZnO-エチレングリコールベースのナノ流体の熱伝導率とヒートパイプの熱性能を調査しました。 彼らの観察によれば、粒子体積分率と結晶サイズが増加することにより、ヒートパイプの温度分布と熱抵抗が減少します。 一方、Jian ら 14 は、ナノ粒子の質量濃度 (0 ～ 0.6 wt% SiO2 および 0 ～ 1.2 wt% Al2O3) での SiO2 - 水および Al2O3 - 水ナノ流体を使用した振動ヒート パイプ (OHP) の熱性能の比較を報告しました。 凝縮器と蒸発器の表面状態の変化は主に異なる粒子によるものであり、ヒートパイプの熱性能や劣化に影響を与えることが観察されています15。 さらに、CuO ナノ流体上の焼結ヒートパイプとメッシュウィックヒートパイプの比較研究が Kumaresan らによって行われました 16。 彼らの研究では、焼結ウィック ヒート パイプの唯一の効果は、70 W でメッシュ ウィック ヒート パイプと比較してヒート パイプの熱性能と熱抵抗が向上していることを示しています。