Nanofluidit elektroniikan jäähdytyksessä

Abstract

Elektroniikasta halutaan jatkuvasti pienempää ja tehokkaampaa. Tämän kehityksen vuoksi laitteissa esiintyvät lämpövirran tiheydet kasvavat ja jäähdytys tulee usein rajoittavaksi tekijäksi. Uusia jäähdytystekniikoita tarvitaan vastaamaan kasvavia vaatimuksia. Nanofluidit ovat eräs mahdollisista tekniikoista tehokkaamman jäähdytyksen saavuttamiseksi. Nanofluidit ovat uuden sukupolven lämmönsiirtofluideja, jotka koostuvat kantajanesteestä (engl. base fluid) ja kantajanesteeseen suspendoiduista kiinteistä nanopartikkeleista. Nanofluidien hyvät lämmönsiirto-ominaisuudet perustuvat suspendoitujen kiinteiden partikkelien korkeaan lämmönjohtavuuteen verrattuna perinteisten lämmönsiirtonesteiden lämmönjohtavuuksiin. Tässä työssä tarkastellaan nanofluidien soveltuvuutta elektroniikan jäähdytykseen. Työ on toteutettu kirjallisuustutkimuksena. Työn tavoite on perehtyä nanofluidien termofysikaalisiin ominaisuuksiin ja selvittää, mitä mahdollisuuksia ja ongelmia liittyy nanofluidien käyttöön lämmön poistamiseksi elektronisista laitteista. Teoriaosuudessa tarkastellaan termofysikaalisten ominaisuuksien lisäksi virtausta ja lämmönsiirtoa virtauskanavissa. Termofysikaalisista ominaisuuksista lämmönjohtavuus on eniten tutkittu ominaisuus, sillä se määrittää, kuinka hyvin fluidi kykenee poistamaan lämpöä jäähdytettävästä kohteesta. Kokeellisissa tutkimuksissa oksidipartikkeleilla on havaittu tyypillisesti 0—30 %:n kasvu lämmönjohtavuudessa. Mikrokanavaiset lämpönielut (engl. micro-channel heat sink) ovat nanofluidien lupaavimpia sovelluskohteita elektroniikan jäähdytyksessä. Mikrokanavaisten lämpönielujen kokeellisissa tutkimuksissa on mitattu jopa yli 70 %:n parannuksia lämmönsiirtokertoimessa, kun lämmönsiirtonesteeseen on lisätty nanopartikkeleita. Lämmönsiirtokertoimen parannukset eivät selity pelkästään kasvaneella lämmönjohtavuudella, vaan myös muita lämmönsiirtomekanismeja pitää huomioida parannusten selittämiseksi. Lupaavia tuloksia on saatu myös muilla jäähdytystekniikoilla, kuten lämpöputkilla ja nykyisillä kaupallisilla jäähdyttimillä. Kokeellisia tuloksia ei osata kuitenkaan selittää kattavasti nykyisellä teorialla, ja nanofluidien ominaisuudet voivat muuttua arvaamattomasti. Uusia lämmönsiirtomekanismeja on ehdotettu selittämään teoriasta poikkeavia tuloksia ja niiden perusteella on esitetty useita malleja kuvaamaan nanofluidien ominaisuuksia. On mahdollista, että nanofluideja hyödynnetään elektroniikan jäähdytyksessä tulevaisuudessa. Nanofluidien käyttöön liittyy kuitenkin vielä haasteita, jotka on ratkaistava ennen niiden hyödyntämistä käytännön sovelluksissa. Suurimpia haasteita ovat puutteellinen ymmärrys lämmönsiirtomekanismeista, pitkäaikainen stabiilius, taloudelliset haasteet, painehäviöt, tukkiutuminen sekä mahdolliset ympäristö- ja terveyshaitat. Nanofluidien tutkimus on vielä melko alkuvaiheessa ja se on painottunut lähinnä termiseen suorituskykyyn. Laaja-alaista lisätutkimusta vaaditaan paremman ymmärryksen saavuttamiseksi. Tarkempi tutkimus erityisesti pitkäaikaisen käytön haitoista termofysikaalisten ominaisuuksien lisäksi on tärkeää käytännön sovellusten kannalta.