ナノ流体の毛管輸送に対する熱泳動効果

ナノ流体は、1 nm から 100 nm までのサイズの粒子の希釈懸濁液で、基本流体 (水など) に懸濁しています。ベース流体と比較して、ナノ流体は、熱伝導率、比熱容量などの優れた熱物理属性を明確に備えています。

したがって、ヒート パイプや電子デバイスの冷却コンポーネントなど、かなりの温度差が存在する狭い範囲で熱物理特性を強化するために利用できます。

このような閉じ込めの主な長さスケールは、ミクロンの範囲にあります。その結果、マイクロ流体閉じ込めにおけるナノ流体の毛細管輸送に対する熱泳動効果の研究が非常に重要になります。

懸濁液に温度差が生じると、熱泳動によって浮遊粒子に力が加わり、その結果、粒子の移動速度が変化します (ランタンの黒化など)。このような温度勾配は、懸濁液の流速を調節するために適切に利用することができる。さらに、既存の温度勾配を使用して、懸濁液中の異なる粒子を分離することができます。このようなシステムのコンテキストでは、ナノ粒子の移動は、最終的に、既存の熱場によって決定される優先的な堆積をもたらします。ナノ粒子の分離は、均一な懸濁液を実現するという文脈だけでなく、運用コストを最小限に抑えるために不可欠な粒子回収システムの設計においても、非常に重要です。

ここでは、ナノ粒子を含んだ流体が温度勾配によって輸送される可能性がある新しいメカニズムを明らかにしました (図 1 を参照)。この動きの原因となる主な力は、表面張力、粘性抵抗、および熱泳動です。

第１に、粒子の移動に対する温度勾配の効果が研究された。拡散と熱泳動という 2 つの異なる体制が存在することがわかりました。より小さいナノ粒子の沈着は拡散力によって支配されますが、より大きいナノ粒子の沈着は熱泳動によって決定されます。その結果、大きな粒子は壁に向かって移動し、小さな粒子と比較して、壁近くの濃度が高くなります。次に、拡散粒子沈着から熱泳動優勢な移動への移行が、懸濁液の粒子保持能力を決定します。

温度勾配の増加に伴い、原点から一定の距離にあるチャネルの中心近くの粒子の濃度が低下します。所与の懸濁液の粒子含有量の推定値は、マイクロスケールの閉じ込めでナノ流体を含むさまざまなエンジニアリング アプリケーションで粒子を取得する際に適切に利用できます。

熱泳動力は、その後、さまざまな温度勾配の存在下で、さまざまな粒子サイズについて、計算された温度および濃度場に基づいて推定されます。より大きな粒子を含む懸濁液では、熱泳動力がかなり増加することが観察されています。また、温度勾配の増加に伴い、特定のナノ流体の熱泳動力が著しく増加しました。結果は、純粋に表面張力によって駆動される輸送と比較して、温度勾配が明らかに懸濁液の流速を高めることを明らかにしています (図 2 [右] を参照)。ただし、この程度の強化は飽和します。一定の温度差を超えると、毛管輸送速度は大幅に増加しません。したがって、希望する流量に応じて、エネルギー コストを最適化できます。

仕事の重要な関連性は広範囲に及びます。実際には、適用された温度差とマイクロチャネル内のナノ流体のポンプ速度との間の相関関係を概説しようとしました。これは、最先端の電子機器の冷却システムの設計に徐々に採用されています。

さらに、この作業は、不均一な懸濁液中のナノ粒子を分離するために、局所的な温度差を適切に利用できることを示しています。重要なことは、適切な温度制御によって、懸濁液の望ましい輸送速度を達成できることです。これにより、エネルギー コストが大幅に削減され、その結果、工学設​​計が最適化されます。

これらの調査結果は、ジャーナル Advanced Powder Technology に最近掲載された、マイクロチャネル内のナノ流体の熱泳動駆動キャピラリー輸送というタイトルの記事で説明されています。 .この作業は、インド工科大学カラグプール校の Soumya Bandyopadhyay (二重学位修士課程の学生) と Suman Chakraborty (教授) によって実施されました。