Tính toán tối ưu khả năng trao đổi nhiệt và dòng chảy của kênh micro thẳng dòng hai pha bằng phương pháp ma trận trực giao taguchi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ NHIỆT – ĐIỆN LẠNH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD: ThS. LÊ BÁ TÂN

ĐỀ TÀI: TÍNH TỐN TỐI ƯU KHẢ NĂNG TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ DÒNG
CHẢY CỦA KÊNH MICRO THẲNG DÒNG HAI PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP
MA TRẬN TRỰC GIAO TAGUCHI

TP. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2019


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
CHUYÊN NGÀNH: NHIỆT ĐIỆN - LẠNH
ĐỀ TÀI: TÍNH TỐN TỐI ƯU KHẢ NĂNG TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ DÒNG
CHẢY CỦA KÊNH MICRO THẲNG DÒNG HAI PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP
MA TRẬN TRỰC GIAO TAGUCHI
GVHD: ThS. LÊ BÁ TÂN

SINH VIÊN THỰC HIỆN
1. NGUYỄN VĂN HÙNG
2. TRẦN MINH LỘC
3. HỒ HỮU PHƯỚC
4. NGUYỄN THANH TÙNG

TP. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2019

MSSV
15147097
15147106
15147117
15147141


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA

TP.HCM

VIỆT NAM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

TP. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm ……

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1. Họ tên sinh viên
1. Nguyễn Văn Hùng

MSSV: 15147097

2. Trần Minh Lộc

MSSV: 15147106

3. Hồ Hữu Phước

MSSV: 15147117

4. Nguyễn Thanh Tùng

MSSV: 15147141

Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Nhiệt Mã ngành đào tạo: 147
Hệ đào tạo: Chính quy
2. Thơng tin đề tài
Tên của đề tài: Tính tốn tối ưu khả năng trao đổi nhiệt và dòng chảy của kênh
micro thẳng dòng hai pha bằng phương pháp ma trận trực giao Taguchi.
Mục đích của đề tài: Tính tốn và tối ưu khả năng trao đổi nhiệt và dòng chảy
của kênh micro thẳng dòng hai pha bằng ma trận trực giao Taguchi.
Đồ án tốt nghiệp được thực hiện tại: Bộ Môn Công Nghệ Kĩ Thuật Nhiệt, Khoa
Cơ Khí Động Lực, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh.
Thời gian thực hiện: Từ ngày 02/05/2019 đến 25/07/2019


2.1. Các nhiệm vụ cụ thể của đề tài
-

Nhiệm vụ 1: Tìm hiểu tổng quan về các nghiên cứu về kênh micro.

-

Nhiệm vụ 2: Phân tích các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng trao đổi nhiệt và dòng
chảy của kênh micro bằng ma trận trực giao Taguchi

-

Nhiệm vụ 3: Xây dựng model và tiến hành mô phỏng kiểm tra các yếu tố gây ảnh
và đưa ra phương hướng tối ưu.
2.2. Lời cam đoan của sinh viên

Chúng tôi cam đoan ĐATN là cơng trình nghiên cứu của bản thân chúng tôi dưới
sự hướng dẫn của ThS. Lê Bá Tân.
Các kết quả công bố trong ĐATN là trung thực và không sao chép từ bất kỳ cơng
trình nào khác.
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………
Xác nhận của Bộ Môn

Tp.HCM, ngày……. tháng năm 2019
Giáo viên hướng dẫn
(Ký ghi rõ họ tên và học hàm học vị)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA

TP. HCM
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

VIỆT NAM
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

Bộ môn: Công Nghệ Kỹ Thuật Nhiệt

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
(Dành cho giảng viên hướng dẫn)
Tên đề tài: Tính tốn tối ưu khả năng trao đổi nhiệt và dòng chảy của kênh
micro thẳng dòng hai pha bằng phương pháp ma trận trực giao Taguchi.
Họ tên sinh viên:
1. Nguyễn Văn Hùng

MSSV: 15147097

2. Trần Minh Lộc

MSSV: 15147106

3. Hồ Hữu Phước

MSSV: 15147117

4. Nguyễn Thanh Tùng

MSSV: 15147141

Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Nhiệt.
Họ và tên GV hướng dẫn: ThS. Lê Bá Tân
I.Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Về hình thức trình bày & tính hợp lý của cấu trúc đề tài:
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
2. Về nội dung (đánh giá chất lượng đề tài, ưu/khuyết điểm và giá trị thực tiễn)
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
II. NHỮNG NỘI DUNG CẦN ĐIỀU CHỈNH, BỔ SUNG
...........................................................................................................................................


...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
III. ĐÁNH GIÁ

TT

Mục đánh giá

Điểm

Điểm

tối đa

đạt
được

1

2

Hình thức và kết cấu ĐATN
Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các

30
10

mục
Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài
Tính cấp thiết của đề tài
Nội dung ĐATN
Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ

10
10
50
5

thuật, khoa học xã hợi…
Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá
Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc

10
15

quy trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc
thực tế.
Khả năng cải tiến và phát triển
Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên
3
4

ngành…
Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài
Sản phẩm cụ thể của ĐATN
Tổng điểm

15
5
10
10
100

IV. Kết luận:


Được phép bảo vệ



Không được phép bảo vệ

TP.HCM, ngày.......tháng 07 năm 2019
Giảng viên hướng dẫn


(Ký, ghi rõ họ tên)


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA

TP. HCM
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

VIỆT NAM
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

Bộ môn: Công Nghệ Kỹ Thuật Nhiệt

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dành cho giảng viên phản biện)
Tên đề tài: Tính tốn tối ưu khả năng trao đổi nhiệt và dòng chảy của kênh micro
thẳng dòng hai pha bằng phương pháp ma trận trực giao Taguchi.
Họ tên sinh viên
1. Nguyễn Văn Hùng
2. Trần Minh Lộc
3. Hồ Hữu Phước
4. Nguyễn Thanh Tùng

Chuyên ngành: Nhiệt – điện lạnh

Họ và tên GV phản biện: GV Đoàn Minh Hùng
I. NHẬN XÉT
1. Về hình thức trình bày & tính hợp lý của cấu trúc đề tài
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
2. Về nội dung (đánh giá chất lượng đề tài, ưu/khuyết điểm và giá trị thực tiễn)
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
II. NHỮNG NỘI DUNG CẦN ĐIỀU CHỈNH, BỔ SUNG
...........................................................................................................................................


...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
III. CÂU HỎI
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................


IV. Đánh giá:
Điểm

Điểm đạt

được

Hình thức và kết cấu ĐATN
Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các

tối đa
30
10

mục
Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài
Tính cấp thiết của đề tài
Nội dung ĐATN
Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ

10
10
50
5

TT
1.

2.

Mục đánh giá

thuật, khoa học xã hợi…
Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá

10

Khả năng thiết kế, chế tạo một hệ thống, thành phần,

15

hoặc quy trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng
buộc thực tế.
Khả năng cải tiến và phát triển
Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm,..
Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài
Sản phẩm cụ thể của ĐATN
Tổng điểm

3.
4.

V. Kết luận:


Được phép bảo vệ



Không được phép bảo vệ

15
5
10
10

100


TP.HCM, ngày.......tháng 07 năm 2019
Giảng viên phản biện
(Ký, ghi rõ họ tên)


MỤC LỤC

12


DANH MỤC HÌNH ẢNH

13


DANH MỤC BẢNG

14


DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
L: Chiều dài (mm)
W: Chiều rộng (mm)
H: Chiều cao (mm)
Z: Bề dày (mm)
Dh: Đường kính thủy lực (µm)
P: Áp suất (Pa)

: Nhiệt trở
: Nhiệt lượng truyền (W)
: Lưu lượng khối lượng (kg/s)
q: Mật độ dòng nhiệt (W/m2)
A: Diện tích mặt cắt ngang (m2)
∆T: Hiệu nhiệt độ (0C)
∆P: Hiệu áp suất (Pa)
S/N: (Signal / Noise)
: Hệ số khuếch tán nhiệt (m2/s)
cp: Nhiệt dung riêng khối lượng (kJ / kg độ)
: Trọng lượng riêng (kg / m3)
STT: Số thứ tự


15


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này một cách tốt đẹp, nhóm chúng em đã nhận
được sự hỗ trợ, giúp đỡ rất lớn từ thầy cô, gia đình và bạn bè. Cho phép chúng em
được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến với tất cả các thầy cơ đã tận tình tạo điều
kiện giúp đỡ chúng em trong suốt thời gian nghiên cứu đề tài.
Lời đầu tiên, nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến tất
cả Thầy, Cô trong khoa Cơ Khí Động Lực đã hết lịng dạy dỗ và truyền đạt kiến thức
cho chúng em trong suốt bốn năm qua. Cảm ơn gia đình và bạn bè đã hỗ trợ cũng
như tạo điều kiện tốt nhất cho chúng em thực hiện tốt đồ án nghiên cứu này.
Đặc biệt chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến Thầy ThS. Lê Bá
Tân, thầy bỏ biết bao công sức, cũng đã tạo điều kiện tốt nhất để giúp chúng em
hồn thành tốt q trình nghiên cứu. Khi được làm việc với thầy, nhóm chúng em đã
học được những kinh nghiệm quý giá không chỉ là kiến thức mà còn là kỹ năng, thái

độ nghiên cứu cũng như tác phong làm việc của thầy, những điều vô cùng cần thiết
đối với chúng em trong quá trình nghiên cứu cũng như là đối với công việc sau này.
Sau cùng cũng không thể không kể đến sự giúp đỡ từ phía lãnh đạo khoa đã
tạo điều kiện về cơ sở vật chất giúp chúng em có một mơi trường tốt để thực hiện đề
tài.
Do kinh nghiệm còn hạn chế, trong q trình thực hiện đề tài chúng em khó
có thể tránh được những thiếu sót. Vì vậy, nhóm chúng em mong nhận được sự chỉ
bảo, đóng góp ý kiến từ các thầy cơ để chúng em có điều kiện bổ sung, nâng cao
kiến thức của mình, phục vụ tốt hơn công tác thực tế sau này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!

16


TĨM TẮT
Đề tài nghiên cứu mơ hình mơ phỏng kênh micro bằng phần mềm Ansys để tìm
ra các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng trơi đổi nhiệt và dịng chảy hay vị trí chuyển pha
của mơi chất trong kênh (nước trong kênh). Đưa ra nhận xét đánh giá các yếu tố nhằm
lựa chọn ra phương án tốt nhất để tiến hành xây dựng model thực tế, để tiết kiệm được
thời gian và tiền bạc.
Nghiên cứu về những yếu tố tác động đến vị trí chuyển pha trong kênh micro.
Nhóm em chọn 3 yếu tố tác động đến vị trí chuyển pha của kênh gồm các giá trị nhiệt
độ nước vào, vận tốc nước đầu vào và vật liệu chế tạo kênh để tiến hành mơ phỏng. Từ
đó, tiến hành xây dựng mơ hình, mơ phỏng và xử lí số liệu bằng cách dùng các phương
pháp kiểm định có uy tính trong thống kê học: Taguchi và Anova. Và ba phần mềm hỗ
trợ build model – Inventer, phần mềm mô phỏng – Ansys 14.0 và phần mềm thống kê
Minitab.
Sau khi thực hiện mô phỏng và kiểm định bằng các phương pháp ma trận trực
giao, thống kê. Nhóm đi tới kết luận về các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng trao đổi
nhiệt và hiệu suất của kênh micro như sau:

Yếu tố
Độ chênh lệch
nhiệt độ
Độ chênh lệch
áp suất
Vị trí chuyển
pha trong
kênh

Nhiệt độ
nước đầu vào
(oC)

Vận tốc
(m/s)

Vật liệu
chế tạo

Yếu tố ảnh hưởng lớn
nhất

40

0,1

Đồng

Vật liệu chế tạo kênh

dẫn

40

0,06

Đồng

Vận tốc nước đầu vào

50

0,08

Nhôm

Nhiệt độ nước đầu vào

17


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1. GIỚI THIỆU KÊNH MICRO

Do sự phát triển nhanh chóng trong một loạt các cơng nghệ trong thế kỷ XX, các
yêu cầu tản nhiệt đã tăng rất nhanh, đặc biệt là từ các hệ thống nhỏ gọn cần phải loại
bỏ dòng nhiệt cao khỏi các hệ thống này như chip máy tính hiệu suất cao, điot laser và
lò phản ứng tổng hợp hạt nhân và phản ứng phân hạch để đảm bảo sự hoạt động ổn
định và kéo dài tuổi thọ của chúng, việc sử dụng các thiết bị làm mát đối lưu cưỡng
bức thì bị hạn chế bỡi các yêu cầu về tốc độ của dòng chảy quá cao, vấn đề về tiếng ồn

và rung động, cho nên kênh tản nhiệt kênh micro dường như là công nghệ làm mát
đáng tin cậy nhất về khả năng tản nhiệt vì chúng cung cấp diện tích bề mặt trao đổi
nhiệt lớn trên một đơn vị lưu lượng chất lỏng. Do đó, tạo điều kiện cho tốc độ trao đổi
nhiệt nhanh, việc sử dụng vi mạch có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác
nhau, ví dụ như cánh tuabin, động cơ tên lửa, xe hybrid, kho hydro, làm lạnh, điều
khiển nhiệt trong các vòng bơm vi trọng lực và mao dẫn.
1.2. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ
1.2.1. Đối tượng nghiên cứu

Kênh micro được hiểu một cách đơn giản là một kênh vi mạch với các kênh và
cánh trao đổi nhiệt có kích thước nhỏ được chế tạo từ silicon, nhôm, đồng, …được
dùng cho việc tản nhiệt trong các hệ thống và các thiết bị điện tử.
Ứng dụng của kênh micro trong tản nhiệt ngày càng phát triền, công nghệ chế
tạo, vật liệu dùng để chế tạo kênh micro từ việc thu nhỏ kỹ thuật gia cơng (khắc hóa
ướt bất đẳng hướng, khắc khơ plasma và micromachining bề mặt, cắt laser) và phát
triển nghiên cứu vật liệu chế tạo kênh micro (silicon, nhôm, glass, …).
1.2.2. Ứng dụng cơng nghệ

Bộ trao đổi nhiệt kênh micro có ứng dụng trong một số lĩnh vực quan trọng và đa
dạng bao gồm: Hàng không vũ trụ, ô tô, kỹ thuật sinh học, làm mát các cánh tuabin
khí, cơng nghiệp điện và q trình, điện lạnh và điều hịa khơng khí, máy dị hồng
ngoại và gương laser và chất siêu dẫn mạnh mẽ, vi điện tử.
1.2.2.1.

Ứng dụng vi kênh trong giải nhiệt các linh kiện điện tử.

Một trong những kỹ thuật làm mát chất lỏng đầy hứa hẹn cho vi điện tử là gắn
tản nhiệt vi mạch vào hoặc chế tạo trực tiếp vi mạch trên mặt không hoạt động của
chip. Một tản nhiệt vi kênh xếp chồng lên nhau tích hợp nhiều lớp vi mạch và các lớp
18

đa tạp thành một chồng. So với các vi mạch đơn lớp, các vi kênh xếp chồng cung cấp
các dòng chảy lớn hơn, do đó, đối với một tải nhiệt cố định, việc giảm áp suất cần thiết
được giảm đáng kể. Độ đồng đều nhiệt độ tốt hơn có thể đạt được bằng cách sắp xếp
dòng chảy ngược trong các lớp vi mạch liền kề. Các ống góp chuyên dụng giúp phân
phối chất làm mát đồng đều cho vi mạch. Trong công việc hiện tại, một tản nhiệt vi
kênh xếp chồng lên nhau được chế tạo bằng cách sử dụng các kỹ thuật vi mô silicon.
Hiệu suất nhiệt của tản nhiệt vi kênh xếp chồng lên nhau được đặc trưng thông qua các
phép đo thử nghiệm và mô phỏng số. Ảnh hưởng của hướng dòng nước làm mát, phân
bổ tốc độ dịng giữa các lớp và gia nhiệt khơng đồng nhất được nghiên cứu. Hồ sơ
nhiệt độ tường được đo bằng cách sử dụng một loạt chín máy phát hiện nhiệt độ điện
trở màng mỏng bạch kim lắng đọng đồng thời với máy sưởi bạch kim màng mỏng ở
mặt sau của cấu trúc xếp chồng lên nhau. Hiệu suất làm mát tổng thể tuyệt vời
(0,09°C/W cm2 ) cho các tản nhiệt vi kênh xếp chồng lên nhau đã được hiển thị trong
các thí nghiệm. Người ta cũng đã xác định rằng trong phạm vi tốc độ dòng chảy được
thử nghiệm, sự sắp xếp dòng chảy mang lại sự đồng đều nhiệt độ tốt hơn, trong khi
dịng chảy song song có hiệu suất tốt nhất trong việc giảm nhiệt độ đỉnh. Các hiệu ứng
truyền nhiệt liên hợp cho các vi kênh xếp chồng cho các điều kiện dòng chảy khác
nhau được nghiên cứu thông qua các mô phỏng số. Dựa trên các kết quả, một số
hướng dẫn thiết kế chung cho các tản nhiệt vi kênh xếp chồng được cung cấp.

Hình 1.1. Một thẻ nhớ flash với một tản nhiệt màu đen

19


Hình 1.2. Hệ thống làm mát của card đồ họa Asus GTX - 650

Hình 1.3. Đèn LED cơng suất cao của Công ty Chiếu sáng Philips Lumileds gắn trên

PCB lõi nhơm hình sao 21
1.2.2.2.

Ứng dụng của vi kênh trong giải nhiệt máy tính.

Hệ thống làm mát sử dụng các rãnh nhỏ song song được gọi là các vi rãnh
(microchannel) được cắt trên bề mặt chip và được bao phủ lên trên bằng một tấm kim
loại. Hydrofluorocarbon, một loại chất lỏng được sử dụng trong máy điều hóa khơng
khí để làm mát khơng khí, sẽ được đẩy qua các lổ nhỏ của tấm kim loại gọi là microjet
và đi vào các rãnh để đưa nhiệt ra khỏi chip.
20


Khi đi theo các rãnh, bọt của chất lỏng và một phần bị bốc hơi sẽ làm tăng thêm
khả năng làm mát. Sau mỗi lần đi qua chip, chất lỏng và hơi lại quay trở về vị trí cũ để
bắt đầu một vịng lặp mới, tại đó tất cả sẽ được chuyển về trạng thái chất lỏng hoàn
toàn để rồi sau đó tiếp tục đi đến các rãnh để làm mát chip.
Và khi các con chip được dùng trong các hệ thống máy tính hiện đại đó trở nên
nhỏ hơn và mạnh hơn, các nhà khoa học phải tìm cách để loại bỏ lượng nhiệt phát sinh
vì đó là mối nguy cơ gây nóng chảy đối với các thiết bị điện tử.

Hình 1.4. Tản nhiệt trên bộ xử lý của máy tính cá nhân
1.2.2.3.

Ứng dụng của tản nhiệt vi kênh trên sử dụng cho các thiết bị điện tử

có cơng suất lớn và các thiết bị quân sự.
Các nhà khoa học của đại học Purdue (Mĩ) đã “mượn” công nghệ của máy điều
hòa nhiệt độ để áp dụng vào việc hạ nhiệt liên tục cho các chip máy tính, đây được
xem là một phương pháp đột phá để duy trì sự ổn định trong vận hành các hệ thống

máy tính lớn dành cho quân sự.
Các hệ thống thí nghiệm của các nhà khoa học, “thổi” chất làm lạnh đi qua các
rãnh nhỏ trong các chip, sẽ được sử dụng cho các thiết bị điện tử có cơng suất lớn
thường thấy trong các máy radar và các hệ thống vũ khí hiện đại như vũ khí laser,
Issam Mudawar, giáo sư ngành kỹ thuật cơ khí tại đại học Purdue cho biết.

21


Mudawar, người dẫn đầu nhóm nghiên cứu, nói rằng hệ thống làm mát mới có
thể làm mát các con chip, thường tỏa nhiệt hơn 1.000 Watt, trên mỗi 0,5 inch vng
của hệ thống mạch.
Giáo sư nói điều này sẽ đem lại hiệu quả “giải nhiệt” gấp năm lần cho các hệ
thống vốn đang dùng phương pháp làm mát bằng không khí để tản nhiệt cho các bộ vi
xử lí, “Về cơ bản, những gì chúng tơi đang làm là nhằm mở ra một cơ hội mới cho vấn
đề tản nhiệt, từ đó các nhà phát triển chip có thể chế tạo nên các con chip mạnh mẽ
hơn, đáp ứng được những yêu cầu, đòi hỏi khắt khe hơn”

Những lợi thế của bộ trao đổi nhiệt vi kênh bao gồm thông lượng nhiệt thể tích
cao, nhỏ gọn cho các ứng dụng quan trọng trong khơng gian nhỏ hẹp, phân phối dịng
chảy hiệu quả, …. Chương này sẽ bao gồm các ví dụ công nghiệp được lựa chọn cho
các bộ trao đổi nhiệt vi kênh, ống dẫn nhiệt vi mạch và các tấm nhiệt vi mạch.
1.3. CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN

Kênh micro là đề tài rất được quan tâm, mang tính thực tiễn trong và ngoài nước,
tuy nhiên hướng nghiên cứu hiện nay tập trung chủ yếu vào các hướng chính sau:
- Nghiên cứu về dòng chảy
- Nghiên cứu về các loại hình dạng, kích thước khác nhau của kênh.
- Nghiên cứu về vật liệu chế tạo và môi chất sử dụng trong kênh.
- Nghiên cứu về tổn thất áp suất

- Nghiên cứu về hệ số truyền nhiệt trong kênh.
1.3.1. Các nghiên cứu ngồi nước
1.3.1.1. Nghiên cứu về dịng chảy

Sobierska cùng với cộng sự [3] đã tiến hành thực hiện thí nghiệm sử dụng mơi
chất là nước trong kênh micro hình chữ nhật với vật liệu là đồng có kích thước () và
quan sát thấy được sự sủi bọt và nước bắt đầu có sự sơi và chuyển pha.
Chen và Garimella [4] đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm với 24 kênh micro
vng có kích thước cạnh Họ đã thực hiện các thí nghiệm trong phạm vi của thơng
lượng nhiệt và thơng lượng khối lượng. Họ quan sát thấy rằng ở thông lượng nhiệt
thấp, dòng chảy sủi bọt chiếm ưu thế, với các bong bóng kết hợp lại tạo thành các sên
hơi với sự gia tăng của thông lượng nhiệt. Ở các dòng nhiệt cao, các chế độ dòng chảy
sau khi dòng chảy sên ở phần hạ lưu của vi mạch có đặc điểm của dịng chảy hình
khun xen kẽ và dịng chảy hỗn hợp Hình 1.4 trong khi dịng chảy ngược được quan
22


sát thấy ở đầu vào vi mạch. Họ gắn các mơ hình dịng chảy xen kẽ cho dịng chảy
ngược về phía đầu vào và thấy rằng sự đảo chiều dịng chảy tiếp tục khi dịng nhiệt
được tăng lên và nó kéo dài cho đến khi đạt được sự bay hơi hồn tồn của kênh.

Hình 1.5. Sự biến đổi định kỳ của các dòng chảy theo thời gian (Chen và Garimella).
1.3.1.2.

Nghiên cứu về kích thước và mơi chất dùng trong kênh

Tuckerman và Pease [5] đã phát triển hệ thống tản nhiệt vi mạch cho các con
chíp được tạo thành từ silicon với mơ hình tản nhiệt (chiều rộng kênh , chiều dày
vách , chiều cao kênh ) và thu được kết quả là loại bỏ được nhiệt lượng Q = 790
W/cm2 và nhiệt trở là tương đối thấp với lưu chất là nước.

Các mơi chất khác nhau tạo ra các dịng chảy khác nhau trong kênh micro và sự
truyền nhiệt cũng khác nhau. Nomura và Kumano [6] đã nghiên cứu bằng thực nghiệm
về dòng chảy của thể sữa (emulsion) dầu trong nước trong kênh micro. Thể sữa là hỗn
hợp của hai chất không trộn lẫn và được dùng trong nhiều lĩnh vực cơng nghiệp. Các
đặc tính dịng chảy và đặc tính truyền nhiệt của dòng được đo đạc và cho thấy thể sữa
này trong kênh micro có thể được xem như một chất lỏng Newton. Đặc tính truyền
nhiệt của thể sữa này trong kênh micro gia tăng khi các phân tử dầu có kích thước lớn.
Người ta cũng tìm ra điều kiện để cho thể sữa này có thể được xem như dịng một pha.
Mơi chất nano hiện rất được quan tâm vì có nhiều đặc tính ưu việt so với các môi
chất thông thường. Halelfadl cùng với cộng sự [7] đã nghiên cứu việc tối ưu hóa kênh
micro hình chữ nhật bằng việc sử dụng môi chất nano carbon lỏng như chất làm lạnh.
Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng mơi chất nano làm giảm nhiệt trở tồn phần và có
thể gia tăng đáng kể hiệu quả truyền nhiệt của môi chất ở nhiệt độ cao.
Abubakar cùng với cộng sự [8] đã nghiên cứu sự truyền nhiệt trong kênh micro
ba chiều hình chữ nhật bằng mơ phỏng số với phần mềm Ansys 14.0. Kích thước của
kênh là dài , rộng và sâu . Mật độ dịng nhiệt khơng đổi được áp vào mặt trên của thiết
23


bị. Môi chất được sử dụng là nước và Fe3O 4 - H2O4 với tỷ lượng theo thể tích (volume
fraction) từ 0,4 % đến 0,8 %. Kết quả cho thấy đối với Fe 3O4 - H2O4, lưu chất gần
tường có nhiệt độ cao hơn lưu chất ở giữa kênh. Do đó, sự có mặt của các phân tử
nano Fe3O4 - H2O4 có tác dụng giảm nhiệt độ bề mặt khi tỷ lượng theo thể tích tăng lên
nhờ vào độ nhớt động lực (dynamic viscosity) cao hơn và công suất nhiệt (heat
capacity) thấp hơn so với nước nguyên chất.
Nimmagadda cùng với cộng sự [9] đã nghiên cứu bằng mô phỏng số dịng chảy
và các đặc tính truyền nhiệt của các mơi chất nano nhôm oxit (Al2O3), bạc (Ag) và hỗn
hợp Al2O3 + Ag trong một kênh micro rộng hình chữ nhật. Kích thước kênh là dài ,
rộng và cao . Hiện tượng truyền nhiệt của vùng rắn cho thấy tác dụng đáng kể của mơi
chất nano lên các đặc tính truyền nhiệt. Một mơ hình truyền nhiệt liên hợp một pha hai

chiều đã được phát triển và kết quả được trình bày cho các số Reynolds khác nhau từ
200 đến 600 và mật độ dịng nhiệt khơng đổi . Kết quả cho thấy hệ số truyền nhiệt đối
lưu trung bình tăng cùng với số Reynolds và nồng độ thể tích (volume concentration)
của phân tử nano. Hơn nữa, các môi chất nano làm gia tăng đáng kể hệ số truyền nhiệt
đối lưu so với nước nguyên chất. Ngoài ra, việc sử dụng môi chất nano hỗn hợp (như
Al2O3+Ag) với nồng độ thể tích lớn (3%) làm giảm giá thành của mơi chất và gia tăng
các đặc tính truyền nhiệt so với các môi chất nano kim loại thuần (như Ag).

24


Bảng 1.1. Bảng các nghiên cứu về vật liệu chế tạo và môi chất dùng trong kênh.
Các nghiên
cứu
Tuckerman
và Pease
[5]
Nomura và
Kumano
[6]
Halelfadl
cùng với cộng
sự
[7]
Abubakar
cùng với cộng
sự
[8]
Nimmagadda
cùng với cộng

sự
[9]

Vật liệu / Hình dạng

Mơi chất làm
việc

Lưu lượng

Nước

Khơng rõ

Thể sữa dầu
trong nước

Khơng rõ

Vật liệu: silicon
Hình chữ nhật

Hình chữ nhật

Kênh chữ nhật

Nước, nano
carbon lỏng

Kênh chữ nhật

Nước nguyên
chất,
Fe3O4- H2O4

Không rõ

Môi chất nano
Al2O3, Ag và
Al2O3+Ag

Không rõ

Kênh chữ nhật

1.3.1.3. Nghiên cứu về hình dạng, kích thước khác nhau của kênh

Singh cùng các cộng sự [10] đã nghiên cứu các kênh micro hình chữ nhật được
chế tạo với các kích thước (chiều rộng đến độ sâu) khác nhau nhưng đường kính thủy
lực khơng thay đổi và có giá trị là Dh = 142 ÷ 2 và chiều dài . Trong nghiên cứu này,
môi chất làm việc là nước. Họ tập trung vào tác động kích thước trên sự sụt giảm áp
suất tổng thể liên quan nước sôi trong kênh micro của dòng chảy hai pha.
Wan cùng với cộng sự [11] đã nghiên cứu dịng trong kênh micro nửa dập sóng
bằng đồng có mặt cắt hình chữ nhật kích thước với chiều rộng và sâu của các mấu
kênh lần lượt là và và đáy có dạng sóng hình sin với số Reynolds thấp (nhỏ hơn 900).
Kết quả cho thấy kênh micro nửa dập sóng có tổn thất áp suất lớn hơn so với các kênh
micro có đáy phẳng tại cùng số Reynolds, và bước sóng của đáy có tác động quan
trọng tới việc giảm áp suất nhưng ảnh hưởng của biên độ sóng có thể được bỏ qua với
25