Die Ableitung hoher Wärmeflüsse durch Mikrokanalkühlung hat viele Anwendungen für das Wärmemanagement in der elektronischen Kühl- und Verfahrenstechnik. Sowohl die einphasige Kühlung als auch die zweiphasige Kühlung in Mikrokanälen wurden von verschiedenen Forschern untersucht. Aufgrund der hohen Oberflächen-Volumenverhältnisse in Mikrokanälen sind Mikrokanäle im Vergleich zu herkömmlichen Kühlgeräten effizienter. Unter Berücksichtigung des latenten Wärmeübertragungs-koeffizienten während des Phasenübergangs kann die Zweiphasenkühlung ein besseres Wärmemanagementsystem liefern. Jedoch kann Zweiphasen-Siedeströmung mehrere Schwierigkeiten und Instabilitäten wie Druckschwankungen, Austrocknung und Rückströmung verursachen. Aufgrund dieser Instabilitäten wollen wir lokale Sensoren entwickeln, die Informationen auslesen, die auf elektrischen Strömungseigenschaften basieren. Die wichtigsten Einflussfaktoren, die hier eine Rolle spielen, sind die Dielektrizitätskonstante und die Leitfähigkeit.

Genaue Kenntnisse über den Mikroverdampfungsprozess können helfen, die Mikrostrukturgeometrie für verschiedene Anwendungsszenarien zu optimieren. Um den physikalischen Mechanismus des Siedens in einem Mikrokanal besser verstehen zu können, wurde die Phasenänderung in einem einzelnen Mikrokanal und anschließend die Strömungswechselwirkung in zwei verbundenen Mikrokanälen während des Verdampfungsprozesses erforscht.

Der experimentelle Teil des Projekts hat das Ziel, Impedanzsensoren über der Siedeströmung einzusetzen und Videografie als Verweis auf die Messungsvalidierung zu verwenden. Um diese Messungen durchzuführen, werden Indiumzinnoxid-Elemente als Sensoren verwendet, ein transparentes leitendes Material. Die Impedanz der Zweiphasen-Strömung innerhalb des Kanals wird mit einem Tischplatten-LCR-Messgerät erfasst. Nach der Nachbearbeitung der Impedanzmessungen ist das Strömungsmuster der Zweiphasen-Strömung nachweisbar. Die Detektion des Strömungsregimes wird ebenfalls mit aufgezeichneten Videos validiert. Eine weitere Zielsetzung dieser Experimente ist die Erstellung eines vollständigen Strömungsregimeplans und die Datenreduzierung von in einem einzelnen metallischen Mikrokanal kochendem Wasser. Zwei Prüfeinrichtungen stehen sowohl im IMTEK als auch im KIT-IMVT zur Verfügung, um die Videografie und Elektromessungen an der Zweiphasen-Siedeströmung parallel durchzuführen.

Wir haben die zweiphasigen VOF-Simulationen mit dem interThermalPhaseChange Solver in OpenFOAM realisiert. Parametrische Untersuchungen der zuvor festgelegten Blasenposition wurden im Ein- und Zweikanalbetrieb mit Analyse von Druck, Strömungsfeldern und Wärmeübertragung durchgeführt, was zu einem Kräftegleichgewicht und ausführlichem Blasenwachstum führte.

Darüber hinaus haben wir mathematische Modelle entwickelt, indem wir eine praxisorientierte Mischung aus empirischen Zusammenhängen, numerischer Diskretisierung und analytischen Modellen verwendet haben, um die verschiedenen Strömungsmuster abzudecken, einschließlich "bubbly flow" (Blasenfluss), "slug flow" (Segmentfluss) und "annular flow" (Fadenfluss) im Verdampfungsprozess durch einen einzelnen Mikrokanal. Diese Modellierungsnormen liefern den lokalen Wärmeübertragungskoeffizienten und den Druckabfall in der Länge des Mikrokanals. Zum Abschluss verglichen wir die entwickelten, auf Strömungsregimes basierten Modelle mit der erhaltenen Versuchsdatenbank.