Akışkan Mikroelektromekanik Sistemler(Mems):
1—Tanım:
Boyutları 1 mikron(1/1000.000) metreden 1-2 mm kadar değişen mekanik-optik-akışkan elemanları elektronikle birleştiren mikroskobik sistemler MEMS ler olarak tanımlanmaktadır.Bu sistemler mürekkep püskürtmeli yazıcı enejektörleri vs ile gündelik kullanıma girmiştir.
2-Sistem Mantığı:
1--1m uzuluğundaki makine için yüzey hacim oranı 1 iken 1 mikronluk boyutundaki MEMS aygıtında bu oran 10 üzeri 6 dır.Yani Küçük cihazın kütlesine göre yüzey alanı milyon kat olarak artmıştır.
2-- ısı kaybı milyon kat olarak daha hızlı oluşur.
3--Went e göre 1 mm nin altında yüzey kuvvetleri yerçekimi kuvvetlerinden daha baskındır.Moleküler çekim cihaz kütlesinden bağımsız olup sadece yüzey alanı ile orantılıdır.
4--100 mikronluk motoru çalıştırmak için mutlaka yüzey alanı azaltılmalıdır(yüzey alanına küçük çukurlar oluşturmak-çukurlar ile düzlemsel yüzey alanı delikli olur.Yüzey Alanı1=Topl.yüzey alanı-toplam delik alanı).
5--Gaz akışlarında yine Wan der Walls kuvvetiyle boruya yapışır(emilir) ve monomoleküler tabaka oluşur.Kuru hava-su buharı karışımında suyun emilim enerjisi azot-oksijen den çok daha büyük olduğu için boru cidarı su ile kaplanacaktır.
6--Basınçlı hava tesisatında havanın içindeki suyun kompresör çıkışında kurutucudan alınması ve bu suretle borunun delinmesi engellenir).Bu su film kalınlığı için yaklaşık olarak 2 nm olarak tespit edilmiş olup %100 nemlilikte kalınlık keskince(eksponansiyel olarak) büyümektedir.
3— Mikroelektromekanik Sistemler(Mems)-Mikro Makinalar:
3.1--Mikro-Isı Değiştiriciler:
1--Bu sistemler silikon tabanlı mikrokanal ısı değiştirgeçleri olarak yüksek ısı akılarına sahip olup,bu sistemler ile mikro-elektronik sistemlerin soğutulmasını gerçekleştirebilmektedirler.
2--Örneğin bu yolla 1 cm2 lik yongadan 790 W ısı çekilebilmektedir.Yani ısı akısı 790 W/cm2 dir.Mikro kanallarda ısı çekilmesi sıvı ve sıvı-buhar taşınımı vasıtasyla sağlanabilmektedir.
3--Bu Mikro-kanalların çapı 1-100 mikrona arasında değişirken mini-kanalların çapı ise 1 mm civarındadır.Mikro ısı değiştirgeçlerinde kanat genişliği 20-400 mikron,kanal yüksekliği ise
Bu değerden birkaçyüz mikron daha yüksektir.
3.1--Kanal uzunluğunda 0,1-1 cm arasında olabilir.Katı alt taban kalınlığıda yaklaşık 100 mikron civarında kabul edilebilir.
3.2--Sun mikro sistemleri ısı çekme gereksiniminin işlemci başına 150 W olacağını öngörmektedir.
4--Bu nedenle işlemci kalıp boyutunun küçülmesi ,ölçek boyunun azalması ile ısı akısının eksponansiyel olarak artacağı anlamına gelebilir.Bu tür mikro-ısı değiştirgeçleri için aşağıdaki
5--örnekler değişik araştırmacılar-araştırma enstitülerince imal edilmiştir:
1--Örnek 1- Isı değiştirgeci:Boyutları:20 mm*29 mm*500 mikron
(kanal boyutları:100 mikron*100 mikron*15 mm)
2--Örnek-2-Isı değiştirgeci:kanal boyutları:100*70 mikron….200*200 mikron
Isıl güç:Q<200 kw ,su debisi<7000 kg/h, Su Direnci:R>100 bar
3.2--Mikropompalar:
1--Bu pompalar yerdeğiştirme(dişli-diyafram-piston)pompaları ve dinamik pompalar(santrifüj-elektrohidrodinamik(dielektrik akışkan)-elektrostatik-manyetohidrodinamik) olarak sınıflandırılabilir.
2--Elektroozmotik hareket,eritilmiş silis bir kanal(katı yüzey) içinde bulunan suda(sıvı) ,kanal negatif olarak yüklenirken ,dışarıdan uygulanan elektrik alanı ile katı iç yüzeye yakın iyonik açıdan zengin tabaka katoda doğru hareket edecektir.
2.1--Bu şekilde sıvıda pluk-like tipli hız profilli bir akış oluşur.Bu elektroozmotik akıştır.Elektroforez ise yine dışarıdan uygulanan elektrik alanına bağlı olarak sıvı içinde bulunan yüklü atomlara bağlı oluşan bir akım-hareket şeklidir.Kısaca Elektroozmotik pompalar , elektroozmotik akışa dayanır.
2.2--Elektroozmotik pompalar için 1,5 kV voltaj ile 35 mikron/dk kadar akış hızları elde edilebilir.ve 24 atm=23 bar basınç dahi elde edilebilir.
3--Otomotik olarak kimyasal analiz yapabilen lab-on-a-chip(LOC) cihazları, nano ölçekte sıvı numunenin enjeksiyonu, pompalanması,karıştırılması-ayrıştırılması işlemlerini gerçekleştiren kanallar ağını içerir.
4--Loc cihazlarında kapiler borular yerine polimer mikro kanallarda elektroforez ayrışma gerçekleştirilir.Kapiler elektroforez(CE) için 25-200 mikron çaplı 30-100 cm boyutunda eritilmiş silisten kapiler boru içine konan sıvı 0-30 KV elektrik alan ile,elektrotlar ile boruya uygulanır.ve elektroforez hareket yani sıvı hareket eder.
4.1--LOC cihazlarında tipik mikroçipler için kanal derinliği 10-50 mikron,ve genişliği 50-200 mikron olup,elektroforez ayrışma için 2 kv/cm lik elektrik alanı kanal boyunca uygulanarak sıvı haznesinden bağlantı noktasına taşınır.
5--Dişli pompa için örnek olarak ;geliştirilen bir dişli pompada dişli dairesi iç-dış çapı 596-1192 mikron-yüksekliği 500 mikron ve debisi 1 mililitre/dakika olarak olup akışkan olarak yağ kullanılmıştır.
1--Örnek-1:Çap:596 mikron,modül:38 ,yerdeğiştirme mesafesi:20 derece,şaft boyu:515 mikron
Diş sayısı:12,yükseklik:500 mikron
2--Örnek-2:Çap:1192 mikron,modül:76,yerdeğiştirme mesafesi:20 derece,şaft boyu:1030 mikron
Diş sayısı:12,yükseklik:500 mikron
3--Örnek-3:Pnömatik mikropompa:Boyutlar:17,5*26,5*36,5 mm
Debi:0-0,5 lt/min,vakum:500 mbar,basınç:600 mbar,Besleme Voltajı:1,5-3 V
5.1--Pompa Malzemeleri:Cam-Si-Cam,pirinç,polimer-pirinç,Si-Cam,kalıp plastik
5.2--Akışkan:su,hava,metanol,etanol
3.3--Mikrotürbinler:
1--Mikrotürbinler,diğere küçük boyutlardaki güç üretim teknolojilerine göre teknolojik özellikleri açısından :
1--TürbinVerimleri:n=0,15; iyileştirilmiş türbinlerde n=0,20-0,30
2-Düşük NOx emisyonu(9-50 ppm)
3-Güçleri:P=25-500 KW
4-Türbin Parçaları:Yanma Odası,kompresör,alternatör,türbin,reküperatör,jeneratör
5-Yataklar:Hav-Yağlı
6-Türbin Devri:90/120.000 d/dk.
7-Şaft Tipi:Tek
8-Kullanım Yerleri:Motorlu araçlarda turboşarj üniteleri, uçaklarda yardımcı güç kaynağı,küçük jet motorları özelliklere sahiptirler.
3.4--Mikro(MHP)-Minyatür(mini)(HP) Isı Boruları:
1-Kullanım Alanı:Isıtma-Soğutma amaçlı
2--Mikro ısı boruları: Hidrolik Çap:10-500 mikron Kullanım Alanı:
2.1--sensör,pompalar,sıcaklık ölçüm-görüntüleme, sıcaklık uyarı sistemleri,
2.2--Akışkan olarak:su,metanol,propan
2.3--Çalışma Sıcaklık Aralığı:40-95 C: veya 5-7 sıcaklık aralığı
3--Minyatür Isı Boruları Hidrolik Çap:2-4 mm- Boyutlar:1-3 mm kalınlık; 4-6 mm genişlik; 150-300 mm uzunluk
4--Kryjenik Soğutucular:
4.1--Kryojenik Sıcaklık:t<120 K (-153 C )
4.2--Kryojenik Soğutucu sıcaklık Aralığı: -153 C… Oda Sıcaklığı(20C)
4.3--Uyarı:Bu sistemlerde akışkanın vizkozitesi,sıcaklık düşümüyle orantılı arttığı yani yağın çözünürlüğü azaldığı için kompresör yağsız olmalı yada sistem düşük sıcaklığa ulaşmadan yağ ayırıcı ile yağ sistemden uzaklaştırılmalıdır.
4.4--Uygulamalar:Yüksek çözünürlüklü gece görüşlü kızıl ötesi sensörlerinde 80 K civarına soğutma yapılması.
4.4.1--Örneğin böyle bir soğutucu için stirling kryojenik soğutucuda ,soğutucu gücü 0,15 W olup,giriş gücü 3 W dır.
1--Bir başka uygulama: süper iletken elektronik devrelerde 80 K de 0,5 W soğutma gücü gerekmektedir.Yine diğer bir uygulama da tıbbi kryojenik-soğutucu kateter uygulamasıdır.
2--Bu kateterlerin çapı 3 mm den küçük olup atar-toplar damarlar boyunca organlara geçebilir.Bu şekilde cerrahi olarak işlevi bozuk dokuların ,bu kateterler ile alınmaları gerçekleştirilir.
3--Kateterin ucundaki minyatür ısı değiştirgeci,yüksek soğutma akısını sağlar.Kateter:20 C…(-123 C ) arasında 2 dakikada hızla ısınır ve soğur.
3.5--Absorpsiyonlu Isı Pompaları:
1--Kloroflorokarbonların ozon tabakasına karşı verdiği yıkımı azaltmak için amonyak-su çiftinin kullanıldığı iklimlendirme cihazları olarak tasarlanmaktadır.
2--Örneğin Garimella nın 10,55 kw lık soğutma yükünde hidrolik soğutuculu emici( bir ısı pompası için) 19,3 kw absorbsiyon yükü ve bunun içinde 1,587 mm*17 mm*40 adet uzun tüpten oluşmuştur.
2.1--Örneğin bir başka absorblayıcı boyutu için:
Boru dış çapı 1,5mm,iç çapı 1,06 mm,paslanmaz çelik malzemeden 0,14 m boyu için 27 adet boru kullanılmış olup,emicinin yüksekliği 0,5 m, toplam yüzeyi 1,5 m 2dir.
4--Mikro kanalların üretim Metotları:
1--Kanalların minyatürleştirilmesinde kullanılacak pek çok tekniğe karşın ; dört işlem teknolojisi ile, minyatürleştirme ; standart hale gelmiştir.Bunlar:
1-Mikromekanik işleme:Elmas işleme,Lazer işlemleri,Odaklanmış iyon dikişi,Mikro delme
2-X-Işınlarıyla mikro işleme (LİGA):Litografi (Litographie-Galvanoformung-Abformung)
3-Fotolitografik-tabanlı işlemler :( Si ) ile kimyasal aşındırma:Silikon plakalar için
4-Yüzey ve yüzeye yakın mikro işlem (epimicromachining)
4.1--Teknolojik gruplama açısından:
1-Elektronik devreler için:
1--Silisyum gövde mikro işleme(BTC gömülü kanal teknolojisi: litografik yüzey şekillendirmesi silisyum plakada derin siper aşındırma(elektro-kimyasal) ,siper yan duvarlarına malzeme kaplama ve tabanın kazınması, silisyum gövdenin aşındırılmas( olukların füzyon yöntemiyle yapıştırılması)ı,kanalın temizlenip kapatılması.
2-Silisyum yüzey mikro işleme:
1--Elektronik devre soğutmalarında kullanılan mikrokanalları üretmek için)Malzeme olarak poli kristal silisyum,heba malzemesi olarak da silisyum oksit kullanılır.Üretim süreci birbirini takip eden kaplama aşındırma adımlarından oluşur.
1-MUMPS teknolojisi:2 mikronluk kalınlıklığındaki silisyum nitrat + 0,75 mikronluk PSG ile kaplı Poli-Si fotolitografiyle şekillendirildikten sonra PSG ,HF banyosunda kazınır,sonra yıkanır ve kurutulur.
2-Lift-off teknolojisi
3-Polimer İşleme:
1--Mikrokanalların üretiminde polimerler kullanılır.Kalıp olarak cam-silisyum kalıplar kullanılabilir.
2--Bu yöntemde kullanılan adımlar: kalıplama,baskılama,plazma aşındırma veya lazer kazıma.Burada önce yüzey mikro işleme ile şekillendirilen cam kalıp ile polimer (PMMA) oluşturulur.
3--PMMA kalıbın orjinalleri(mastırları) termal baskılama yöntemiyle elde edilir.Kısaca termal baskılama ile PMMA kalıp mastırı…cam kalıp…PMMA kanal.Diğer bir yöntemde PC ve PMMA polimer malemeleriyle sıcak presleme yöntemiyle mikrokanallar üretilebilir.
4-Genel olarak mikrokanal üretimi için ıslak aşındırma-derin iyon aşındırma-hassas kesim metotları da kullanılabilmektedir.
5--Mems Lerde Akışkan Modelleme- Hesap Yöntemleri:
5.1--Teorik Modeller:
1-Sürekli Ortam Modelleri:
a)Navier-Stokes(Kn<0,1 ) Sıvı akışlarını tanımlamada başarısızlık şartı:Cihaz ne kadar küçük olmalıdır ki sıvı akışı kaymaya ve gerilme-gerinme ilişkisinin doğrusallığı bozulsun.Deneysel olarak gerinme oranı yaklaşık olarak moleküler ferkans ölçeğini iki kat geçerse Newtonian olmayan akış başlar.
b)-Euler
c)Burnett denklemleri(Kn>0,1)
2-Moleküler Modeller:
a)-Determinist(Moleküler Dinamik Benzetim-MD-sıvılar için(seyreltik gazlar için yetersiz)),
b)İstatistiki Model:DSMC(montekarlo doğrudan benzetimi-seyreltik gazlar için)),Boltzmann denklemi(seyreltik gazlar için)
5.2--Teorik Modeller ve Deneysel Gözlemler:
1--Mikro kanalların sınıflandırlması:
Konvansiyonel kanallar-D>3 mm
Minikanallarda… 3 mm>=D>200 mikron
Mikrokanallar….200 mikron>=D>10 mikron
Geçiş bölgesi kanalları...10 mikron>=D> 0,1 mikron
Geçiş bölgesi Mikrokanalları..10 mikron>=D>1 mikron
Geçiş bölgesi Nanokanallar ….1 mikron>=D>0,1 mikron
Moleküler Nanokanallar…D<=0,1 mikron
2--Mikrokanallarda kullanılan akışkan olan suyun hızının 1 mikron/sn ile 1 cm/sn hızlarda akması sonuçta Reynolds sayılarının (10 üzeri -6 ile 10 arası) olmasına neden olmaktadır.Bu anlamda genel anlamda mikrokanal akışları laminar akış şartları içinde irdelenebilir.
3--Son teorik modellerin birçoğu mikro ölçekteki alanda Navier-Stokes denklemlerinin çözümüne dayanmaktadır.Federov ve Viskanta sıkıştırılamaz laminer Navier-Stokes denlemlerini sayısal olarak çözerek
3.1--elektronik soğutma uygulamaları için mikrokanal ısı alıcılarının birleşik ısı transferi analizini yapmış ve model;
3.2--geniş bir Reynolds sayısı aralığında ısıl direnç ve sürtünme faktörü için elde ettiği sonuçları deneysel verilerle doğrulanmıştır.Bu araştırmaya karşın,diğer araştırmalardan bazıları şunlardır:
5.2.1--Değişik Araştırmacılarca Yapılan çalışmalardan Özetler:
1-Deneysel olarak Hidrolik çapları 51-169 mikron boyutunda ikizkenar yamuk biçimli silikon mikrokanallarda sürtünme değerlerinin geleneksel teoriye göre daha yüksek bulmuşlardır.
2-Dört farklı boyuttaki silikon mikro kanallar için sonlu hacim metoduyla yaptığı modellemede düşük Reynolds sayılarında yüksek ısı girişi için sürünme direncinin(basınç kaybının) azaldığını göstermiştir.Bunu da sıcaklığa bağlı akışkan vizkozitesinin azalmasına bağlamışlardır.
3-Nusselt sayısının kanalın termal giriş bölgesi haricinde peclet sayısından bağımsız olduğunu gösterilmiştir.
4-Hidrolik çapları 1 mm den küçük olan kanallardaki davranışı doğru olarak tahmin edebilmek için geleneksel teorinin kontrol edilmesi gerektiğini ve ayrıca akış geçişinin daha küçük Reynolds sayılarında meydana geldiği gözlenmiştir.
5-EDL(Debye uzunluğu-elektrik çift tabaka) kalın olduğunda kararsızlık mekanizmasının mikro kanallarda baskın olduğu saptanmıştır.Sürtünme faktörü ile Nusselt sayısının EDL tarafından büyük ölçüde etkilendiği bulunmuştur.
6-Solunumla ilgili şebekelerden esinlenen bir dallanma ağacında analizinde paralel mikro kanal ağlarına göre daha düşük pompalama gücü ve daha iyi bir ısı geçişi kapasitesi olduğu sonucuna varılmıştır.
7-Bir başka çalışmada 26-291 mikronluk hidrolik çap aralığındaki ikizkenar yamuk kanallar için sürünme faktörü için aşağıdaki förmül üretilmiştir:
fRe=11,43+0,80*exp(2,67*a/b) a=kanalın eni b= kanalın boyu
8-Bir başka çalışmada Navier-Stokes denklemlerinin geçerli olduğu analiz edilen daha geniş kanallarda türbülanslı akışa geçişin Reynolds sayısının 1500-2000 olduğu aralıkta gerçekleştiği gözlenmiştir.
9-Yapılan başka bir çalışmada yaklaşık Re<=2000değereleri için mikrokanallarda akım özelliklerinin geleneksel teorilerle doğru bir şekilde tahmin edilebildiği saptanmıştır.
9.1--Ayrıca mikrokanal oluşumunun türbülans oluşumunda kayda değer bir etkisi olabileceği göstermiştir (Reynolds sayısınının geleneksel teoriye göre olan sınırını(2100) aşağı doğru çekeceği)
9.1--Birbaşka çalışmada Hidrolik çapları 15-150 mikron olan kanallarda vizkozite farklılıklarının etkisini belirlemek için su,metanol,isoproponol ile yapılan deneylerde,deney sonuçlarının Stokes akım teorisi ile belirlenen sürtünme faktörü tahminleri ile örtüştüğü belirlenmiştir.
10-Bir başka çalışmada gelenesel torinin mikrokanallar için uygulanabilir olduğu,yine ayrı bir çalışmada basınç düşümünün kanal büyüklüğü(hidrolik çap) ve sıvının iyonik konsantrasyonuna büyük ölçüde bağlı olduğu
10.1--yine ayrı bir çalışmada 1 mm den küçük boyutlardaki kanallarda sürtünme için Moody Diyagramının uygulanabilir olduğu saptanmıştır.
11-Bir başka çalışmada Laminer akıştan türbülanslı akışa geçişin 1800-2500 olduğu aralıkta gerçekleştiği gözlenmiştir.
5.3--Mikrokanallarda ve mikrotüplerde faz değişimi:
1--Mikroelektronik sistemler ve elektronik cihazlardan fazla ısının alınması için en uygun mekanizma olarak faz değişimli ısı geçişi önerilmektedir.
1.1--Faz değişimli sistemin en önemli avantajı aşırı yüksek ısı akılarında bile akışta kaynamanın cihaz sıcaklığında az bir artışa neden olmasıdır.
1.2--Çok yüksek ısıl iletkenliğe sahip mikro ısı boruları; bir ısı değiştirgeçi olarak faz değişimi anlamında önemli bir uygulama olarak kabul edilmektedir.
2--Yapılan bir çalışmada mikrokanallarda hava kabarcığı oluşumunda yönetici parametrelerin; mikrokanalın hidrolik çapı ve uzunluğu,kütlesel debi,ısıtıcı yüzey akısı,çekirdekleşme sıcaklığı ve akışan giriş sıcaklığı ve üst duvar sıcaklığı olduğu sonucuna varılmıştır.
3-Bir başka çalışmada kabarcık embriyosunun büyüme süreci ile iligili olarak:mikrokanal büyüklüğü azaldıkça kabarcığın çekirdekleşme sıcaklığının artığı-dış düzensizliklerin embriyoların kabarcık oluşumunu artırma veya geciktirme olasılığına sahip olduğunu göstermiştir.
4-Bir başka çalışmada soğutma kapasitesi açısından konik kanalların düz kanallardan daha iyi bir performans sağladığı saptanmıştır.
5-Bir başka çalışmada çekirdekleşmenin başlamasının ve ısı geçiş katsayı değerlerinin suyun içinde çözünmüş hava miktarına bağlı olduğu gözlenmiştir.
6-Bir başka çalışmada birbirini takip eden iki fazlı akışlarda en baskın akış şeklinin kabarcıklı akış olduğu gözlenmiştir.
7-Bir başka çalışmada mikrokanal duvarlarında kabarcık ayrılışının sürtünme direnci ve yüzey gerilimi tarafından yönetildiği saptanmıştır.Ayrıca iki mikrokanallı çalışmada da kabarcık gelişimi ve duvardan ayrılma davranışının tek mikrokanaldaki davranışın benzeri olduğu saptanmıştır.
8-Bir başka çalışmada kaynama mekanizmasının duvar yüzey pürüzlülüğüne oldukça bağlı olduğu gözlenmiştir.
9-Bir başka çalışmada ıslanma koşullarının sıvı akış direncinde önemli bir rolü olduğunu göstermiştir.
10-Bir başka çalışmada uygun giriş sınırlamasının kararsızlıkları azaltabildiği veya potansiyel olarak ortadan kaldırabildiği gözlenmiştir.
11-Yapılan bu çalışmalar mikro ölçülerde geleneksel bağıntıların hala geçerli olduğunu ancak nano ölçeklerde geleneksel teorinin sınırlarının saptanması gerekmektedir.
12--Mikrokanallarda tek fazlı akışkan akışı ve ısı geçişi:
1--1840 Yılında poiseuille tarafından dairesel kanallardaki sürtünme faktörü için aşağıdaki bağıntı türetilmiştir: Buna göre laminer akışlar için: fRe*Re=16 yada fRe=16/Re
2--Mikroakışkanlı sistemlerde alan-hacim oranı çok yüksek olma eğilimindedir.Bu durum yüzey kuvvetlerini egemen hale getirir.
3--Moleküler ortamda Ortalama serbest yol(lamda) nın örneklem hacminin karakteristik uzunluğu(L) oranı Knudsen sayısı olarak tarif edilir.Buna göre. Kn<10 üzeri -3 içinakış için akış ortamı sürekli kabul edilir ve Navier-Stokes eşitlikleriyle modellenebilir.
3.1--Hidrolik çapı 1 mikrondan büyük olan mikro kanallarda Kn<0,001 olduğu için seyrelme etkisinin ihmal edilebilir olduğu ve geleneksel teorinin uygulanabileceği anlamı ortaya çıkar
3.2--ancak düşük basınçlı gaz akışları için seyrelme etkileri önemli hale gelmektedir.Bu bağlamda seyrelme halinde sürtünme faktörü değeri için
fRe=(16/Re) /(1+1.1466*a) ifadesi kullanılabilir
3.3--Burada b=1,1466 değeri gaz-kanal duvarı etkileşimi için uygun faktörü adını alır..a ise mikrokanalın kesitine bağlı olup, dairesel borularda a=8,paralel plakalar için a=12 ayrıca dikdörtgen,yamuk,algen mikro kanallar içinde ayrıca hesaplanmıştır.
Gazın seyrelme etkileri ile ısı taşınım değeri düşmektedir.
13--EDL Etkileri:
1--Katı bir yüzey,bir elektrolitle(polar sıvı) temas ettiğinde elektrik şarjı elde edilir.Duvara karşıt kutupsallık olarak sıvı-katı arayüzünde oluşan elektriksel tabaka çifti(EDL) olarak adlandırılır.
2--EDL de yüksek elektrik potansiyele sahip duvara yakın kompakt tabaka ile iyonik yoğunluğu dereceli olarak azalan yayınım tabakasından oluşur.Ve EDL, sıvının hız profilini değiştirebilir.
3--EDL karakteristik kalınlığı debye uzunluğuyla hesaplanabilir.Düşük iyonik yoğunluklu sıvılar için(deiyonize ve ultra filtre edilmiş su) EDL kalınlığı birkaçyüz nanometreye erişebilir.EDL de dışında sıvı nötr iken EDL içinde net yük pozitiftir.(10-100 mikron) arası tipik mikro kanallarda EDL kalınlığı(1-10 nm) arasındadır.
4-Yapılan bir başka çalışmada ,Sürtünme faktörünün ,hidrolik çapı 20 mikrondan küçük kanallarda sıvı içindeki iyonik konsantrasyonla arttığı gözlenmiştir.
5--Akışkan ve duvar arsındaki elektro-ozmotik etkileşimler akışkanı mikrokanalda hareket ettirmek için kullanılabilir.Bunun için sadece kanal içine EDL ye erişebilen iki elektrot kullanılabilir.EDL nin yayılım tabakası negatif elektrota çekilirken ,bu durumda aynı yönde Elektro-ozmotik akışa yol açar.
14-Ölçek Etkileri:
1--Makro ölçeklerde ihmal edilebilen etkiler mikro ölçeklerde önemli hale gelebilir.Bu anlamda:
2--Vizkoz yayılım etkileri:
2.1--Akışkan vizkozitesinin sıcaklığa bağlılığı ihmal edilemez.Ve vizkozitenin sıcaklığa yol açması durumu sözkonusudurki buna vizkoz ısıtma adı verilir.Bu anlamda Hidrolik çapı 74 mikron ve 11 cm uzunluğunda kare kesitli mikro kanalda iso-propanol kullanıldığında Re=300 için 6 k lik bir sıcaklık elde edilmiştir.
Vizkoz ısıtma için sıcaklık farkı ifadesi için:
2 3
.dt=2*Re*(v /cp)*fRe*(L/ Dh) ifadesi kullanılabilir.
2.2--Akışkan Sıcaklığının Vizkoziteye Etkisi:
1--Mikrokanalın giriş ve çıkışındaki Reynolds sayısını değiştirir.Bu nedenle ortalama akışkan sıcaklığı baz alınabilir.iso-propanol için akışkan sıcaklığında 10 K lik bir artış için dinamik vizkozite %20-25 değerinde azalır.
2--Bu nedenle Vizkozitenin ihmal edilebilir olmasını sağlayan şart su ve iso-propanol için sıcaklık artış sınırının 1K olacağı anlamına gelir.Diğer bir deyişle giriş ve çıkış sıcaklık farkı 1K eşit ise,bu durum ; Reynolds sayısını hesaplanmasına olanak verir.
Ayrıca vizkoz ısıtmanın diğer bir etkiside, ortlama Nusselt sayısı(ortalama Reynolds sayısının fonksiyonudur) üzerinedir.Bu anlamda kanal boyunca,büyük reynolds sayılarında büyük basınç düşüşleri(30-50 bar) oluşmaktadır.
3--Silikon mikrokanal için eksenel ısı iletimi için aşağıdaki bağıntı kullanılabilir.
. (kd/ka)*(Dh/L)*(Ad/Aa)*(1/Re*Pr)>0,01 kd,ka:duvar,akışkanın ısıl iletkenliği
Dh:hidrolik çap,Ad,Aa:duvarın,akışkanın ekesenel ısı akısına dik alanı
2.3-Yüzey Pürüzlülüğü:
1--Sürtünme faktörü ve ısı geçiş katsayısının kanal duvarlarının göreceli pürüzlülüğünden etkilendiği iyi bilinen gerçektir.
2--Göreceli pürüzlülük paslanmaz çelik ticari mikro tüplerde %2-8 değerine erişebilir. Ortalama 1-5 mikronluk pürüzlülük normal kabul edilebilir.
3--Mikrokanallarda hidrolik çapın doğru belirlenmesi sürtünme faktörünün doğru belirlenmesinde çok önemlidir.
4--Ölçümdeki %1-3 belirsizlik fRe(sürtünme faktörü) nde %4-12 belirsizliğe yol açar. Bu anlamda 40x lik mikroskopla yapılan ölçmede 84,7 mikronluk ölçülen iç çap,400x lik tarayıcı elektron mikroskop (SEM) yapılan ölçemde 80 mikron bulunmuştur.Bu son değer gelenesel teorik hesap ile daha iyi bir uyuşma göstermiştir.
4.1--Deneysel çalışmalar yüzey pürüzlülüğünün laminar-yarı türbülanslı akış sınırını belirleyen kritik Reynolds sayısını büyük ölçüde etkileme eğilimindedir.
4.2--Kısaca pürüzlülük ,türbülansa geçişte büyük ölçüde rol oynamaktadır.
2.5--Sıkıştırılabilirlik Etkileri:
1--Geleneksel teoriye göre mach sayısı 0,3 ten daha küçükse, akışın yerel olarak sıkıştırılamaz olarak modelleneceği kabul edilir.
2--Sonuçta deneysel sonuçlar mikrokanallar için sürtünme faktörünün büyük boyutlu kanallardaki sıkıştırılabilir gaz akışı için geçerli olan geleneksel bağıntılardan doğru olarak tahmin edilebileceğini ileri sürmektedir.
2.1--Kısaca ölçek=1 boyutu için(standart-büyük) yapılan basınç kaybı hesabı,mikrokanallardaki gaz akışı için kullanılabilir)ıYapılan bir çalışmada tüp boyunca mach sayısı arttığında Nusselt sayısının azaldığı,aynı zamanda mach sayısı ile son sıcaklık kanal boyunca çok düşerse negatif olabildiğini göstermektedir.
15--Mikrokanallarda Akış Tipi Kaynama İle Isı Transferi :
1--Mikrokanallar ile bilgisayar yongalarını soğutma yada yüksek akılı ısı çekilmesi gibi uygulamalarda yer bulabilmektedir.
.q=h*A*(Td-Takışkan)
2--Isı transfer katsayısı çap azaldıkça artar(Nu=h.Dh/k=sbt….h=Nu/Dh ) Tek fazlı akışta izin verilen sıcaklı artışı(Td-Ta), akışkanın ısıyı çekme kapasitesini sınırlar.Bu sınıra birkaç mm de ulaşılabilir.Akış tipi kaynama sistemleri,sıvıyı buhara dönüştürerek(Buhara dönüştürmek için gizli ısısı 2257 kj/kg iken 1 atü basınçta özgül ısısı 4,2 kj/kg.C dir.) gizli ısı aracılığıyla daha fazla ısı taşıyabilirler..
3--Aynı ısı çekme hızı için,tek fazlı akışta eşdeğer sıcaklık yükselmesi 500 C nin üzerindedir.
4--Ayrıca akış tipi kaynama sistemlerinde kütle debisi belirgin bir şekilde düşük olup,daha yüksek olan basınç düşümünü dengeler.Yapılan ç çalışmalarda Mikrokanallarda akış boyunca kabarcık büyümesi ve birleşmesi gözlemlenmiştir.
5--Bu olguya bağlı olarak ısı transfer katsayısının çekirdek kaynama kavramıyla yönetildiği rapor edilmiştir.Bu anlamda akış tipi kaynama sırasında açık bir çekirdeklenmeyi izleyen hızlı kabarcık oluşumun var olduğu belirlenmiştir.
6--Akış içinde 5 mikron çapına kadar olan bu kabarcıklar ,tüm kanalı dolduran bir buhar tamponuna dönüşerek,akış tipi kaynama işlemini etkilemiştir.
7--Akış içinde bu gözlemlere bağlı olarak,bu buhar tamponu akışın aynı ve zıt yönlerinde hızlı bir şekilde büyüyerek ve sonuçta ya ters akışa neden olmaktadırlar yada buharın kanal girişini tıkamasına neden olmaktadırlar.
7.1--Bu ani kabarcık büyümesine bağlı çekirdeklenme başlangıcı akışı kararsız kılarak ciddi basınç düşümlerine neden olmaktadır.Büyüyen kabarcığın etrafından buhar kanal girişine doğru ince bir film olarak akmaktadır.
7.2--Bunun nedeni muhetemelen sıvı(suyun) hacminin kızdırılması ve buna bağlı olarak ortamda bir buhar kabarcığının aniden büyümesi neden olabilir.
8--Çekirdeklenme için sağlanması gerek kriterlerden biri kritik çaplı çekirdeklenme oyuklarının kanalda varlığıdır.Bu anlamda,bu şart yoksa çekirdeklenme eldeki oyuk çapları için kritiğe olur ve gecikir.
9--Yerel sıvı kızdırmaları (negatif sıvı aşırı soğutma).Bu tür akış karasızlıklarını kontrol etmek için akış boyunun başlarında çekirdekleşme oyuklarının oluşturulması önerilmiştir.
10--Kanal girişinde basış düşüş elemanları(PDE) ve PDE ler için(PDE<%4) ve çekirdekleşme oyuklarının kullanımı ile kararlı bir akış tipi kaynama gözlemlenmiştir.Ayrıca basınç düşümü bu durumda 1,4 kPa dan 0,3 kPa, ve aynı anda duvar sıcaklığı da 114,5 C dene 11,5 C ye düşürülmüştür.Kısaca akışın kararlılığı kanal girişi PDE ve imal edlmiş çekirdekleşme alanları ile mümkündür..
16--Gaz Akışları:
1-Yapılan bir çalışmada mikrotüplerle-dikdörtgen kesitli mikrokanallarda benzer davranışları sergilediği gözlemlenmiştir.
2-Yapılan bir çalışmada büyük çaplar ve küçük Reynolds sayıları için geleneksel ilgileşimlerle (bağıntıların) uyumlu olduğu saptanmıştır
3-Yapılan bir çalışmada Hidrolik çapları 5-96 mikron arası dikdörtgen kesitli kanallarda düşük Mach sayısı(Mach sayısı=akışkanın akış hızı/ses hızı) ve knudsen sayıları için sürtünme faktörü sonuçlarının süreklilik teorisi değerleri ile uyum gösterdiği ve aynı zamanda mach sayısının sürtünme faktörünü artırdığı,knudsen sayısı ile sürtünme faktörü arasında bir ters orantı olduğu gösterilmiştir.
4-Yapılan bir çalışmada mikrokanallar için hava ve su ile yapılan deneysel çalışmada sürtünme faktörünün standart büyüklükteki kanal verileri kullanılarak doğru şekilde tahmin edilebileceği bulunmuştur.
17—Sonuç:
Basılmış verilerdeki çok sayıdaki tutarsızlık büyük olasılıkla deneysel hatalardan
kaynaklanmaktadır.
Bu anlamda geleneksel bağıntıların,mikro ölçekte sürtünme faktörü,basınç kaybı(direnç) vs başlarına bir katsayı ithal edilerek,sınır şartları dahilinde kullanılabileceği yönünde bir yaklaşım herhalde tutarlı bir yol olacaktır.
18—Bilgi:
Mems ler İçin Akışkanlarda (Sürekli + Yerel) Kayıplar İçin Önerilen (Teorik/ Ampirik (Uygulama İçin ) Direnç Ve Hız Formülleri
1- Temiz Su (Soğuk-Sıcak Su) Akışı İçin Direnç Ve Hız Formülleri:
1-Direnç formülü:
2 5
Rs(mss/m)=K2*K1x*Q(m3/h)/d(cm)
2
2-hız f.: V(m/s)=4x Q(m3/h)/d(cm)
0,019(t+273)
3-K1 in sıcaklıkla değişimi: K1=1730/ e t( C )= Suyun sıcaklığı
t( C ) K1(PE)
--------- ---------- K2=Deneysel olarak bulunacak katsayı
20 3
6 5
28 3
80 1
15 3
50 2
2- Sıcak Su Akışı İçin:
2.1. Boru çapı formülü:Qk (kcal/h): ısı yükü (Rb=0.004 mSS/m şartı altında)
d(mm)=0.42xQk0.4bakır
2 5
2.2. Sürekli (boru) kayıpları Rb(mSS/m)=K2*1,5x*Q(m3/h)/d(cm)
2.3-yerel kayıplar=Ry(mss) Ry(mSS)=0.49xzxV2
3- Hava Akışları İçin:
1-Direnç formülü:
2 5
Rs(mmss/m)=K2*1,28x*Q(m3/h)/d(cm)
K2=Deneysel olarak bulunacak katsayı
2
2-hız f.: V(m/s)=K3*4*Q(m3/h)/d(cm)
3. Yerel kayıplar Ry(mmSS): Ry=0.06.z.W2(m/s)
4. Eşdeğer Hidrolik çap ifadesi d(mm): deş(mm) 1.3 ((a.b)0.6/ (a+b))0.25
4-Normal Olarak(Ölçek=1)Akışkanlarda Sürekli Boru Kayıpları İfadesi:
1)- V=Boru içi akış hızı(m/s) d=Boru çapı r=akışkanın yoğunluğu
.m=akışkanın vizkozitesi Re=Reynolds sayısı g=yerçekimi ivmesi(9,8 m/s2)
L=Boru boyu(m) Hk=Boru için Basınç Kaybı (mss)
2)-Akışın Durumları ve Reynolds sayısı
Reynolds Sayısı……Re=r*V*d/m
Akışın Durumları:
1-Laminar akış………………….Re<2000
2-Yarı Türbülanslı akış…..2000
3-Tam Türbülanslı Akış ………..Re>4000
2 2 5
a)-Hk=(64/Re)*(L/d)*(V/2g)=L*k*Q /d….Laminar Akış
k=64/Re=(64*3,14*m/4*r*V*d*2*g)
0,25 2
b)-Hk=(0,316/Re )*(L/d)*(V/2g)……Yarı Türbülanslı Akış
2
c)- Hk=1*(L/d)*(V/2g)………Tam Türbülanslı Akış