عدم قطعیت در کاربرد عوامل اساسی که به روش های آزمایشگاهی در مسائل با مقیاس بالاتر به دست آمده است مانند ضرایب افت، ورودی و خروجی، جریان سیال داخل لوله ها.

3- عدم قطعیت در اندازه گیری های مقیاس میکرو مانند ابعاد هندسی و پارامترهای مسئله.
1-2 دسته بندی کانال ها
دسته بندی کانال ها براساس قطر هیدرولیکی آنها به عنوان یک راه حل ساده و در عین حال کارا جهت بررسی رنج های مختلف مورد نظر می باشد. کاهش ابعاد کانال در فرایندهای مختلف، اثرات مختلفی داشته و ارائه یک شرط خاص منطبق بر متغیرهای فرایند ممکن است در نگاه اول گزینه ای بسیار نامناسب به نظر برسد، اما چنانچه تعداد فرایندها و متغیرهای حاکم بر انتقال از ابعاد معمولی به پدیده های مقیاس میکرو را در نظر بگیریم همان روش ساده دسته بندی کانال ها براساس ابعادشان را یک روش مناسب می بینیم که در کارهای علمی انجام شده در این زمینه نیز کاملا پذیرفته شده است. جدول (1-1) رنج های مختلف کانال را تحت جریان ها با نوع های متفاوت نشان می دهد:
جدول 1- 1 ابعاد کانال برای انواع جریان گازی در فشار اتمسفر
1-3 فرضیات اولیه در انتقال حرارت و افت فشاردر میکرو کانال ها
اثر قطر هیدرولیکی بر انتقال حرارت در شکل (1-2) و اثر آن بر افت فشار نیز در شکل (1-3) برای جریان آب و هوا در یک کانال با سطح مقطع مربع شکل و تحت اثر یک شار حرارتی یکنواخت و شرایط جریان لایه ای کاملاً توسعه یافته ارائه شده اند.
ضریب انتقال حرارت در ناحیه جریان لایه ای تماماً توسعه یافته، تحت تاثیر عدد رینولدز جریان قرار ندارد. ضریب انتقال حرارت عبارتست از:
که در آن هدایت حرارتی سیال و قطر هیدرولیکی کانال می باشد. عدد نوسلت برای جریان لایه ای تماماً توسعه یافته داخل کانال با سطح مقطع مربع شکل و با شرایط اعمال شار حرارتی ثابت برابر با 61/3 می باشد. شکل (1-2) نمایانگر تغییرات ضریب انتقال حرارت برای جریان آب و هوا برحسب قطر هیدرولیکی کانالی با شرایط یاد شده بالا می باشد. شکل (1-2) نمایشگر بسیار خوبی از افزایش شدید ضریب انتقال حرارت بر اثر کاهش ابعاد کانال می باشد.
شکل 1- 2 اثر قطر هیدرولیکی بر انتقال حرارت در میکرو کانال ها [3]
وجود تعادل مابین نرخ انتقال حرارت و افت فشار موضوع مهمی در طراحی گذرگاه های جریان های خنک کننده برای دفع شارهای حرارتی بسیار بالایی است که در خنک کاری چیپ های ریز پردازنده ها با آن روبرو می شویم.
توسعه سیستم های میکر الکترو مکانیکی به طور عمومی نیارمند توسعه سیستم های دفع حرارتی است که متناسب با آن سیستم ها کوچک باشند. خنک کاری آینه هایی که در سیستم های لیزر به کار می روند شامل سیستم های خنک کننده ای است که باید حرارت بسیار زیادی را از سطح مقطعی بسیار کوچک دفع نمایند.
پیشرفت هایی که در بیولوژی و مهندسی ژنتیک رخ می دهد نیازمند انتقال تحت کنترل سیال و همچنین کنترل شرایط دمایی آن در گذرگاه هایی است که ابعاد آن از چندین میکرون بیشتر نمی باشد بنابراین داشتن درک درستی از جریان سیال و انتقال حرارت در این سیستم های با مقیاس میکرو جهت طراحی و بهره برداری از این سیستم ها ضروری می باشد.
حالت های متعددی از مسائل وجود دارد که نیاز به مطالعات بیشتر جهت اعلام نظر دارد. که برخی از آنها عبارتند از:

1. بررسی آزمایشگاهی اعتبار معادله های انتقال جریان لایه ای و جریان مغشوش، ضریب اصطکاک جریان لایه ای و معادلات انتقال حرارتی که براساس فرضیات کلاسیک برای کاربرد در میکرو کانال هایی که در آنها شاهد تغییری در پدیده های انتقال یا بروز پدیده فیزیکی جدیدی نیستیم، همچنین آزمایشاتی برای بررسی انتقال جرم و مومنتم و حرارت و فرایندهای انتقال جرم.

1. بررسی پدیده گذار از جریان لایه ای به جریان مغشوش، در مقیاس میکرو و با دقت به ارزیابی های آزمایشگاهی مربوط به این کار.

1. اثرات زبری نسبی سطح برای جریان با توجه به این که مقادیر مرتبط با زبری سطح که در میکرو کانال ها با آن سر و کار داریم بسیار بیشتر از مسائل با مقیاس معمولی می باشد همچنین اثر زبری بر گذار از جریان لایه ای به مغشوش، ضرایب اصطکاک و انتقال حرارت در این گذار.

1. بررسی اعتبار مقادیر ثابتی که به روش های آزمایشگاهی برای مقیاس معمولی به دست آمده اند، مانند افت های مربوط به تغییر سطح مقطع افت در خمدیگی لوله ها و نظایر آن که این مقادیر که از آزمایشات جریان سیال در مقیاس معمولی به دست آمده اند. مانند افت های مربوط به تغییر سطح مقطع افت در خمیدگی لوله ها و نظایر آن که این مقادیر که از آزمایشات جریان سیال در مقیاس معمولی حاصل شده اند باید با توجه به شرایط حاکم بر مقیاس میکرو نسبت به کار بردن آنها با توجه زیادی عمل کرد.

به چند دلیل ابعاد گذرگاه جریان در کاربردهای انتقال حرارت گرایش به سمت مقادیر کمتر و در مقیاس میکرو دارد:

1. نقش انتقال حرارت در مقیاس میکرو بسیار پر رنگ تر و موثرتر است.

1. نیاز تجهیزات میکرو الکترونیک برای انتقال بیشتر حرارت هم زمان با توسعه و تحول آن تجهیزات.

1. اضطراری که به واسطه کاربرد روز افزون و تنوع رو به گسترش تجهیزات مقیاس میکرو که نیاز به خنک کاری دارند، به وجود می آید.

با استفاده از کانال های با ابعاد کوچکتر به انتقال حرارت با کارآیی بالاتری دست می یابیم، هر چند که بر واحد طول افت فشار بیشتری را نیز شاهد خواهیم بود. چگالی حجمی بیشتر انتقال حرارتی- که لازمه تکنیک های تولید پیشرفته و طراحی های مسیرهای جریان پیچیده تر است- بر ضرورت توسعه میکرو کانال ها برای انتقال حرارت تاکید دارد، به طوری که بهینه سازی هر یک از کاربردهای متنوع میکرو کانال ها نتایج جدیدی برای ابعاد کانال به دست می دهد، به عنوان مثال در صنعت تبرید و سردخانه استفاده از تیوپ های به قطر 6 تا 8 میلیمتر با استفاده از میکرو پره ها دیگر جایگزین تیوپ های تخت با قطر زیاد شده است. در کاربردهای صنایع خودرو ابعاد رادیاتورها و اوپراتورها به حدود یک میلیمتر رسیده تا ما بین توان مورد نیاز جهت پمپ کردن، انتقال حرارت و تمیزی کل سیستم، توازن خوبی برقرار شود. همچنین در کاربردهای تهویه مطبوع ساختمان امکان اتصال سیستم های خنک کن تجهیزات الکترونیکی و میکرو الکترونیکی اتاق سرور به سیستم تهویه مطبوع ساختمان نیز در حال اجرایی شدن می باشد.
فصل دوم
جریان سیال در میکرو کانال
2-1 پیشگفتار
به عنوان یک تعریف میکرو کانال ها، کانال هایی هستند که ابعاد آنها از یک میلیمتر کمتر و از یک میکرومتر بیشتر می باشد. در ابعاد بالای یک میلیمتر، جریان خصوصیاتی مشابه بیشتر جریان های ماکروسکپیک را از خود بروز می دهد. در ابعاد پایین تر از یک میکرومتر، جریان با مشخصات جریان های مقیاس نانو بیشتر منطبق است. میکرو کانال ها از مواد گوناگونی چون شیشه، پلیمرها، سیلیکون و فلزات و با روش های گوناگون همچون میکرو ماشین کاری سطح، میکرو ماشین کاری حجمی، ماشین کاری، میکرو کاترها و روش هایی چون قالب سازی و ریختگی ساخته می شوند.
میکرو کانال ها به واسطه نسبت بالای سطح به حجمی که دارند و نیز حجم کوچک خود دارای مزایایی هم می باشند. نسبت بالای سطح به حجم به میکرو کانال ها نرخ بالایی از انتقال حرارت و جرم بخشیده و آنها را به ابزارهایی قدرتمند برای استفاده در مبدل های حرارتی کوچک تبدیل می سازد.
اثرات ساختار مولکولی در مایعات و گازها بسیار متفاوت است اگر عدد نودسن که به صورت مساوی تقسیم بر تعریف می شود که در آن مسیر توسط آزاد در گاز می باشد از عدد 3-10 بزرگتر باشد اثرات عدم تعادل شروع به نمایان شدن می کند. با افزایش عدد نودسن دیگر فرضیات محیط پیوسته و تئوری سیالات، غیر قابل استفاده خواهند بود و تجزیه و تحلیل این قبیل جریان ها نیازمند در نظر گرفتن پدیده های فیزیکی مختلف می باشد.
مایعات عموماً خاصیت تراکم ناپذیری دارند به این دلیل چگالی مایع در جریان داخل میکرو کانال ها، به عنوان تابعی از موقعیت نسبی به ابتدای کانال بسیار نزدیک به عددی ثابت باقی می ماند که این برخلاف تعداد زیاد گرادیان های فشاری است که مشخصات جریان با مقیاس میکرو را شکل می دهند و تعریف می کنند. این رفتار چگالی مایعات تحلیل جریان های مایع را به نسبت جریان های گازی بسیار ساده سازی می نماید. جایی که افت فشارهای زیاد در کانال ها منجر به انبساط زیاد و تغییرات زیاد در ظرفیت حرارتی می شوند.
2-2 قطر هیدرولیکی
قطر هیدرولیکی یک عبارت مصطلح می باشد که برای جریان هایی که از درون کانال های با سطح مقطع غیر دایروی عبور می کنند بکار می رود. در عمل قطر هیدرولیکی به صورت زیر تعریف می شود: