אסטרטגיות ניהול תת-קרקעיות

הבנת הדרישות הייחודיות של ניהול תת-קרקעי

חשמל אלקטרוניקה תת-קרקעי מגוון רחב של מערכות קריטיות - כלי רכב תת-קרקעיים מאוישים (AUVs), כלי רכב המופעלים מרחוק (ROVs), חיישני האוקיינוסים, בלוטות תקשורת תת-ימיות, ומערךי אור צבאיים.בניגוד לציוד ארציים, מכשירים אלה פועלים בתנאים קיצוניים: לחצים הידרוטיים שעולים על ידי אווירה אחת כל 10 מטרים, מים מלוחים, ואיום מתמיד של biofouling סביבה זו, מונעים באופן ישיר על פני שטח, לא רק על פני שטח של אבטחה, רק על פני כדוריות, ובטיחות, מונעים, רק על פני כדוריות, רק על פני כדוריות, רק על פני כדוריות, על פני כדוריות, ומונעים, רק על פני כדוריות זמן רב, על פני כדוריות, על פני כדוריות, על פני כדור הארץ, על פני כדוריות, באופן ישיר, על פני כדוריות, על פני כדוריות, באופן ישיר, על פני כדוריות, באופן ישיר, על פני כדוריות, ומונעים, באופן ישיר, באופן ישיר, על פני כדוריות, על פני כדוריות, על פני כדוריות, על פני כדור הארץ, על פני כדוריות, על פני כדוריות, על פני כדוריות, על פני כדוריות,

ההבדל הבסיסי בין קירור מבוסס אוויר ויבשה במים במדיום העברת החום.מים יש מוליכות תרמית בערך 25 פעמים גבוה יותר מאשר אוויר (0.6 W/mK לעומת 0.026 W/mK) וקיבולת חום מסוימת בערך פי ארבע יותר גדולה.זה אומר שבעיקרון, מים יכולים לספוג ולעבור חום הרבה יותר יעיל מאשר אוויר.

במאמר זה, אנו בוחנים את האתגרים המרכזיים של ניהול תרמי תת-ימי, לחקור הן אסטרטגיות קירור פסיביות ופעילות, ודן בבחירת חומריות ועקרונות עיצוב המאפשרים הפעלה אמינה.We גם לבחון טכנולוגיות מתפתחות המבטיחות לדחוף את הגבולות של מה שאלקטרוניקה תת-קרקעית יכולה להשיג.

אתגרים מרכזיים בניהול תת-קרקעי

תכנון מערכת ניהול תרמי עבור אלקטרוניקה תת-ימי דורש מענה מספר אתגרים מקושרים שאינם נוכחים במערכות אוויר-קו-אוויר.

לחץ הידרוסטטי גבוה ואינטגרליות סטרקטיבית

בעומק 1000 מטרים, הלחץ עולה על 100 אטמוספירות.כל מסגר או מחליף חום חייב להיות מסוגל לעמוד בזה ללא התנגשות או מפצה. לחץ משפיע לא רק על הדיור המכאני, אלא גם על הביצועים של חומרים: מוליכות תרמית של כמה מתכות משתנה מעט תחת לחץ, ואת הסטיות של כל עלייה קירור פנימי, אשר מסתמכת על עומס טבעי באוויר, להיות מאוזנת על סוללות איטיות של מים, במקום זאת, לחץ על גבי משטחים של חומרים מאוזניים.

קורוזיה ודה-הדרגות חומריות

מלח מים נחושת הוא קורוזיה מאוד, במיוחד אלומיניום ונחושה - חומרים כימיים בחומרה ניהול תרמי.אפילו ⁇ פלדה אל-חלד יכולים לסבול מבורכת וקורוזיה לטווח ארוך. Galvanic קורוזיה הוא סיכון מסוים כאשר מתכות דיסימיות משמשים באותה ההרכבה KK, הבחירה של חומרים עבור כיור חום, דיור, דיור, קירור חייב להיות סיכון מסוים, אבל עיצוב פלסטי (קוגני) ללא אלקטרוניקה), אבל הם לעתים קרובות פועל ניקוי מגנטית, 000).

Biofouling

צמיחה ביולוגית - קנביחות, אצות, סרטים מיקרוביאליים - יכול להיווצר על פני השטח של החלפת חום בתוך שבועות, באופן דרמטי להפחית את יעילות העברת חום. משטח רעוע יכול להיות שכבת ביופיל עם מוליכות תרמית נמוך כמו 0.1 W / mK, יצירת מחסום insulating כמות מספקת. במקרים קיצוניים, ביופולינג יכול לחסום ערוצי מים זורמים לחלוטין.

אפשרויות קירור Active Cooling

קירור מבוסס פאן הוא בלתי אפשרי מתחת למים. צינורות חום מבוססי אוויר ותאים ריקים גם לא ניתן להיחשף ישירות למים. קרירים אנדרומואלקטריים (TECs) הם אפשריים אבל דורשים ניהול זהיר של הדבקה על משטחים קרים - כלומר בתוך דיור חתומה יכול להוביל מעגלים קצרים וקורוזון.

התנגדות ממשקית

הממשק בין הרכיב האלקטרוני למים הוא מורכב.היט חייב לעבור מהשבב דרך חומר ממשק תרמי (TIM), לתוך הקיר הדיור, ולאחר מכן דרך הדיור למים.כל ממשק מוסיף התנגדות.הדיור עצמו, אם עבה עבור עמידות ללחץ, מוסיף התנגדות התנהגותית משמעותית. לדוגמה, קיר טיטניום עבה 10 מ"מ עבה יש התנגדות תרמית של 0.83 ° Cm / Wimeter זה יכול להיות מול הטמפרטורה הדומיננטית ביותר.

אסטרטגיות קירור פסיביות

קירור פסיבי הוא המועדף על מים עמוקים ופריסה ארוכה כי זה לא דורש שום כוח ואין לו חלקים נעים.המפתח הוא למקסם את העברת החום הטבעית מן האלקטרוניקה למים שמסביב.

בחירת חומרית ל-Hick Sinks andשיכון

ליצירת קשר ישיר עם מים, חומרים חייבים להיות עמידים בפני קורוזיה וחזקים מבחינה מכנית.טיטאניום (Grade 2 או 5) הוא בחירה נפוצה: יש לו מוליכות תרמית של 17 W/mK - בינוני אך מקובל כאשר בשילוב עם שטח מספיק. סגסוגת קופר כמו נחושת-ניקל (90/10 או 70/30) מציעים מוליכות גבוהה (30–50 W/K) ו/K) אבל הם יכולים להיות מסגסוגת זמן טובה, אם כי הם יכולים להוסיף סגסוגת טובה, אם כי הם יכולים להיות מסגסוגת זמן טובה יותר, אך ורק מסגסוגת אלומיניום.

פולימרים מתקדמים עם מילויים מוליכים תרמיים - כגון בורון nitride או פוליפרופילן מלא גרפיט - הם צוברים מתחים.חומרים אלה יכולים להשיג התנהגויות סביב 5-10 W / mK והם באופן לא פנימי corrosion-resistant, משקל, ועצבני לתוך צורות מורכבות.

המונחים: Surface Area Optimization

מכיוון שמים הם מנצח טוב אבל יש זרימה מוגבלת ליד פני השטח (במיוחד עבור מחסנים קטנים), הוספת משטחים מורחבים (פינים, סיכות, או פרופילים מכווצים) יכול לשפר באופן דרמטי את העברת החום.הטריק הוא לעצב תכונות אלה כך שהם לא בועות בועות סחף או להיות מוצפים על ידי פסולת פתוחה לוחות עם גדול (2–3 מ"מ) וגובה קצר הם לעתים קרובות סימולציה יעילה עבור נוזל (קומית)

המונחים: Stress-Compend Enclosures

גישה חדשנית פסיבית היא לחסל את דיור הלחץ העבה לחלוטין על ידי שימוש בעיצוב מותח לחץ.האלקטרוניקה מוקפת שמן דיאלקטרי (למשל, שמן סיליקון, שמן מינרלים) בתוך שלפוחית גמישה או פעמונים המעבירים את לחץ המים המטבולי לשמן, למרות שהנפט הוא במגע ישיר עם הרכיבים והקיר הדיור, ומניעים את הקיר העצום, חום מתמשך, הוא גם כן, אם כי הוא מאפשר הגנה חשמלית (אונקמת) או ממתכת (מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ) באופן דרסטי, אם כיבית) לשימוש בדלק, אם כי הוא אמצעי הגנה ישירה, אם כי הוא אמצעי הגנה ישירה, כלומר, או ממתכת (מ, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, או ממתכת (מחץ מים).

שינוי חומרים (PCMs)

עבור מכשירים הפועלים לסירוגין או חווים התפרצויות קצרות של כוח גבוה, PCMs יכול לספוג חום במהלך העומס העליון ושחרר אותו לאט לאט למים במהלך תקופות של idle. Paraffin שעווהes, חומצות שומן, ו hydrate מלח יש חום מאוחר גבוה של היתוך (150-250 kJ / kg) PCM הוא מלוטש במכלים מוליכים תרמיליים ומכניסים עם עומס חום יעיל במיוחד עבור רכיבי טמפרטורה גבוהה.

שיטות קירור יעילות

כאשר קירור פסיבי אינו מספיק – למשל, במערך LED בעוצמה גבוהה, מנועים תת-ימיים, או צמתים עמוקים של מחשוב הים – מערכות פעילות הופכות להכרחיות.מערכות אלה צורכות כוח ולהוסיף מורכבות, אבל הן יכולות לספק פקודות של פירוק חום גדול יותר.

קירור נוזלי עם מים זורמים או Coolants

משאבה קטנה שואבת מים דרך החלפת חום פנימית היא גישה ברורה. משאבה קטנה שואבת מים באמצעות צריכת, עובר אותו על צלחת קרה המחוברת לאלקטרוניקה, ולאחר מכן ממצה אותה. שיטה זו מנצלת את יכולת החום הגבוהה של מים ודורשת הבדל טמפרטורה מינימלית, עם זאת, המים חייבים להיות מסונן כדי למנוע חלקיקים מ clogging הערוצים, ו biofoing חייב להיות מטופלים biocialing.

Coolers (TECs)

TECs לפעול על אפקט Peltier - זרם נוכחי מעבר לצומת של שתי מתכות דיסימיות יוצר הבדל טמפרטורה.צד אחד מקבל קר, השני חם במערכות תת-ימיות, הצד החם הוא בדרך כלל מחובר לקיר דיור כי מעביר חום למים, בעוד הצד הקר קריר הוא חיישן או רכיב. TEC הם קומפקטי, מוצק, יכול לספק שליטה מדויקת - חשוב עבור לחות רגישה גם כן, או חנקן גבוה יותר, אם זה יהיה צורך בטמפרטורה גבוהה יותר.

אלקטרו הידרודינמיקה (EHD) ומגנטודינמי (MHD) משאבות

עבור סביבות שבהן משאבות מכניות אינן רצויות עקב חששות אמינות, משאבות EHD משתמשות בשדות חשמליים כדי להעביר נוזלים דיאלקטריים, בעוד משאבות MHD משתמשות בשדות מגנטיים כדי להעביר נוזלים מוליכים מוליכים כמו מים ים.המכשירים האלה אין חלקים נעים ויכולים להיות ממזעריים.מ.מ.ק.ד.ד. משאבות, במיוחד, יכולים להעביר מים ים ישירות דרך החלפת חום ללא צורך במעבורת משאבה, clogging, ללבוש וללבוש, אך הם דורשים קומפקטיים גמישים, הם דורשים קומפקטיים גמישים, הם דורשים קומפקטיים יותר ויותר מתאימים למגנטיים.

שיקולים חומריים ועיצוב

הגנה על קורוזיה ו- Galvanic Isolation

כאשר משתמשים במכות מרובות (למשל, צלחת קרה נחושת תקועה לדיור טיטניום), קורוזיה גלילבנית יכול להיות חמור.הפתרון הוא לבודד את המתכות באופן חשמלי באמצעות בידוד של צינורות גזים, כביסה, ופינות תרמיות כי הן מחלחלות חשמלית ומדליקת חום.

חומרים ממשקיים rmal (TIM) עבור יישומים צוללות

TIM בין הרכיב האלקטרוני לבין כיור החום חייב לעמוד בלחץ הידרוסטטי גבוה, אשר יכול ללסחוט כריות פער רך יותר או לגרום לריצה.שלב שינוי TIMs (אשר התכה בטמפרטורה הפעלה ומילוי פערים) יכול גם להדליף אם לא הכלול. עבור אלקטרוניקה תת-ימית, TIM מוצק כמו כריות סיליקון מלאות (קשה 70 A ומעלה) הם מועדפים, כמו משאבה טובה, לא מאפשר שימוש יעיל של שמן.

עיצוב דירות להעברת חום

הגיאומטריה של הדיור עצמו ממלא תפקיד.צורה מנומנמת מצמצם את גרר ומקדמת מים אחידים על פני פני השטח של החלפת החום, שיפור העברת חום אחידה. ריבס או ירכיים על פני השטח החיצוני יכול להגביר את הבלבול ולשפר את הפחתת חום האפקטיביות.עבור מערכות פאסיביות, או להקל על הדיור כך שזרםי חום טבעי (אם בכלל) יכול לזרום - למרות שהוא עמוק במים, הוא למנוע דחיסות חום, הוא פחות חשוב על ידי דחיסות גבוהה.

בדיקות ואימות

מערכות ניהול תרמיות Prototype חייבות להיבדק בתנאים תפעוליים מדומים: לחץ, טמפרטורה, סליטי וזרימה. הבדיקות אופניים תרמית הם קריטיים כדי להבטיח כי חומרים לא להרוס או סדק תחת חימום חוזר וקירור.מקבע בדיקות חיים עם חשיפה ביו-פולינג (למשל, ⁇ במי חוף במשך שלושה חודשים) יכול לאמת ציפויים נגד מוטציות וחום.

מחקרים ויישומים

חבילות סוללות AUV

כלי רכב תת-ימיים אוטונומיים לעתים קרובות לרוץ על סוללות ליתיום-יון אשר מייצרים חום משמעותי במהלך השחרור, במיוחד בעוצמה גבוהה.ב-FLT:0Liquid Robotics Wave GlidercioFLT:1, מערכת פסיבית באמצעות דיור אלומיניום עם סנפירים חיצוניים ושלב שינוי חומר (שעווה parain) הכלול בתא הסוללה פותח כדי להתמודד עם עומסי שיא במהלך מעבר פני השטח.

תאורה LED עמוק LED תאורה Arrays

LEDs בעוצמה גבוהה בשימוש ROVs ו מצלמות תת-ימי לייצר חום אינטנסיבי.אם הטמפרטורה של הצומת עולה על 85 מעלות צלזיוס, טיפות אור חיים לקצר.FLT:0Seafresh TechnologiesFLT:1 פיתח מערך LED מקוטב מים באמצעות צלחת טיטניום קר עם מיקרו-ערוצים ממונע ישירות לתוך דיור.

« « « אטלנטיק נתונים

observatories, כמו אלה ב FLT:0 [NEPTUNE ProjectcioFLT:1, מכיל ציוד חשמל, מעבדים, ממשקים סיבים אופטיים כי יחד dissipate כמה מאות וואט. אלה nodes נועדו עבור פעיל של 25 שנים ללא התאוששות.הניהול הrmal מסתמך על שילוב של תרכובות שמן ספוגות מופחתות ופירוק של צינורות אלקטרוניקה גבוהה של סגסוגת חיצונית.

טכנולוגיות מתפתחות וכיוונים עתידיים

כמו אלקטרוניקה תת-ימית לדחוף לכיוון של דגני חשמל גבוהים יותר - למשל, במניעה חשמלית, מודמים אקוסטיים גבוהים, אשכולות עיבוד עמוק-ים - גישות ניהול תרמיות חדשות נחקרות.

חומרים מתקדמים

חומרים Composite עם יהלומים או פחמן ננופינים מפותחים לדיור. אלה יכולים להשיג מוליכות תרמיות מעל 500 W/mK, יריב נחושת, תוך היותו קורוזיון-resistant וקל משקל. עם זאת, עלות וייצור קנה מידה נשאר מחסומים.חומר מבטיח נוסף הוא ציפויים חד-חמצני-חמצני המציעים הן התנהגות תרמית ואנטי-תפקוד באמצעות פעולה מיקרוביאלית.

קונסולת ה-Hal Heat Exchangers

במקום לצרף כיור חום נפרדים, ייצור תוספים (3D הדפסה) מאפשר שילוב של ערוצי קירור מורכבים, תואמים לתוך דיור הלחץ עצמו.זה מקטין ממשקים ומבטל את הצורך בממריצים נוספים. הדפסה ב titanium או Inconel מאפשרת ערוצים עם צורות מכומר כי למקסם את העברת החום תוך עמידה בטיפוסים מוקדמים הראו ירידה של 30% בהשוואה לעיצובים מסורתיים.

משטחים עצמיים

טרנסים לא חוקיים יכולים להיות מוטבעים על פני השטח של החלפת חום כדי ליצור רטטים כי dis לשכפל הביופוזה. המערכות האלה כבר בשימוש בחלק מהאונייה, ויכולים להיות מותאמים עבור אלקטרוניקה תת-ימית. צריכת החשמל היא צנועה (כמה וואט) אם מופעלת לסירוגין. גישה אחרת היא להשתמש משטחים עם מיקרו-מזרחי / לא-מבנה כי דחפים ביולוגיים ללא ציפויים, מחקה את ההשפעה הרבה.

הנחיות מעשיות למעצבים

בהתבסס על ניסיון בתעשייה ומחקר, ההנחיות הבאות יכולות לסייע למהנדסים לפתח מערכות ניהול תרמיות חזקות עבור אלקטרוניקה תת-ימית:

• (ב) ,0) ,Quantify את עומס החום במדויק את 1 ;measure orסימולציה של ניתוק כוח הגרוע ביותר, כולל ספייקטים טרנספורמטיביים. Overdesign מוביל למשקל ולעונשי עלות; תחת עיצוב מוביל לכישלון.
• (FLT:0Select אסטרטגיה קירור המבוססת על עומק ומשימה משך זמן רצף 1:1 עבור פריסות קצרות, קצרות, מערכות פסיביות הם לעתים קרובות מספיק. עבור מערכות עמוקות, ארוכות טווח או גבוהות, לשקול קירור פעיל או עיצובים מותחים לחץ.
• (FLT:0) מיליט את מספר הממשקים התרמיים של ההרחבה: (חיבור ישיר של רכיבים לקיר הדיור (באמצעות מכר או epoxies תרמיים) מניב את ההתנגדות התרמית הנמוכה ביותר.
• (ב) ,0) שילוב של RedundancyFLT:1 - עבור מערכות פעילות, משאבות כפולות או לולאות קירור מקבילים יכול למנוע כשלים חד-פעמיים.
• (FLT:0)Prototype ומבחן בתנאים ריאליים FIRLT:1 השתמש בכלי לחץ כדי לדמות עומק וצמרן לשלוט בטמפרטורת המים.מנע ביופוץ במבחנים מואצים במידת האפשר.
• (ב) [ה]הבא [ה]: כיצד ניתן לנקות את המערכת או להחליף את המסננים?

מסקנה

ניהול תרמי יעיל הוא אבן הפינה של מערכות אלקטרוניות אמין מתחת למים.שילוב ייחודי של לחץ גבוה, מים מלוחים קורוזיים, ביו-פוחיות, ופתרונות זרימה מוגבלת של אוויר קונבנציונאלי של טכניקות ניתוק אוויריות. גישות פאסיביות - כגון אופטימיזציה של פתרונות חומרים חומר, עומסי פני השטח המתעוררים, חימום ממוחזר של דלק מלא, ושינויים של חומרים - פשטות ואמינות עבור יישומים רבים עם קירור עצמי, כמו יעילות גבוהה, כמו פונקציות קירור מים מכנית, כמו אלקטרוניקה, כמו קיבולת מכנית מים מכנית, כמו קיבולת מכנית, כמו קיבולת מכנית מים אלקטרוניקה גבוהה, כמו קיבולת מכנית, כמו קיבולת מכנית, כמו אלקטרוניקה גבוהה יותר, כמו קיבולת מכנית מים אלקטרוניקה גבוהה אלקטרוניקה אלקטרוניקה קיבולת מכנית, תוך כדי חימום, תוך כדי חימום, 000 קיבולת ייצור.

(בקריאה נוספת, המכון לניהול רב-ממדי (FLT:0) של האו"ם (Ocean thermal Management Institute) 1 מספק ספרי יד מפורטים על בחירת חומרים ועיצוב החלפתr לסביבות תת-ימיות.בנוסף, TheFLT:2Marine Technology SocietyFLT 3:3 מפרסם מאמרים מפורטים על מודלים תרמיים של מערכות מתחת למים.