Sıcak Ortamlarda Makinelerin Çalışır Kalmasını Sağlayan 10 Teknoloji

Aşırı sıcaklıklar, makinelerde sadece rahatsızlığa yol açmaz; metalleri yumuşatabilir, elektronik devreleri bozabilir, yağlayıcıları parçalayabilir ve hayati bileşenlerin çatlamasına neden olabilir.

Veri merkezlerinin daha güçlü hale gelmesi ve uçak motorlarının daha yüksek sıcaklıklarda çalışmasıyla bu sorun giderek büyüyor. Mühendisler, ısıyı uzaklaştıran veya makinelerin ısıya dayanmasına yardımcı olan soğutma sistemleri ve gelişmiş malzemeler geliştiriyor.

1. Sıvı ve İmmersiyon Soğutma Binlerce işlemciyi tek bir veri merkezine yerleştirmek, hava soğutmasının üstesinden gelmek zor olabilir. Doğrudan-çipe soğutma, sıvıyı işlemcilere ve diğer ısı üreten bileşenlere monte edilmiş soğutma plakaları aracılığıyla geçirerek bu sorunu çözüyor.

İmmersiyon soğutma daha da ileri giderek tüm sunucuları, elektriği iletmeyen bir sıvıya yerleştiriyor. Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’nın yaptığı bir araştırmaya göre, açık banyolu imersiyon, geleneksel kompresörlü soğutmaya ihtiyaç duymadan yüksek yoğunluklu elektroniklerin soğutulmasını sağlayabilir Lawrence Berkeley National Laboratory study. Tek fazlı sistemler, soğutma sıvısının ısıyı emerken sıvı halde kalmasını sağlarken, iki fazlı sistemler, sıvının sıcak bileşenlerin yakınında kaynamasına izin vererek daha sonra yoğunlaşarak banyoya dönmesini sağlar.

2. Mikrokanallar, Jet Etkisi ve Sprey Soğutma Bazı elektronik bileşenler, standart sıvı sistemleri için çok fazla ısı üretir. Mikrokanal soğutma, soğutucuyu ısı kaynağına yakın yerleştirilmiş küçük kanallar aracılığıyla geçirerek bu sorunu çözer.

Jet etkisi, yüksek hızlı sıvıyı küçük nozüller aracılığıyla bir yüzeye yönlendirir. Bu, ince bir termal sınır tabakası oluşturur ve temas noktasında ısı transferini artırır. Sprey soğutma, bir yüzeyi ince damlalarla kaplar; bunlar ısıyı emer ve buharlaşır. ABD Enerji Bakanlığı, iki fazlı soğutma plakaları ve impingement jets içeren gelişmiş çip seviyesi soğutma sistemlerini destekliyor.

3. Termal Bariyer Kaplamalar Termal bariyer kaplamalar, ısıya dayanıklı metal bileşenlerin üzerine yerleştirilen ince seramik katmanlardır. Düşük termal iletkenlikleri, ısının altındaki metale geçişini yavaşlatır. Tam bir kaplama sistemi genellikle bir seramik üst katman ve metalik bir bağ katmanı içerir. Ayrıca, çalışma sırasında aralarında gelişen bir termal olarak büyümüş oksit katmanı bulunur. Bu sistemler, korumasız bir alaşımı zayıflatabilecek sıcaklıklara maruz kalan türbin bileşenlerinin dayanmasına olanak tanır. ABD Ulusal Enerji Teknolojisi Laboratuvarı, termal bariyer kaplamalarının gaz türbini motorlarının güvenli ve verimli çalışması için kritik olduğunu belirtiyor.

4. Süper Alaşımlar ve Isıya Dayanıklı Alaşımlar Nikelle üretilen süper alaşımlar, jet motorları ve gaz türbinlerinin yapısal omurgasını oluşturur. Yüksek sıcaklıklara ve büyük dönme kuvvetlerine maruz kaldıklarında bile mekanik güçlerini korurlar. Sıradan metallerde bulunan tane sınırlarını ortadan kaldıran tek kristal türbin kanatları, sürtünme veya deformasyonun başladığı zayıf noktalar olabilir. En iyi dereceli nikel süper alaşımları, 1100°C’ye yaklaşan sıcaklıklarda çalışabilir. Kaplamalar ve iç soğutma, etrafındaki gazın daha da yüksek olduğu durumlarda bile bunları korur. ABD Enerji Bakanlığı’nın yaptığı bir değerlendirmeye göre, bu özellikler sayesinde mümkün olur US Department of Energy assessment.

5. Seramik Matris Kompozitler Seramik matris kompozitleri, seramik liflerinin bir seramik matrise gömülmüş halidir. Lifler, çatlakların malzeme boyunca serbestçe hareket etmesini engeller. Bu kompozitler, birçok metale göre daha yüksek sıcaklıklara dayanabilir ve aynı zamanda bir türbin içinde daha az soğutma havasına ihtiyaç duyarlar. GE Aerospace’in yaptığı açıklamaya göre, seramik matris kompozitleri, karşılaştırılabilir metal parçaların yaklaşık üçte biri yoğunluğundadır. Ayrıca, GE9X gibi motorlarda gereken soğutma hava miktarının yarısından daha düşüktür GE9X.

6. Ablatif Termal Koruma Sistemleri Ablatif koruma sistemleri, uzay araçlarını yavaşça kendilerini yok ederek korur. Dış katmanları, aracın yüzeyinden ısıyı uzaklaştırırken kararmış veya buharlaşır. Bu süreç sırasında salınan gazlar, dönen bir uzay aracının etrafındaki süper ısıtılmış şok tabakasını azaltarak koruyucu bir bariyer oluşturabilir. NASA’nın Phenolic Impregnated Carbon Ablator’u, Stardust ve OSIRIS-REx gibi görevlerde kullanılmıştır. Ayrıca, Mars Science Laboratory ve Mars 2020’de de kullanılmıştır NASA.

7. Yenilenen Soğutma Türbin duvarlarının dayanabileceği sıcaklıkların çok üzerinde olan sıcaklıklara sahip roket motorları, yenilenen soğutma ile korunur. Bu yöntem, yakıtı veya başka bir soğutucuyu, daha sonra yanmadan önce ısıyı emerken motorun içindeki kanallardan geçirir. Bu, motoru soğuturken aynı zamanda yakıtın yanmadan önce ısınmasını sağlar. Bu yöntem, yoğun aerodinamik ve yanma ısısına maruz kalan scramjet’ler için de incelenmektedir. Applied Thermal Engineering’de yayınlanan araştırmalara göre, yenilenen soğutma, scramjet combustion chambers korumak için önemli bir yaklaşımdır.

8. Faz Değişimi Malzemeleri Faz değişimi malzemeleri, farklı fiziksel hallere geçerek ısı emer. Birçok sistem, sıcaklık arttıkça eriyen bir malzeme kullanır. Bu geçiş, malzemenin aynı zamanda eşit derecede keskin bir sıcaklık artışı yaşamadan termal enerjiyi depolamasını sağlar. Daha sonra, soğuyup katılaştığında bu enerjiyi serbest bırakabilir. Bu özellik, elektroniklerden veya pillerden gelen kısa süreli yoğun ısı patlamaları sırasında faydalıdır. NASA’ya göre, bu sistemler sıcaklık zirvelerini kontrol edebilir ve tekrarlanan thermal cycling maruz kalan bileşenleri koruyabilir.

9. Geniş Bantlı Yarı İletkenler Sıradı yarı iletkenler, yüksek sıcaklıklarda istenmeyen elektrik aktivitesinin oluşması durumunda başarısız olabilir. Geniş bantlı malzemeler olan silikon karbür ve nitrür gibi malzemeler, elektronların iletken bir duruma geçmesi için daha fazla enerji gerektirir. Bu nedenle, geleneksel silikona meydan okuyan yüksek güç elektroniği, yüksek voltajlarda ve sıcaklıklarda çalışabilirler. Silikon karbür özellikle uçak motorları ve gezegensel keşif sistemleri için önemli hale gelmiştir. NASA, cihazların soğutma veya koruyucu ambalaj olmadan 521 saat boyunca çalıştığı Venüs yüzey koşullarının simüle edildiği ortamlarda silikon karbür devrelerini test etti space agency.

10. Isı Boruları ve İki Fazlı Isı Yayıcılar Isı boruları, ısıyı hassas bileşenlerden uzaklaştırmak için sızdırmaz bir sıvı kullanır. Sıvı, sıcak noktanın yakınında buharlaşır ve daha sonra yoğunlaşarak salınan ısıyı serbest bırakır. Bir fitil veya dahili kanal, sıvıyı geri döndürerek döngünün devam etmesini sağlar. Buhar odaları, aynı prensibi kullanarak ısıyı daha geniş bir yüzey üzerinde yayar. NASA, spacecraft hardware korumak için kullanılan termal kontrol sistemleri arasında ısı borularını ve diğer iki fazlı cihazları listeler.

Makineye birden fazla katman gerekir Tek bir malzeme veya soğutma sistemi her türlü aşırı ısı sorununu çözemez. Bir yapay zeka sunucusunda etkili olan bir teknoloji, bir roket motorunun içinde veya atmosferik giriş aracı içinde etkisiz olabilir. En dayanıklı makineler, ısıyı hem dirençli hale getirir, bazılarını uzaklaştırır ve geri kalanının geçmesine izin verirken çalışmaya devam eder.

Kaynak: Interesting Engineering