Русский
Русский
English
Статистика
Реклама

Охлаждение

Теркон в руках любителя, или собираем ещё один умный обогреватель

02.04.2021 12:23:26 | Автор: admin

Очень уж мне нравятся публикации об контурных тепловых трубках (КТТ), которые производят и продают соотечественники из СПБ. А тут ещё и подвернулась возможность обновить свой старый ПК. Так что решил совместить приятное с полезным и соорудить корпус ПК с применением передовых технологий.

Пролог

Конечно, сейчас достаточно готовых и компактных решений по корпусам и охлаждению для ПК, как может справедливо заметить каждый первый. Но, усамураясамодельщика нет цели, только путь. И предлагаю его совместно пройти!

С чего все начиналось

Одним прекрасным утром я осознал, что настало время заменить свой старый (тоже всамопальномкорпусе) ПК на что то гораздо более свежее и производительное. Вместе с корпусом и шумноват стал, и запаса по охлаждению СО нет никакого.

В плане выбора комплектующих сейчас все вполне просто о видеокартах можно даже не задумываться и забыть что такое существует (спасибо за это ценам). А ещё китайцы предлагают весьма доступные и интересные варианты распаянные на стеклотекстолитовую подложку под настольный сокет мобильные CPU. Итого получился вот такой набор:

  • CPU QNCT (ноутбучный инженерник i7 8700 с подложкой под установкой в настольный сокет - мутатнт)

  • MB Asus H110T Thin Mini ITX

  • RAM 8Gb DDR4 x2

  • SSD 500ГБ, M.2 2280, SATA III

  • Пром. БП на 12V

Добавлю парочку замечаний.
По процессору что бы раз и навсегда снять вопрос с прилеганием сокетных СО к крохотному кристаллу была добавлена теплораспределительная крышка от какого то древнего процессора:

Крышка обтачивается у основания, что бы по высоте прилегала к кристаллу и с боков, что бы влезла на подложкуКрышка обтачивается у основания, что бы по высоте прилегала к кристаллу и с боков, что бы влезла на подложкуДалее нанесение термопасты и приклеивание с помощью автомобильного нейтрального герметикаДалее нанесение термопасты и приклеивание с помощью автомобильного нейтрального герметика

SSDизначально брался под иные цели, но в итоге было решено его использовать в этой сборке. А так как материнка конструктивно не поддерживает размещение накопителей длиной 80мм и более, то пришлось использовать такой адаптер:

Проектирование СО, или придумываем себепроблемызанятие

Физика девушка бескомпромиссная хочешь компактности жертвуешь эффективностью охлаждения (теплообмена) и/или тишиной. А жертвовать ой как не хотелось тишиной (особенно после пополнения в семье). Под нож пошла компактность что бы сделать в идеале бесшумный ПК (пассивное охлаждение) нужен очень большой радиатор. Но путать ПК с батареей отопления тоже не вариант, так что можно предусмотреть (делать этого я конечно же не буду) размещение кулеров с минимальными оборотами даже незначительный поток воздуха по сравнению со свободной конвекцией улучшит эффективность теплоотвода с радиатора и позволит использовать вариант покомпактнее. Подобное утверждение на практике много раз было проверено при тестировании массивных кулеров, предполагающих работу без своего вентилятора.

на графике изстатьивидно, как резко начинает расти температура при снижении обдува (к этому моменту ещё вернемся в нашемдиагнозеслучае)на графике изстатьивидно, как резко начинает расти температура при снижении обдува (к этому моменту ещё вернемся в нашемдиагнозеслучае)

А что если радиатор будет частью корпуса и вообще на нем все разместить и MB, и накопитель, и блок питания? Взять за основу светодиодные профили. Сейчас их много доступных вариантов, да ещё и отрезают по размерам.

 Например 30см вот такого радиатора хватит, что бы закрепить на его основании комплектующие Например 30см вот такого радиатора хватит, что бы закрепить на его основании комплектующие

Хотя по виду (да и по факту) его будет маловато для полностью пассивного рассеивания ~50W в приемлемом температурном диапазоне. Иными словами что бы CPU не тротлил и был запас по температуре при нагрузках (до 80 градусов на кристалле). Но сейчас вопрос в другом как передать тепло от процессора на радиатор, да ещё и постараться распределить его по всему объему.

Тут важно отметить недаром материнская плата форм-фактораThinMini ITX. По спецификациям это гарантирует нам следующее:

  • Формат предполагает расположение платы по высоте ~25мм

  • Расположение сокета процессора фиксировано по стандарту

Варианты:
1. Разместить толстую медную болванку между CPU и радиатором. Но тогда MB придется крепить всеми внутренними разъемами/слотами лицом к основанию и к ним не будет никакого доступа. Этого вполне достаточно, что бы отмести такой вариант расположения.
2. Передавать тепло на радиатор, расположенный с обратной стороны MB с помощью тепловых трубок (ТТ).

Немного теории о тепловых трубках
Схематическое изображение ТТСхематическое изображение ТТ

ТТ является устройством, которое может быстро передавать тепло от одной точки к другой по принципу замкнутого испарительно-конденсационного цикла. Представляют они собой собой герметично запаянные тонкостенные трубки, внутри которых имеется жидкость с низкой температурой кипения (есть варианты трубок на ацетоне, аммиаке, воде и низком внутреннем давлении...). В зоне нагрева (испаритель) происходит испарение рабочей жидкости процесс фазового перехода из жидкого состояния в газообразное. И процесс этот весьма энергозатратен, что объясняет столь высокую эффективность теплопереноса. Из-за испарения повышается давление в зоне нагрева, что приводит к его перемещению в зону с более низким давлением кконденсатору, где трубка обычно контактирует с ребрами радиатора. В этом месте пар охлаждается и происходит его конденсация на стенках трубки. За возврат жидкости в зону нагрева отвечает капиллярный эффект для этого в трубке имеется фитиль. В самых ранних вариантах трубок фитиль был в виде оплетки, которая смачивалась жидкостью. Низкая эффективность и дешевизна в производстве. Сейчас же используются или спеченный металлический порошок или капиллярная структура на внутренних стенках трубки, но существует и комбинированный вариант в зоне испарения спеченный порошок, а остальная часть трубки покрыта капиллярами.

Фитиль из оплеткиФитиль из оплеткиСпеченный медный порошок на стенках ТТСпеченный медный порошок на стенках ТТКапилляры на стенках ТТКапилляры на стенках ТТ

Как бы трубки не были хороши, есть у них и минусы:

  • падение эффективности при увеличении длинны трубки

  • зависимость эффективности от ориентации (влияние гравитации) оптимальное расположение испаритель снизу, конденсатор сверху

  • снижение эффективности теплопереноса при изгибании трубок. К сожалению документальное подтверждение сейчас не найду, но лет 7 назад встречал презентацию, где изгибание на 90 градусов приводит к потере 20-30% максимально передаваемой мощности

  • при превышении максимально допустимой мощности трубка резко начинает терять свои свойства. Причина банальна вся рабочая жидкость переходит в пар и процесс отбора тепла прекращается. Так же при этом растет внутренне давление, которое может привести к выходу из строя трубки

С классическими ТТ есть загвоздка их довольно непросто изгибать в домашних условиях. Шутка ли тонкостенная да ещё и с низким давлением внутри. Отсюда и довольно больше минимальные радиусы изгиба от 5 диаметров трубки. Даже если они относительно дешевы (200-300р на али встречал прямые за шт), то их все равно надо брать с большим запасом, ибо часть гарантированно сломается.

Однако технологии не стоят на месте, и сами ТТ развиваются и совершенствуются в обиход активно входят испарительные камеры,контурные тепловые трубки(КТТ). Разработкой и продвижением последних занимаются наши с вами соотечественники из СПБ в компании Теркон-КТТ.

Что же нового предлагает КТТ по сравнению с классическими ТТ?

Принципиальная схема КТТПринципиальная схема КТТ

Особенность кроется в испарителе теперь там не простые капилляры, а особая их структура, позволяющая испарять теплоноситель в одном направлении (этакий диод давление с обратной стороны уравновешивается капиллярным давлением поступающей жидкости), что позволяет создать кольцевой замкнутый контур, где циркуляция жидкости осуществляется посредством давления и нет необходимости в капиллярах для возврата жидкости как в обычных ТТ. Благодаря этому разработчики отмечают такие качества КТТ:

  • большая дистанция теплопереноса (до 22м метров, Карл!)

  • нет зависимости эффективности от ориентации КТТ

  • нет зависимости эффективности от изгибов трубки КТТ

  • высокая мощность. На примере КТТ из статьи до 120 Вт при длине конденсатора 67см. При том что диаметр трубки в зоне конденсации всего 2мм. Вот для примера значение максимальной мощности для типовых ТТ 150мм и 250мм длиной:

Скриншот из даташита ТТСкриншот из даташита ТТ

Минусом может быть разве что трудность монтажа в ряде случаев все таки тут не 1 трубочка, а кольцевой контур, где изгибание допустимо в зоне конденсатора. И испаритель изготавливается определенных размеров. Но меня это устроило, так что был заказана серийная модельКТТ 01 тип а:

Скриншот из даташита КТТСкриншот из даташита КТТ

Заказ оформляется, деньги исчезают... Немного ожидания и вот он, теркон:

Вскрытие посылки выявило, что КТТ пришёл с теплосъёмником в зоне конденсатора, без теплосъёмника на испарителеВскрытие посылки выявило, что КТТ пришёл с теплосъёмником в зоне конденсатора, без теплосъёмника на испарителе

Вообще по описанию товара должен был быть голый контур, так что тут положили даже больше, хоть и не пригодилось планировалось трубку на стороне напрямую разместить в основании радиатора, отфрезеровав в нем паз под нее. А так можно отдельно заказать уже с теплосъёмниками(примерно аналогичен тому, что пришлось изготовить мне). При штучном заказе + 1000р для теплосъёмника на испарителе.

Приступаем!

Такс, КТТ на руках, радиатор на полке. Пришлось погоняться за медной шиной толщиной 5мм, а ещё потребуется алюминиевая пластина толщиной 2мм. Сложнее всего было найти человека с ЧПУ фрезером по металлу и не отдать ему полцарства в виде минимальной стоимости заказа. Но раз статью пишу значит и таковой нашёлся!Набросав во Fusion 360 модельки, хватаю всеметаллоломжелезяки и приступаем вместе с мастером к изготовлению.

Теплосъёмник для испарителя был изготовлен из двух медных пластин 5мм толщиной, между которыми было просверлено отверстие под испаритель (8мм в диаметре, напоминаю). Он и будет передавать тепло с CPU:

Заготовка из скрепленных 5мм медных пластинокЗаготовка из скрепленных 5мм медных пластинокСверловка отверстия под испаритель КТТСверловка отверстия под испаритель КТТ

Что бы разместить змеевик конденсатора КТТ в радиаторе, фрезеруется канавка глубиной 1мм в его основании и такая же в алюминиевой прижимной пластине. Таким образом трубка будет прижата по всей окружности. Ну и отверстия под крепеж на этом же этапе.

Фрезеровка канавки и сверловка монтажных отверстий на ЧПУФрезеровка канавки и сверловка монтажных отверстий на ЧПУ

Далее следует кропотливый процесс шлифовки и подгонки, но в итоге вот такая красота:

После обработкиПосле обработки

Перед установкой в пазы радиатора и теплосъёмника промазывается все термопастой:

Радиатор и прижимная пластинаРадиатор и прижимная пластинаТеплосъёмник CPUТеплосъёмник CPU

Что бы теплосъёмник CPU расположился на необходимом месте, контур сгибается. По диаметру почти подошла пластиковая труба вокруг нее и изгибал. Потребовалось немного увеличить диаметр изолентой:

Гибка КТТ вокруг пластиковой трубыГибка КТТ вокруг пластиковой трубы

И наконец установка теплосъёмника CPU, примерка, размещение стоек для MB...:

Контур в сборе. Кстати, на фото видно, но изгибы трубки в стороны (что бы приблизить к краю радиатора) произошли с излишним загибом (заломом?) трубки. Это был уже мой косяк схватил для опоры более тонкую трубку. Но тем не менее контур не потерял работоспособность.Контур в сборе. Кстати, на фото видно, но изгибы трубки в стороны (что бы приблизить к краю радиатора) произошли с излишним загибом (заломом?) трубки. Это был уже мой косяк схватил для опоры более тонкую трубку. Но тем не менее контур не потерял работоспособность.

Сборка. Первые тесты и работа над корпусом

Вот уже есть предварительный итог смонтирована КТТ, компьютер собран для первых тестов (теплосъёмник прижат к CPU с помощью бекплейта)!

Можно включать!Можно включать!

Проверим пассивный вариант использования никаких кулеров! При низкой нагрузке (простой, серфиг, офисные утилиты....) температура процессора доходит до отметки 50 градусов (минут через 20 после включения и просмотре фильма). Жить можно, но если увеличить нагрузку

График температур при запуске встроенного стресс теста CPU-ZГрафик температур при запуске встроенного стресс теста CPU-ZВот что видит тепловизор после прогрева стресс-тестомВот что видит тепловизор после прогрева стресс-тестом

Очевидно, что полностью пассивный режим работы не наш случай. Нужно создать хотя бы небольшой поток воздуха (все таки достаточно много ушло времени для достижения предельных температур на максимальной нагрузке). То, что такому радиатору достаточно небольшого потока было проверено 50мм кулером от древней видеокарты. Просто бросив его поверх радиатора при тех же условиях и времени тестирования максимальная температура добралась до 87 градусов. Уже прогресс!

Этот малыш справился!Этот малыш справился!

Значит, проблему перегрева вполне можно решить с помощью более крупных кулеров (или даже нескольких), работающих на минимальных оборотах. Но вот как быть с их размещением? Тут уже совсем близко подбираемся к корпусу.

Заключительный этап, или как не надо делать

Как я обмолвился в начале, изначально не задумывался о размещении кулеров и планировал этот вопрос при необходимости решить на этапе проработке корпуса, который по сути будет кожухом, закрывающим основание радиатора и электронику. Так вот о кулерах размещать их или со стороны ребер, что по сути будет вне корпуса (и мне не очень такой вариант понравился), или внутри корпуса, где все греющиеся элементы. Но вот незадача поток нужно направить как то на обратную сторону радиатора (на ребра) для лучшего охлаждения. И тут на пути воздуха стоит препятствие в виде сплошного алюминиевого основания толщиной 6мм.

Можно наделать сквозных вентиляционных отверстий в основании между ребер. И как бы это было удобно сделать сразу на чпу Очень не хотелось ради этого строить планы, договариваться. Сам прошляпил возможность, сам и решу эту проблему.
Для этого потребуется: дрель, сверло 5мм, втулка латунная с внутренним диаметром 5мм в качестве кондуктора и шаблон расположения отверстий (под втулку) из фанеры 6-8мм толщиной. Такую деталь на многочисленных лазерных резках сделать очень дешево.

Сверление сквозных вентиляционных отверстий по шаблонуСверление сквозных вентиляционных отверстий по шаблону

Так как плата расположена по центру радиатора (если смотреть вдоль), то с краев остается по 65мм. С одной стороны БП, с другой стороны SSD на переходнике. И SSD по высоте занимает очень мало места, так что над можно разместить 2-3 60мм кулера. Остановимся на 2х.

С учетом размещения разъёмов, кнопок, креплений, соединений стенок корпуса набрасывается модель корпуса, чертежи отдаются на лазерную резку. На выходе вот такой вот набор для склейки:

Пазл!Пазл!Много суперклея и корпус собранМного суперклея и корпус собран

Далее установка всех разъемов/кнопок в корпус, подготовка к окончательной сборке.

Ещё чуть чуть и будет готово!Ещё чуть чуть и будет готово!

Так как акриловый корпус как чехол сверху надевается на радиатор и прячет все под собой, нет возможности аккуратно уложить все кабеля. Бардак и хаос, но все влезло:

Впихнуть невпихуемоеВпихнуть невпихуемоеЕщё фото с разных ракурсов

Вот результаты тестов при оборотах кулеров ~1000PRM:

Уже лучшеУже лучше

Что тут сказать немного горячее, чем хотелось бы при низком уровне шума (низких оборотах кулеров). Но вполне жизнеспособно! Основная цель пощупать и помять современные решения в области охлаждения достигнута! Спасибо всем, кто осилил данную публикацию!)

Дополнительная информация и благодарности

В статье были использованы материалы из публикаций:Процессорный охладитель Cooler Master MasterAir Pro 4Тепловые трубки

Хочу выразить благодарность за помощь с металлообработкойИгорю Федоренкои сотрудникам Теркона охотно отвечают на все вопросы и дают рекомендации.

Подробнее..

Recovery mode Компьютер с кипящим охлаждением представлен на семинаре в ИПС РАН

03.11.2020 12:06:29 | Автор: admin
16 октября 2020 года на семинаре в Институте программных систем РАН (Переславль-Залесский) была показан экспериментальный компьютер, охлаждаемый кипящей жидкостью. Конечно, кипящей при невысокой температуре (40C). По словам исследователей, это позволяет в тысячи раз улучшить отбор тепла на процессоре и создать одинаково холодные условия во всей установке.

Слева монитор управляющей системы, справа компьютер, на его процессоре заметно кипение.
Слева монитор управляющей системы,
справа компьютер, на его процессоре заметно кипение.


Компьютер не перемещает никаких грузов, не обрабатывает сырья, не выпекает хлеб или керамику то есть не тратит электрическую мощность на производство продукции. Вся эта мощность должна быть рассеяна компьютером без перегрева, всё его тепло надо сбросить в окружающую среду. Поэтому охлаждение электроники становится очень важной, ключевой задачей. Шаг за шагом было придумано воздушное охлаждение, потом изолированное жидкостное (охладитель в трубках), потом погружное (электроника плавает в охладителе). А теперь сделан следующий шаг фазовый переход.


Стенд работает


Бросим взгляд на экспериментальную установку. Вот аквариум с материнской платой. В него налита фторкетонная жидкость. И да, она совсем сухая на ощупь, потому что мгновенно испаряется с ладони. На процессоре эта жидкость кипит пузырьками и превращается в пар.

Для проверки на стенде установлен набор резисторов.
Для проверки на стенде установлен набор резисторов.

Чуть выше стоит конденсатор, в нём течёт холодная вода и собирает всё тепло, которое несёт этот пар. Отдав тепло, пар конденсируется и капает вниз, а вода, нагревшись, течёт в теплообменник в нижней части стенда. Здесь тепло из воды уходит на улицу, а холодная вода возвращается в конденсатор.

Конденсатор, который собирает тепло.
Конденсатор, который собирает тепло.

Говорит один из разработчиков, кандидат технических наук Сергей Анатольевич Амелькин:
Мы погружаем процессор в кипящую жидкость, и его тепло передаётся кипящей жидкости. Если кипение происходит при достаточно низкой температуре, процессор не будет сильно греться, а тепло будет собрано жидкостью. При этом жидкость изменит фазовое состояние, станет паром. Этот пар сам поднимается через слой жидкости наверх к конденсатору. Экспериментальная установка и работает, и жидкость в ней кипит, и дождик капает!


Охлаждающая жидкость закипает, видны капли и брызги.
Охлаждающая жидкость закипает, видны капли и брызги.

На 140 ваттах мощности, которые отдаёт экспериментальный вычислительный узел, разница температуры между процессором и жидкостью составила 35 градусов. Это соответствует коэффициенту теплопередачи 2500 Вт/(мК).

По расчёту в этом аквариуме можно утилизировать в окружающую среду 15 кВт мощности при температуре окружающей среды 20 градусов. Сейчас, подключённый к обычной розетке, стенд выводит в воздух 2,5 кВт мощности. (Таково ограничение электрической сети в лаборатории.) Кипеть начинает за пять минут. Опыт сделан на комплекте резисторов, включённом через ЛАТР.

Снова дадим слово разработчику. Говорит доктор технических наук Анатолий Михайлович Цирлин:
Опуская компьютер в кипящую жидкость, мы фиксируем температуру всех элементов. Они будут иметь ту температуру, при которой жидкость кипит. Это стабильная температура, не надо никакого регулирования.


Охлаждающая жидкость бурлит и плещется.
Охлаждающая жидкость бурлит и плещется.

Коэффициент теплообмена теперь резко увеличился. За счёт этого процессор теперь охлаждается напрямую, без радиатора. Однако площадь самого процессора невелика, поэтому не удаётся снимать с него очень уж большую мощность. Есть мысль создать специальный радиатор, который будет контактировать с процессором в нескольких точках. Хотя площадь контакта у него будет маленькой, но ведь поверхность теплообмена будет значительно больше.

Что будет дальше


Лабораторная установка, показанная в ИПС РАН, позволит учёным экспериментально изучать режимы и процессы двухфазных охладительных систем. Тут можно сравнивать различные охлаждающие жидкости и хладагенты, проверять работу радиаторов, продолжая исследования в области кипящего охлаждения.

О продолжении этих исследований мы спросили Анатолия Михайловича Цирлина, и вот что он рассказывает.
Наша следующая цель кипящий струйный компьютер, в котором струя кипящей жидкости обтекает горячие элементы, чтобы распределять её на самые горячие места. За счёт движения жидкости можно увеличить коэффициент теплоотдачи в три раза. Но ещё важнее, что за счёт движения жидкости можно управлять переходом кипения от пузырькового режима к плёночному, когда образуется плёнка пара. Такой переход в плёночный режим опасен, при нём всё перегревается.

В перспективе эти работы могут быть использованы при разработке суперкомпьютеров. К сожалению, сейчас в России не строят коммерческих суперкомпьютеров, а недавно запущенный суперкомпьютер Сбербанка Кристофари был разработан и построен американской компанией Nvidia.

Тепло стремительно уходит за счёт кипения.
Тепло стремительно уходит за счёт кипения.

Кто придумал и построил всё это


В работе участвовали четыре человека: дтн Анатолий Михайлович Цирлин, ктн Сергей Анатольевич Амелькин, аспиранты Алексей Анатольевич Петров и Алексей Алексеевич Демидов. Они трудятся в Институте программных систем имени Айламазяна РАН в городе Переславле, Ярославская область.

Сергей Амелькин демонстрирует работу стенда.
Сергей Амелькин демонстрирует работу стенда.

Анатолий Михайлович Цирлин придумал эту идею (DOI) и предложил её в 2016 году, выступая на Национальном Суперкомпьютерном Форуме в Переславле.

Кандидат технических наук Сергей Анатольевич Амелькин разработал математическую модель системы охлаждения, основанной на фазовом переходе. Выбран оптимальный режим, соответствующий минимальной необратимости процесса охлаждения. Опираясь на модель, он предложил конструктивные решения, которые обеспечат реализацию такого режима, и разработал алгоритмы для управления погружными двухфазными системами охлаждения.

Аспирант Алексей Алексеевич Демидов проводил расчёты, проектировал инженерную 3D-модель экспериментальной установки. Исходя из гидравлической схемы, он расположил в столе и в аквариуме все компоненты гидравлики конденсатор, драйкулер, насосы, теплообменник, расширительный бак. Он моделировал вычислительный узел и испытательный блок с нагрузочными резисторами, подготовил чертежи и конструкторскую документацию. Наконец, он контролировал весь процесс сборки и наладки стенда в лаборатории.

Аспирант Алексей Анатольевич Петров уже несколько лет создаёт системы управления для погружного охлаждения фирмы Иммерс. Такая система управляет насосами и вентиляторами через программируемые контроллеры. Задача тут непростая надо поддержать в каждом контурне системы охлаждения постоянный температурный режим. С одной стороны, надо обспечить низкую температуру, а с другой стороны, хочется тратить минимум энергии на работу охладительной системы при самой разной температуре окружающего воздуха, куда, собственно, всё тепло в конечном счёте уходит. Здесь он писал SCADA-систему, которая слушает датчики температуры и давления, включает и выключает вентилятор, выводит сведения на экран оператора то есть управляет всей аппаратурой.

Вот такой был семинар и вот такие достижения. Надеюсь, не в последний раз.


Текст и иллюстрации: CC-BY-SA 3.0.
Подробнее..

Умная одежда устройство модуляции температуры на основе графена

24.06.2020 10:13:26 | Автор: admin


У природы нет плохой погоды, как поется в знаменитой песне из кинофильма Служебный роман. Однако далеко не все готовы согласиться с этим утверждением. Кому-то нравится холод, кто-то предпочитает жару, кому-то все равно. Я же отношусь к тем людям, которые будут жаловаться и на жару, и на холод, нам подавай комфортные +20 C. К сожалению, не всегда и не у всех любителей нейтрального климата есть возможность жить в регионах, где он есть. Сейчас лето в самом разгаре, удушающая жара лишь изредка прерывается кратковременными грозами, которые не особо помогают. Если природа не готова идти нам навстречу, значит стоит делать что-то самим. Сегодня мы познакомимся с исследованием, в котором ученые из Манчестерского университета (Великобритания) разработали умную адаптивную ткань, способную снижать температуру тела человека ее носящего в жаркие дни. Что легло в основу умной ткани, как протекал процесс разработки, и какие дополнительные свойства и варианты применения имеются у этого изобретения? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


Прежде, чем рассказать нам о своем творении, ученые отмечают, что прогресс в области пользовательской электроники за последние годы идет семимильными шагами. Буквально каждый день появляется что-то новенькое и необычное. Тем не менее, существует ряд ограничений, которые мешают тем или иным разработкам перейти от стадии лабораторных тестов к стадии массового производства. В аспекте производства умных тканей основной проблемой является сложность интеграции электронных / оптических материалов внутрь волокон ткани. Самый простой вариант в носимой электронике это создание отдельных гаджетов (браслеты, часы и т.д.), которые не требуют внедрения в другую систему (в данном случае, ткань), но спектр возможностей этих устройств будет ограничен.

По словам ученых, чтобы достичь вразумительных результатов в сопряжении электроники и ткани, необходимо либо изменить технологию производства ткани, либо использовать нестандартные материалы для электронной части носимого устройства.

Одним из таких материалов является двумерный графен. Однако в предыдущих попытках его использовать ученые полагались больше на его электропроводность. В данном же труде было сделано ударение на оптическую составляющую, т.е. была предложена идея использовать графен в качестве оптической платформы.

Тепловое излучение от многослойного графена может модулироваться электрически через интеркалирование* ионов.
Интеркаляция* обратимое внедрение молекулы или группы молекул между другими молекулами или группами молекул.
В данном исследовании ученые представляют нашему вниманию технологию оптического текстиля, основанную на интеграции в текстиль динамических инфракрасных устройств на базе электрически перестраиваемого графена, образованного методом химического осаждения из паровой фазы (ХОПФ).

Результаты исследования


Устройства состоят из объединенных слоев инфракрасно прозрачного полимерного слоя, многослойного графена, выращенного с использованием метода ХОПФ, слоя тканевого разделителя и проводящей ткани (схема устройства на ).


Изображение 1

Изготовление начинается с выращивания многослойных графеновых пленок на никелевой фольге. Тонкая полиэфирная (PE) пленка, которая функционирует как прозрачный для инфракрасного излучения защитный слой, ламинируется на многослойный графен перед травлением Ni-фольги. Графен на полиэфирном листе прикрепляется к ткани с помощью термоплавкого клея.

Одним из важных моментов данной разработки является удобство использования и практичность, потому необходимо было удостовериться в хорошей адгезии между графеном и подложкой (тканью). Это было сделано посредством нескольких циклов стирки и посредством испытаний на механическое сжатие.

Далее на задний электрод (проводящая ткань) был нанесен ионный жидкий электролит (BMIMPF6), который впоследствии диффундировал в текстильную подложку. Текстиль действует как разделитель и ионопроводящий слой, обеспечивая ионное движение, когда разность напряжений приложена к графену и заднему электроду.

На 1b показаны примеры изготовленных устройств на натуральных (хлопок) и синтетических текстильных материалах (полиэфир).

Электрохимическая стабильность заднего электрода играет решающую роль в долговременной стабильности устройства. В качестве основы для заднего электрода тестировались разные материалы: проводящий текстиль на основе серебра, сетка из нержавеющей стали, золотое напыление, графен и восстановленный оксид графена.

Массив задних электродов и проводку на текстиле изготовили с помощью фотолитографии с последующей металлизацией и процессом отрыва*.
Отрыв* в технологии микроструктурирования представляет собой способ создания структур целевого материала на поверхности подложки с использованием жертвенного материала (например, фоторезиста).
Полученные пиксельные электроды позволяют определять динамические инфракрасные структуры на непрерывном графеновом слое с помощью выборочной интеркаляции.

Принцип работы устройств основан на обратимой интеркаляции ионов в графеновые слои и модулировании его электрических и оптических свойств. При 0 В многослойный графен имеет высокое инфракрасное поглощение, что приводит к высокой излучательной способности, раскрывая фактическую температуру устройства ().


Изображение 2

При подаче достаточной разности напряжений (> 2.5 В) ионная жидкость интеркалирует в слои графена, увеличивая оптическую проводимость и подавляя излучательную способность, тем самым скрывая фактическую температуру устройства. Термографы устройства записывались с помощью длинноволновой инфракрасной камеры, которая визуализирует изображения по закону Стефана-Больцмана:
P = T4
где P количество падающего теплового излучения на матрице болометров*; излучательная способность поверхности; постоянная Стефана-Больцмана; T температура поверхности в Кельвинах.
Болометр* тепловой приемник излучения (преобразует энергию поглощенного электромагнитного излучения в тепловую).
Текстильные устройства находясь непосредственно в тепловом контакте с источниками тепла, такими как тело человека, для предотвращения ложного экранирования температуры источника. Кроме того, графен функционирует как слой с высокой теплопроводностью, который удваивает температуропроводность в плоскости текстиля, улучшая теплопроводность от источника к поверхности.

Временной отклик устройств был получен путем записи видео тепловизором, чтобы получить изменение видимой температуры поверхности (2b).


Динамическое изменение инфракрасного излучения на хлопковом устройстве.

Полная интеркаляция (подавление излучательной способности) занимает ~5 с, когда ток устройства не ограничен. Стоит отметить, что эти измерения проводились в лабораторных условиях (21 C), ограничивающих минимальную кажущуюся температуру.

Устройства могут многократно циклически переключаться между состояниями с высокой и низкой излучательной способностью (2c), однако превышение электрохимического окна электролита ухудшает рабочие характеристики устройства.

Модуляция излучательной способности определялась количественно с помощью измерений отражения в инфракрасном и ближнем инфракрасном диапазонах с использованием инфракрасного Фурье-спектрометр (FTIR), оборудованного интегрирующей сферой. При 0 В коэффициент отражения внутреннего устройства почти плоский (2d) и составляет около 30%, за исключением поглощения в верхней полиэфирной пленке на длинах волн ~3.4, ~6.8, ~13.9 мкм и поглощения в атмосфере (например, CO2, H2O).


Демонстрация работы адаптивного инфракрасного текстильного устройства.

В диапазоне спектральной чувствительности тепловой камеры (8-13 мкм) такие поглощения минимизируются благодаря тщательному выбору верхней защитной пленки. Коэффициент излучения (или коэффициент поглощения) рассчитывается как 1 R, где R коэффициент отражения, поскольку свет не проходит через устройство. По мере того, как ионы интеркалируют графеновые слои, энергия Ферми и оптическая проводимость графена увеличиваются, тем самым увеличивая коэффициент отражения инфракрасного излучения.

Средняя излучательная способность устройства в диапазоне длин волн 8-13 мкм достаточно высока ( 0.7) для 0 В и поддерживается в таком значении до порогового напряжения ( 2.5 В) с последующим резким падением до 0.35 при > 4 В (), что отлично согласуется с термограммами на 2а.

Модуляция излучательной способности охватывает как длинноволновый инфракрасный (8-13 мкм), так и средневолновый инфракрасный (MWIR, 3-5 мкм) диапазон. В MWIR, тем не менее, полиэфирная пленка демонстрирует значительное поглощение из-за режима растяжения C-H связей, который не зависит от приложенного напряжения, ограничивая диапазон модуляции излучательной способности до 0.7-0.5 (2e). Из этого следует, что любые устройства, работающие в этом диапазоне длин волн, нуждаются в нестандартном защитном слое.

Другим эффектом полиэфирного слоя является повышенная излучательная способность поверхности благодаря термической экстракции полиэфиром, у которого показатель преломления больше, чем у воздуха.

Также наблюдалась модуляция излучательной способности (0.2-0.4) и в коротковолновом инфракрасном диапазоне (SWIR, 0.9-1.7 мкм). А вот модуляция в видимом спектре была незначительной из-за недостаточного легирования графена.

Улучшить модуляцию в SWIR и видимом диапазоне возможно за счет использования ионной жидкости с большим электрохимическим окном, которая будет совместима с текстилем.

Учитывая, что ткань должна быть растяжимой и гибкой, используемые графеновые элементы должны действовать соответственно. Однако многослойный графен не растягивается и не гнется ввиду механического воздействия. Потому в разработке была использована нестандартная изогнутая конструкция графена, что обеспечило уровень деформации до 60%.


Изображение 3

Решить все проблемы с гибкостью и механическим напряжением можно за счет использования массивов электродов, в не единого элемента. На показан пример такого варианта конфигурации с массивом из 25 индивидуально адресуемых электродов и датчиком термобатареи. В качестве активного слоя использовался большой цельный лист многослойного графена на хлопчатобумажной ткани (3b). Каждый электрод контролирует излучательную способность площадью 2х2 см. Внешняя электронная схема была запрограммирована реагировать на тепловую сигнатуру от датчика. Графики 3c и 3d показывают сигналы датчика и кажущуюся температуру активного пикселя (область контроля 2х2).

Мультипиксельное текстильное устройство отображает буквы C или H (обозначающие cold и hot), настраивая излучательную способность соответствующих пикселей, реагирующих на наличие/отсутствие горячего объекта над датчиком. На 3e показаны тепловые изображения работы устройства при взаимодействии с рукой человека.

Далее ученые провели фактическое практическое испытание устройства, внедренного в обычную футболку. Из-за естественной температуры тела, в условиях окружающей среды, человеческое тело излучает около 100 Вт инфракрасного света в основном в LWIR диапазоне. Этот спектральный диапазон также совпадает с окном атмосферного пропускания, которое позволяет распространять излучаемый LWIR свет на большие расстояния.

Устройство для футболки было изготовлено путем ламинирования пленки графен/полиэфир размером 6х6 см непосредственно на поверхности футболки из 100% хлопка и сеткой из нержавеющей стали на обратной стороне ().


Изображение 4

Для передачи закодированного сигнала был использован микроконтроллер, который был запрограммирован передавать буквы N, G и I азбукой Морзе. Тире и точки создавались путем подавления кажущейся температуры на длительное (9 с) и короткое (3 с) время.

На 4b и показаны инфракрасные снимки футболки в состояниях с высокой и низкой излучательной способностью, а шкала справа показывает зарегистрированную с расстояния в 3 м кажущуюся температуру.

Использование микроконтроллера позволяет строить более сложные схемы на текстиле, что, в свою очередь, обеспечивает более безопасные протоколы связи, например, инициирование связи при получении внешних запускающих стимулов. А человеческое тело в данной конфигурации может служить источником энергии.

В данном опыте скорость связи с использованием одной заплатки ограничена процессом интеркаляции/деинтеркаляции, который масштабируется в зависимости от площади устройства.


Передача букв N, G и I азбукой Морзе.

Ученые заявляют, что использование небольших электрических сигналов для модуляции инфракрасной излучательной способности является значительным преимуществом по сравнению с альтернативами, поскольку оно обеспечивает адаптивный отклик, что необходимо для применения в динамическом тепловом камуфляже и управлении тепловым режимом.


Увеличение отражающей способности полиэфирного устройства в ближнем инфракрасном диапазоне.

Разработанное устройство требует низкого напряжения (~ 3 В) и совсем немного энергии (5.5 х 10-4 мАч/см2 на одно событие интеркаляции, что соответствует плотности заряда ~ 1014 см-2 для каждого слоя графена). Следовательно, обычная дисковая батарейка на 1000 мАч может активировать устройство размером с футболку (1 м2) около 180 раз. Кроме того, энергия потребляется исключительно во время цикла зарядки (интеркаляции). А средняя мощность в режиме ожидания практически равна нулю, что позволяет значительно продлить использования одного устройства без замены внешнего источника питания. Это, конечно, если не рассматривать идею с использованием человека в качестве источника энергии.

Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог


Мода переменчива, как и погода. А вот наука, хоть иногда и кажется хаотичной, но все же следует одним и тем же естественным законам.

В данном труде ученые использовали оптические свойства графена в своей разработке графенового адаптивного оптического текстиля. Это устройство позволяет не только модулировать его температуру, но и дает возможность лучше понять термические и механические свойства графена. Успешная демонстрация модуляции оптических свойств на различных типах текстиля может дать толчок более широкому использованию волокнистых архитектур. Спектр применения подобных технологий не ограничивается элементами гардероба, она может быть крайне полезна и в технологиях связи, и даже в адаптивных скафандрах.

Сами же ученые намерены шагнуть еще дальше. В дальнейшем они планируют использовать свою разработку в спутниках на околоземной орбите. Спутники, как никто другой, испытывают экстремальные перепады температуры: в тени Земли они замерзают, а обращаясь к Солнцу очень нагреваются. Использование данной технологии в теории позволяет получить контроль над тепловым излучением, следовательно, и над температурой самого спутника. От обычной футболки к спутникам на орбите остается лишь надеяться, что амбиции ученых будут подкреплены успешными результатами их дальнейших исследований.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Белее белого стены, отражающие до 98 солнечного света

29.07.2020 10:12:50 | Автор: admin


Холодными зимними днями, когда муконазальный секрет превращается в сосульки, многие из нас мечтают, чтоб лето наступило быстрее. Но, когда лето неминуемо наступает, и жара раскаляет асфальт, машины и людей, наши желания меняются в противоположную сторону. Спасаться от жары можно разными методами: тень, чай, купание в водоеме, переезд на Северный полюс и т.д. Но самый распространенный и самый технологичный метод это кондиционеры. Проблема в том, что эти устройства потребляют немало энергии и сопутствуют выделению углекислого газа в атмосферу. Ученые из Калифорнийского университета (США) решили разработать новый метод охлаждения помещений, в котором нет нужды в кондиционерах, а всю работу выполняет определенная краска, нанесенная на внешние стены помещения. Какие физические законы эксплуатирует данная разработка, как именно она сопутствует охлаждению, и насколько эффективна охлаждающая краска? Об этом мы узнаем из доклада ученых. Поехали.

Основа исследования


Одним из самых широко известных физических явлений является способность разных материалов по-разному взаимодействовать с электромагнитными излучениями. Все мы знаем, что в солнечный день лучше одеть белую футболку, нежели черную, ибо белые поверхности лучше отражают солнечный свет, чем черные. За этим известным фактом стоит сразу несколько физических явлений (поглощение, отражательная способность и т.д.).

Эти процессы происходят и со зданиями. Большинство современных белых красок способны отражать до 85% солнечного излучения. Однако этот показатель можно улучшить, по словам ученых, реализовав достаточно простые модификации химического состава краски.

В рассматриваемом нами сегодня исследовании ученые предложили так называемый метод пассивного дневного радиационного (излучательного) охлаждения (PDRC от passive daytime radiative cooling), который включает в себя отражение солнечного света (длина волны l = 0.32.5 мм) и излучение длинноволнового инфракрасного (LWIR; l = 813 мм) тепла через соответствующие окна атмосферной передачи в космическое пространство ().


Изображение 1

Когда поверхность под открытым небом имеет достаточно высокий коэффициент отражения солнечного света (Rsolar) и коэффициент излучения LWIR (LWIR), солнечное нагревание перевешивается радиационными потерями тепла в космическое пространство, поэтому поверхность самопроизвольно охлаждается даже при сильном солнечном освещении. Если данные принципы реализовать в виде краски, которой будут покрыты наружные стены и крыши зданий, то эффективность охлаждения будет намного лучше, чем от классических кондиционеров (не говоря уже о снижении негативного воздействия на экологию).

Использование отражения света в качестве основы для охлаждения изучается уже достаточно давно. Еще в 1960-ых годах ученые рассматривали охлаждающие свойства полимеров, диэлектриков и полимерных композитов. Позднее интерес к такого рода исследованиям снизился, однако в последние годы, когда вопросы энергоэффективности и экологической безопасности стали одними из важнейших, исследования начались заново. В новых разработках большое внимание уделялось фотонным и полимерным охладителям.

Например, фотонные многослойные пленки, которые могут обеспечивать высокий Rsolar и селективный LWIR, достигают температур ниже температуры окружающей среды, что делает их полезными для систем HVAC с водяным охлаждением, холодильников и термоэлектрических устройств. Однако, несмотря на хорошие показатели, данная методика не может стать массовой, ввиду своей сложности и дороговизны. Следовательно, применение определенных покрасочных материалов для охлаждения помещений является самым перспективным направлением в этой области. Тем не менее для полноценной реализации краски-охладителя необходимо учитывать несколько важных факторов и переменных.

Результаты исследования


С физической точки зрения требования к ограждающим конструкциям PDRC четко определены (1B): высокий Rsolar для минимизации солнечного нагрева и высокий LWIR для максимизации радиационных потерь тепла в космос.

Авторы сего труда отмечают, что в литературе по радиационному охлаждению подчеркивается необходимость селективного излучения LWIR для максимизации охлаждения, однако это необходимо только для достижения оптимальных характеристик при температурах, существенно ниже температуры окружающей среды. В реальности же экстерьер зданий имеет температуру, близкую или превышающую температуру окружающей среды, из-за их контакта с воздухом и тепловыделения внутри помещений. Следовательно, широкополосный тепловой эмиттанс* (в диапазоне l 2.540 мм), составляющий длины волн LWIR, может быть столь же эффективным при охлаждении, что и селективный эмиттанс LWIR (1A и 2B).


Изображение 2
Тепловой эмиттанс* (тепловая испускательная способность) отношение излучаемого тепла конкретного объекта или поверхности к излучению стандартного черного тела.
Не стоит забывать и о том, что данная система охлаждения должна соответствовать определенным практическим нормам. Технология PDRC охлаждения должна быть:

  • применима на поверхностях с различными формами, размерами и текстурами;
  • устойчива к химическим веществам окружающей среды, солнечному излучению и погоде;
  • экономична и доступна в различных социально-экономических условия.

Выходит, что технология PDRC должна быть универсальной, недорогой, долговечной, масштабируемой и, естественно, эффективной. Комбинация таких эпитетов желательна для любой технологии или устройства, вопрос можно ли этого достичь на практике. Ученые считают, что именно белая краска соответствует всем вышеперечисленным параметрам.

Морфологически краски представляют собой композиты, содержащие оптические рассеиватели, обычно диэлектрические пигменты, встроенные в полимер. Типичная белая краска содержит пигменты TiO2, диспергированные в акриле или силиконе в массовом соотношении 1: 1, с дополнительными компонентами, такими как SiO2 и CaCO3. Эти изначально излучающие материалы придают краскам почти единичный, широкополосный 0.95.

Однако Rsolar красок ниже, чем у конструкций PDRC на основе серебра (0.920.97), так как промышленность предпочла использовать именно рутиловый TiO2 в качестве белого пигмента. Высокий показатель преломления наночастиц TiO2 (n > 2.5) относительно показателя полимерных связующих (n = 1.5) позволяет им рассеивать солнечный свет более эффективно, чем такое же количество других белых пигментов, что делает TiO2 экономически эффективным.

Тем не менее, благодаря ширине запрещенной зоны 3.0 эВ (l = 0.413 мм), TiO2 по своей природе поглощает ультрафиолетовый (0.30.4 мм) и фиолетовый* (0.40.41 мм) свет, которые несут 7% солнечной энергии ().
Фиолетовый свет* находится на верхнем конце видимого спектра, с длиной волны ~ 380-450 нм. Свет с более короткой длиной волны, чем фиолетовый, но длиннее, чем рентгеновские и гамма-лучи, называется ультрафиолетовым.
Это ограничивает Rsolar до < 0.95 (2B). Ранее проведенные исследования позволили оптимизировать размер частиц TiO2 для улучшения рассеяния и приближения к этому пределу. Однако поглощение солнечного света в ближней инфракрасной области (NIR, l 0.72.5 мм) полимерными связующими () и неоднородность отражения на других длинах волн означают, что даже при оптимизации Rsolar имеет реалистичный предел в 0.92 и составляет < 0.86 для лучших на рынке красок на основе TiO2 ().

Эти показатели описывают мировой стандарт охлаждающего покрытия для экстерьера зданий, и позволяют крышам и стенам с таким покрытием быть значительно холоднее, чем без покрытия. Но они не могут обеспечить охлаждение в условиях окружающей среды при сильном солнечном освещении ().

Повышение Rsolar, однако, может превратить краски в радиационные охладители, которые непрерывно отдают тепло в атмосферу независимо от времени суток, и, следовательно, снижают охлаждающую нагрузку на здания (1C).

Повысить Rsolar белых красок вполне реально за счет материальных изменений. Поскольку краски являются оптически неоднородными рассеивающими средами, удаление любых источников поглощения усиливает Rsolar. Есть два способа достичь этого:

  • заменить TiO2 на УФ-неабсорбирующие пигменты;
  • использовать полимерные связующие с низким показателем преломления с низкой УФ- и ИК-абсорбцией.

Первый способ может быть также реализован по-разному. Одной из возможностей является использование пигментов с большими оптическими запрещенными зонами, таких как Al2O3 (7.0 эВ, 0.177 мм) и BaSO4 (6.0 эВ, 0.208 мм). Либо использовать полимерные пигменты, такие как частицы политетрафторэтена (ПТФЭ), которые имеют минимальное поглощение на длинах волн Солнца. В частности, пигменты Al2O3, BaSO4 и PTFE имеют собственные оптические фононные резонансы или колебательные моды в инфракрасном диапазоне длин волн, что делает их пригодными для излучения тепла.

Более новым, недавно исследованным вариантом является использование микроскопических воздушных пустот в качестве пигментов для рассеивания солнечного света. В этом случае эмиттанс возникает исключительно от самого пористого полимера.

Второй способ может быть достигнут за счет использования фторполимеров, таких как P(VdF-HFP) или коммерчески доступных водных P(VdF) вариантов. По сравнению с акриловым или силиконовым, фторполимеры имеют меньше связей C-H или O-H, которые поглощают солнечный свет при l = 1.2, 1.4, 1.7 и 2.3 мм, и больше связей C-F, которые слабо поглощают свет при 2.1 мм. Кроме того, фторполимеры поглощают меньше ультрафиолета, чем акрил, еще больше усиливая Rsolar.

Поглощающая способность может быть дополнительно снижена путем уменьшения количества полимера в краске. Наконец, поскольку фторполимеры имеют более низкие показатели преломления (1.381.43), чем акрилы (1.495), они усиливают рассеяние на пигментах и, следовательно, показатель Rsolar.

На и показаны результаты, касающиеся коэффициентов отражения белых красок на основе TiO2, стандарта отражения на основе сверхбелого ПТФЭ (Spectralon SRM-99) и посеребренных излучателей.

В отсутствие собственного поглощения УФ-излучения рассеяние на пигментах приводит к высокой отражательной способности УФ-синего. Снижение содержания полимера приводит к аналогичным результатам для длин волн NIR (в ближней инфракрасной области).

Для BaSO4 и P(VdF-HFP) лакокрасочных покрытий Rsolar достигает 0.98, а для покрытий на основе Al2O3 и PTFE более 0.94 (2C).

Как показали вышеописанные расчеты, слегка измененные краски действительно обладают большим потенциалом в области радиационного охлаждения экстерьера зданий, однако существует ряд проблем и сложностей.


Изображение 3

Ученые выделяют пять основных проблем, которые могут возникнуть в ходе полноценной разработки PDRC, а также предлагают методы их решения.

Проблема I: максимизация Rsolar и WLWIR с минимальным использованием материала. Затраты остаются главной проблемой для любой технологии радиационного охлаждения, включая краски, где более высокие материальные затраты могут стать препятствием.

Решение проблемы достижения высоких значений LWIR кроется в использовании собственных эмиссионных пигментов с определенными размерами в микромасштабе или нанесения красок на излучающие субстраты. А вот высокий Rsolar может быть достигнут путем включения воздушных пустот в краски для увеличения оптического рассеяния. Другой возможностью являются двухслойные системы, в которых реализуется более мелкое проникновение солнечных лучей при более коротких длинах волн. Тонкий слой УФ-отражающей краски () может быть нанесен на пленку TiO2 краски, обеспечивая высокую эффективность рассеяния пигментов TiO2 при отражении ультрафиолетового света.

Проблема II: долговечность и устойчивость к загрязнению. Многие белые краски со временем испытывают падение отражательной способности солнечных лучей. Такие материалы, как фторполимерные связующие, могут увеличить срок службы отражательной способности и, следовательно, снизить среднегодовые затраты. Загрязнение также представляет собой проблему для всех технологий PDRC, так как снижает солнечную отражательную способность. Следовательно, системы, устойчивые к загрязнению, такие как гидрофобные, стойкие к биологическому обрастанию покрытия, которые могут выдерживать физическую очистку, могут поддерживать эффективность охлаждения и увеличивать срок службы.

Проблема III: блики. Хотя отражение от белых красок рассеянное и менее интенсивное, чем от серебристых, оно может негативно влиять на зрение и нагревать темные объекты, расположенные в области отражения света от белой краски. Решить эту проблему можно посредством ретрорефлекторных* сфер, однако предстоит изучить их влияние на показатели Rsolar и LWIR.
Ретрорефлектор* устройство для отражения лучей света обратно в сторону источника с минимальным рассеиванием.
Проблема IV: эстетика. Белые краски это хорошо, но вряд ли будет эстетично, если все здания в городе будут одного цвета. Чтобы сохранить необходимый уровень Rsolar и LWIR, при этом разнообразив палитру цветов, можно использовать флуоресцентные пигменты, которые преобразуют поглощенный свет в видимом диапазоне в излучение в ближней инфракрасной области.

Проблема V: экология. Полноценная PDRC система может снизить негативное воздействие на окружающую среду, однако использованные в системе краски должны быть экологически чистыми, что не всегда истинно. Следовательно, необходимо заменить те опасные составляющие на экологически безопасные (например, варианты на базе фторполимера на водной основе), что может дополнительно повысить долговечность краски.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог


Человеческая натура такова, что мы всегда рады сэкономить. Однако экономия порой приводит к определенным печальным последствиям, о которых мы часто и не задумываемся в нужный момент. С одной стороны использование кондиционеров это просто, быстро, эффективно и не так уж и дорого. С другой стороны это влияет на экологию, что в долгосрочной перспективе выльется в дополнительные расходы на разгребание последствий.

Предложенная в данном труде технология охлаждения учитывает как наше желание сэкономить, так и экологические ограничения. Реализация незначительных изменений состава лакокрасочных материалов позволяет увеличить их отражательную способность с 0.85 до 0.98. Поскольку солнечный свет не будет поглощаться поверхностью экстерьера зданий, они не будут так нагреваться, следовательно, использование кондиционеров (и других классических методов охлаждения) можно будет сократить. Во-первых, это выгодно, а во-вторых, это не так влияет на окружающую среду.

Конечно, остается ряд проблем, которые нуждаются в решении, о чем честно признаются сами авторы сего труда. Экономическая, экологическая и даже эстетическая составляющие будут рассматриваться более детально в последующих исследованиях. В данном же ученые высказали теорию и описали концепцию, которая, к слову, выглядит крайне привлекательно и перспективно, несмотря на ранний этап разработки.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Категории

Последние комментарии

  • Имя: Макс
    24.08.2022 | 11:28
    Я разраб в IT компании, работаю на арбитражную команду. Мы работаем с приламы и сайтами, при работе замечаются постоянные баны и лаги. Пацаны посоветовали сервис по анализу исходного кода,https://app Подробнее..
  • Имя: 9055410337
    20.08.2022 | 17:41
    поможем пишите в телеграм Подробнее..
  • Имя: sabbat
    17.08.2022 | 20:42
    Охренеть.. это просто шикарная статья, феноменально круто. Большое спасибо за разбор! Надеюсь как-нибудь с тобой связаться для обсуждений чего-либо) Подробнее..
  • Имя: Мария
    09.08.2022 | 14:44
    Добрый день. Если обладаете такой информацией, то подскажите, пожалуйста, где можно найти много-много материала по Yggdrasil и его уязвимостях для написания диплома? Благодарю. Подробнее..
© 2006-2024, personeltest.ru