مواد تغییر فاز دهنده برای کنترل حرارت
هنگامی که مواد تغییر فاز دهنده به دمای تغییر فاز خود می رسند (نقطه ذوب)، بدون این که دماي آنها افزایش یابد میزان زیادی گرما جذب می کنند و هنگامی که دمای محیط در اطراف ماده تغییر فاز دهنده کاهش یابد با از دست دادن گرمای نهان ذخیره شده، منجمد می شوند.
پدیده ذخیره گرمای نهان با استفاده از مواد تغییر فاز دهنده، چگالی ذخیره سازی بالاتر و تغییر دمای کوچک تر و یا صفر را به ارمغان می آورد. مواد تغییر فاز دهنده در واحد حجم، ظرفیت گرمایی در حدود 4 تا 15 برابر مواد ذخیره ساز معمول فراهم می آورند که آنها را برای استفاده به عنوان سیستم های کنترل حرارت غیرفعال مناسب می سازد. این مواد به طور موثری با کنترل حرارت فعال ترکیب می شوند تا بتوانند سیکل کاریشان را حداقل و ظرفیت‌شان را نیز بهینه کند. ذخیره سازی گرمای نهان یکی از موثرترین راه ها در انباشت انرژی گرمایی است. شمار زیادی از مواد تغییر فاز دهنده در دسترس هستند که در یک بازه دمایی گسترده ذوب و منجمد می شوند. اين مواد به طور کلی در بیشتر موارد به صورت یک کپسول هستند تا بتوانند سطح انتقال حرارت بزرگ، کاهش واکنش پذیری با محیط بیرون و کنترل اختلاف حجم مواد در زمان تغییر فاز را فراهم کنند.
ویژگی های مواد ذخیره ساز گرمای نهان
مواد ذخیره ساز گرمای نهان مناسب بايد داراي چند ويژگي مختلف باشند. یکی از آنها ویژگی های گرمایی است که شامل دمای تغییر فاز مناسب، گرمای نهان بالا و انتقال حرارت خوب است. در انتخاب یک ماده تغییر فاز دهنده برای کاربرد خاص، دمای عملکردی گرمایشی یا سرمایشی بایستی با دمای تغییر فاز ماده تغییر فاز دهنده تناسب داشته باشد. به منظور کوچک سازی اندازه فیزیکی، گرمای نهان بایستی تا حد امکان بالا باشد، که در این حالت مقدار کمتری از مواد میزان بیشتری از انرژی را ذخیره می سازد. هدایت گرمایی بالا به ذخیره سازی و رهاسازی انرژی کمک خواهد کرد زیرا موجب می شود اختلاف دمای مورد نیاز برای شارژ گرمایی ماده ذخیره ساز کوچک باشد.
علاوه بر ویژگی های گرمایی، یک ماده تغییر فاز دهنده باید ویژگی هایی فیزیکی مانند تعادل فازی مطلوب، چگالی بالا، تغییر حجم کم و فشار بخار کم نیز باشند. پایداری فاز در طول ذوب و انجماد به ذخیره سازی گرما کمک می کند و چگالی بالا این امکان را فراهم می آورد که اندازه محفظه ذخیره سازی کوچک تر باشد. تغییرات حجمی کوچک حین تبدیل فاز و فشار بخار کم در دماهای عملکردی مشکلات نگهداری را کاهش می دهد.
همچنین ویژگی های سینتیکی شامل عدم فوق تبرید و نرخ تبلور کافی نیز بایستی برای استفاده از مواد تغییر فاز دهنده در نظر گرفته شوند. فوق تبرید بخشی دردسر ساز در توسعه مواد تغییر فاز دهنده است، به ویژه برای نمک های هیدراته شده. اگر فوق تبرید بیش از چند درجه باشد، برای استخراج گرمای مناسب مزاحمت ایجاد می کند و 5 تا 10 درجه سلسیوس فوق تبرید، می تواند به طور کامل مانع آن شود.
از طرفی ویژگی های شیمیایی این مواد شامل پایداری شیمیایی دراز مدت (عدم تجزیه شیمیایی موجب تضمین عمر سیستم می شود)، سازگاری با مواد ساخت (عدم خورندگی نسبت به مواد اطراف)، غیر سمی بودن و غیر قابل اشتعال بودن است.
همچنین فراوانی، در دسترس بودن و هزینه مناسب نیز بایستی به عنوان ملاحظات اقتصادی در نظر گرفته شوند.
کاربردهای مواد تغییرفازدهنده
اجزا و قطعاتی از فضاپیماها که اتلاف توان و حرارت زیادی دارند بایستی از طریق روش هایی مانند انتقال حرارت جابجایی با هوا و یا انتقال حرارت هدایتی به یک صفحه سرد خنک‌کاري شوند. همچنین بايد از سرد شدن اجزایی که فقط گاه به گاه فعال می شوند جلوگيري کرد تا به دمایی پایین تر از دمای عملکردی خود نرسند. اما عدم وجود اتمسفر مانع کنترل حرارت به روش های جابجایی معمول می شود. یک کاربرد ایده آل مواد تغییر فاز دهنده خنک کاری این قطعات است.
ساده ترین شکل کنترل حرارت با استفاده از مواد تغییر فاز دهنده این است که برای اجزای الکترونیکی که سیکل کاری کوتاه (در پرتاب و ورود مجدد به جو) دارند، استفاده شوند. اگرچه چنین اجزایی فقط یک بار استفاده می شوند، ولی مقادیر بزرگی گرما تولید می کنند که برای جلوگیری از داغ شدن بیش از اندازه و از کار افتادن، این گرما بایستی دفع شود.
یک ماده تغییر فاز دهنده می تواند از چنین اجزایی محافظت کند. گرمای تولید شده از طریق گرمای نهان ذوب ماده تغییر فاز دهنده و بدون افزایش دمای محسوس قطعه جذب می شود. این نوع سیستم کاملاً غیر فعال و بسیار قابل اطمینان است.
یک کاربرد عمومی تر کنترل حرارت توسط مواد تغییرفازدهنده برای قطعات الکترونیکی است که عملکردی تناوبی و سیکلی دارند (قطعاتی که در سیکل های روشن-خاموش کار می کنند). در این حالت هنگامی که قطعات در طول زمان روشن بودنِ خود گرما تولید می کنند انرژی گرمای ذوب از طریق رادیاتورها، لوله حرارتی یا سایر وسایل دفع می شود و با منجمد شدن ماده تغییر فاز دهنده برای بخش «روشن» بعدی مهیا می شود. تغییر متناوب ماده تغییر فاز دهنده از جامد به مایع و برعکس قطعه را قادر می سازد که همواره در یک حالت خیلی نزدیک به همدما عمل کند. در طول ماموریت آپولو 15 سه سیستم کنترل حرارتی با مواد تغییر فاز دهنده روی وسایل گردش در ماه استفاده شده اند.
ذخیره و رهاسازی انرژی از طریق تغییر فاز می تواند در مقیاسی بزرگ تر برای ماموریت های فضایی که محیط فضاپیما و در نتیجه گرمایش آن تغییر می کند به کار گرفته شود. برای مثال یک ماهواره مدارگرد زمین، وقتی که از سایه زمین خارج و یا به آن وارد می شود به طور متناوب با محیط های بسیار متفاوت مواجه می شود. در چنین ماموریت هایی مواد تغییر فاز دهنده برای خنثی کردن تغییرات دمایی بزرگی که یک فضاپیما ممکن است در طول سیکل مداری تجربه کند، می توانند انرژی خورشیدی را ذخیره و رها سازند.
انرژی قطعات الکترونیکی می تواند از طریق لوله های حرارتی به ابزار ذخیره انرژی گرمایی مرکزی منتقل شود، تا بعداً برای کنترل گرما یا تولید انرژی استفاده شود. این بازیافتِ انرژی در سفرهای فضایی طولانی سودمند است.
مواد تغییرفازدهنده با دماهای نقطه ذوب بالا می توانند درکنار سیستم های تولید توان الکترونیکی نیز به کار گرفته شوند. رادیاتورها می‌توانند به منظور جمع کردن انرژی خورشیدی در کنار مواد تغییر فاز دهنده قرار گیرند تا انرژی را از طریق تغییر فاز در نقطه ذوب ذخیره کنند. سپس این انرژی ذخیره شده می تواند با استفاده از اختلاف دمای بزرگ بین رادیاتور و فضای خارج به توان الکتریکی تبدیل شود تا ابزار ترمویونیک یا ترموالکتریک را به کار اندازد.
مواد تغییر فاز دهنده می توانند در رابطه با آزمایش های پرواز فضایی نیز استفاده شوند. بسیاری از آزمایش های حساس با ابزارهایی که به دقت کالیبره شده اند انجام می گیرند. مجموعه های مواد تغییر فاز دهنده می توانند برای بقای پایداری گرمایی یا تضمین شرایط همدما در طول آزمایش در کنار این ابزارها به کار گرفته شوند.
مواد تغییر فاز دهنده به علت ظرفیت ذخیره گرمایی همدمای منحصر به فردشان می توانند برای سیستم های حلقه سیال/رادیاتور بسیار سودمند باشند. یکی از این کاربردها در اسکایلب استفاده شده است. سیال خنک کننده که از رادیاتورهای خارجی برمی‌گردد در طول یک سیکل مداری تغییرات دمایی بزرگی را حس می کند. این تغییرات دمایی خیلی بزرگ مانع عملکرد موثر و بهتر مبدل های حرارتی بودند. یک خازن گرمایی با به کارگیری مواد تغییرفازدهنده این تغییرات دمایی را به وسیله ذوب و انجماد متناوب خنثی می کند. بنابراین خازن گرمایی سیال وارد شده به مبدل حرارتی را در یک محدوده دمایی مجاز نگاه می دارد.
یک کاربرد دیگر مواد تغییر فاز دهنده در خود رادیاتورهاست. به طور معمول اگر رادیاتور در طول ماموریت در معرض دفع حرارت سیکلی قرار بگیرد بایستی برای نیازمندی های حجم بار ماکزیمم ساخته شود تا عملکرد موفقیت آمیز داشته باشد. اگر ماده تغییر فاز دهنده در کنار رادیاتور قرار بگیرد، رادیاتور می تواند برای نیازمندی های دفع حرارت متوسط طراحی و ساخته شود چون می تواند انرژی را در بار ماکزیمم توسط تغییر فاز ذخیره کند تا بعدا توسط تشعشع به فضا خنثی شود. با استفاده از چنین رادیاتورهایی صرفه جویی در سطح و جرم قابل توجه و زیاد خواهد بود.
