Mô Tả Hệ Thống Tuần Hoàn Dùng Bơm Sử Dụng Để

Hình 1.22. Mô tả hệ thống tuần hoàn dùng bơm sử dụng để

quản lý nhiệt cho vệ tinh [66]

1.3.2. Chất lỏng nanô trong quản lý nhiệt cho vệ tinh

a) Hiệu quả dẫn nhiệt của CNTs so với chất lỏng nền thông thường

Do chất lỏng thường có độ dẫn nhiệt kém hơn so với chất rắn, vì vậy để nâng cao khả năng dẫn nhiệt của chất lỏng, người ta sử dụng nhiều loại hạt có kích thước nhỏ để phân tán đồng đều vào trong chất lỏng tản nhiệt. Cùng với sự phát triển của công nghệ nanô, nhiều loại các hạt có kích thước nanô chẳng hạn như các hạt nanô CuO, SiO2 ,... đã được sử dụng để pha trộn vào chất lỏng tản nhiệt [71]. Về bản chất, những vật liệu có kích thước nanô này có độ dẫn nhiệt cao hơn so với chất lỏng, do vậy khi được phân tán vào trong chất lỏng sẽ làm tăng độ dẫn nhiệt của chất lỏng, qua đó nâng cao hiệu quả quản lý nhiệt [72-74].

Vật liệu ống nanô cácbon (CNTs) đã được giới khoa học-công nghệ quốc tế đặc biệt quan tâm kể từ khi được phát hiện vào năm 1991. CNTs có nhiều tính chất cơ học, vật lý, hoá học đặc biệt và nhiều tiềm năng ứng dụng mang tính đột phá. Các nghiên cứu và thử nghiệm đã cho thấy vật liệu CNTs là vật liệu có độ dẫn nhiệt rất cao, với CNTs đơn sợi độ dẫn nhiệt có thể lên đến 3.000 W/mK; còn đối với bó CNTs độ dẫn nhiệt đạt khoảng 450 W/mK ở nhiệt độ phòng (so sánh với độ dẫn

nhiệt của đồng là 400 W/mK, và của bạc là 429 W/mK) [75]. Tính chất ưu việt này của CNTs đã mở ra hướng ứng dụng nâng cao độ dẫn nhiệt cho các vật liệu, ứng dụng trong hệ thống quản lý nhiệt cho các linh kiện và thiết bị công suất.

Bảng 1.4 so sánh độ dẫn nhiệt của CNTs so với một số loại chất lỏng tản nhiệt, kết quả cho thấy CNTs có khả năng dẫn nhiệt tốt với độ dẫn nhiệt lớn hơn từ

1.000 – 3.000 lần so với độ dẫn nhiệt của chất lỏng. Điều này mở ra hướng ứng dụng pha trộn CNTs trong chất lỏng để tăng cường hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng. Đây là một hướng nghiên cứu mới và được nhiều nhóm nghiên cứu khoa học quan tâm.

Bảng 1.4. So sánh hệ số dẫn nhiệt của CNTs và một số chất lỏng

STT

Vật liệu quản lý nhiệt và chất lỏng	Độ dẫn nhiệt (W/m K)
1	CNTs đa tường chiều dài trên 4 μm ở nhiệt độ phòng	2.000-3.000
2	Acetic acid	0,193
3	Acetone	0,180
4	Alcohol, ethyl (ethanol)	0,171
5	Alcohol, methyl (methanol)	0,202
6	Alcohol, propyl	0,161
7	Ammonia, saturated	0,507
8	Aniline	0,172
9	Benzene	0,167
10	n-Butyl alcohol	0,167
11	Carbon Disulfide	0,161
12	Carbon Tetrachloride	0,104
13	Castor Oil	0,180
14	Chloroform	0,129
15	Decane	0,147

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 149 trang tài liệu này.

Dodecane	0,140
17	Engine Oil, unused	0,145
18	Ether	0,130
19	Ethyl acetate	0,137
20	Ethylene Glycol	0,258
21	Freon refrigerant R-11	0,093
22	Freon refrigerant R-12	0,071
23	Glycerine	0,285
24	n-Heptane	0,140
25	Hexane	0,124
26	Isobutyl alcohol	0,134
27	Kerosene	0,145
28	Methyl alcohol	0,212
29	n-Octane	0,147
30	n-Pentane	0,136
31	Phenol	0,190
32	Propylene glycol	0,147
33	Transformer oil	0,110
34	Toluene	0,151
35	Coolanol	0,132
36	Water, Fresh	0,609

b) Các nhóm nghiên cứu trên thế giới đang tập trung vào lĩnh vực này

Hiện nay có nhiều nhóm nghiên cứu khác trên thế giới cũng đang quan tâm ứng dụng CNTs trong chất lỏng tản nhiệt, có thể liệt kê một số nhóm nghiên cứu điển hình dưới đây:

1) Nhóm nghiên cứu của Z.H. Han, B. Yang, S.H. Kim và M.R. Zachariah đã nghiên cứu sự lai hóa giữa ống nanô cácbon và các hạt oxit nanô nhôm/đồng hình cầu. Lý do cho sự lai hóa này là do trong hỗn hợp, nhiệt được truyền nhanh hơn giữa các ống CNTs thông qua các phân tử oxit nanô dạng cầu, từ đó giảm được

nhiệt trở tiếp xúc giữa các phân tử CNTs. Các hạt oxit nanô dạng cầu có đường kính trung bình là 70 nm và CNTs có chiều dài tối đa 2 µm. Các kết quả đo đạc của nhóm cho thấy rằng độ dẫn nhiệt của chất lỏng nền tăng khoảng 21% ở nhiệt độ phòng với nồng độ 0,2% CNTs.

Hình 1.23. Sự cải thiện độ dẫn nhiệt của chất lỏng nền poly-alpha-olefin (PAO) với tỷ lệ hạt nanô 0,2% và 0,1% trong nghiên cứu của nhóm Z. H. Han

2) Nhóm nghiên cứu của A. Ijam, R. Saidur, và P. Ganesana sử dụng chất lỏng tản nhiệt Al2O3-nước và TiO2-nước cho bộ phận tản nhiệt. Kết quả nghiên cứu của nhóm cho thấy rằng khi thêm hạt oxit nanô Al2O3 ở tỷ lệ 4%, độ dẫn nhiệt tăng 11,98% và khi thêm oxit nanô TiO2 ở cùng tỷ lệ, thì độ dẫn nhiệt tăng 9,97%. Do vậy mà khả năng tản nhiệt của bộ phận tản nhiệt được cải thiện từ 2,95% tới 17,32% khi sử dụng hỗn hợp Al2O3-nước và 1,88% tới 16,53% khi sử dụng hỗn hợp TiO2-nước.

3) Nhóm nghiên cứu của M. S. Liua, M. C. C. Lin, và I. T. Huang đã nghiên cứu sự cải thiện độ dẫn nhiệt của ethylene glycol và dầu động cơ khi MWCNTs được thêm vào. Trong trường hợp của ethylene glycol, ở tỷ lệ 1% CNTs, độ dẫn

nhiệt được tăng 12.4%. Còn trong trường hợp của dầu động cơ, độ dẫn nhiệt tăng 30% ở tỷ lệ 2% CNTs. Ngoài ra, nhóm nghiên cứu còn nhận thấy có sự khác biệt trong tốc độ tăng độ dẫn nhiệt giữa hai chất lỏng, khi dầu động cơ có tốc độ tăng độ dẫn nhiệt lớn hơn đáng kể khi ta tăng nồng độ CNTs.

Hình 1.24. Sự tăng độ dẫn nhiệt của Ethylene Glycol và dầu động cơ với tỷ

lệ CNTs tăng dần

4) Nhóm nghiên cứu của X. Lu, T. C. Hua, M. Liu, Y. Cheng đã nghiên cứu việc sử dụng heat pipe để tăng khả năng tản nhiệt của đèn LED công suất cao. Kết quả đo đạc của nhóm cho thấy nhiệt trở của heat pipe dao động trong khoảng 0,19 đến 3,1 K/W. Sự đồng nhất nhiệt độ trong bộ bốc bay được điều khiển trong khoảng 1,5oC, và nhiệt độ của đèn LED công suất cao (100 W) có thể luôn được điều khiển ổn định ở dưới 100oC.

5) Nhóm nghiên cứu của L. Kim, J. H. Choi, S. H. Jang, M. W. Shin đã thử nghiệm heat pipe trong tản nhiệt cho dàn đèn LED. So với đèn Halogen và huỳnh quang thông thường, đèn LED có ưu điểm là có độ sáng vượt trội và tuổi thọ cao hơn. Tuy nhiên, nhiệt độ hoạt động cao cũng có thể khiến cho tuổi thọ của hệ bị giảm đi đáng kể, vì vậy mà nhóm nghiên cứu của L. Kim đã thử nghiệm sử dụng heat pipe để giảm nhiệt độ hoạt động của hệ đèn LED, từ đó tăng tuổi thọ và tiết kiệm chi phí hoạt động.

Hình 1.25. So sánh nhiệt độ của hệ đèn LED khi có và không sử dụng heat pipe

6) Nhóm nghiên cứu của D. H. Yoo, K. S. Hong, và H. S. Yang đã nghiên cứu sự gia tăng độ dẫn nhiệt của chất lỏng nanô khi các hạt nanô như TiO2, Al2O3, Fe, hay WO3 được pha vào chất lỏng.

Hình 1.26. Sự tăng độ dẫn nhiệt của chất lỏng nền khi TiO2, Al2O3, Fe, hay WO3 được pha vào chất lỏng

Như vậy việc nghiên cứu về chất lỏng nanô trong quản lý nhiệt cho vệ tinh là vấn đề hết sức mới mẻ, hấp dẫn, có giá trị khoa học lớn và cần thiết được thực hiện. Phát triển vệ tinh đang là một vấn đề rất được quan tâm hiện nay ở Việt

Nam. Viện Công nghệ Vũ trụ, Trung tâm Vũ trụ Việt Nam và FPT là 03 đơn vị đã và đang nghiên cứu phát triển vệ tinh của riêng mình. Chẳng hạn ngày 21/7/2012, vệ tinh nanô F-1 do FPT chế tạo đã được phóng thành công, đây là vệ tinh siêu nhỏ đầu tiên do Việt Nam tự chế tạo được phóng lên quỹ đạo, tuy nhiên không bắt được tín hiệu. Ngày 4/5/2013, vệ tinh VNREDSat-1 đã được phóng thành công. Đây là vệ tinh nhỏ quan sát tài nguyên thiên nhiên, môi trường, thiên tai, và cũng là vệ tinh viễn thám đầu tiên của Việt Nam. Vệ tinh này hiện được giao cho Viện Công nghệ Vũ trụ điều hành và khai thác. Ngày 4/8/2013, Trung tâm Vũ trụ Việt Nam đã phóng vệ tinh Pico Dragon, đây là vệ tinh nhỏ đầu tiên của Việt Nam tự chế tạo hoạt động thành công ngoài không gian. Tiếp đó, vệ tinh MicroDragon đã được phóng thành công vào năm 2019 và đang hoạt động hiệu quả trên quỹ đạo. Gần đây nhất, vào cuối năm 2021, vệ tinh NanoDragon cũng đã được phóng lên quỹ đạo.

Tuy nhiên hệ thống quản lý nhiệt cho vệ tinh, đặc biệt hệ thống quản lý nhiệt bằng chất lỏng nanô vẫn chưa được thực hiện nghiên cứu tại Việt Nam. Nếu như có thể sử dụng chất lỏng nanô để tăng cường khả năng quản lý nhiệt vệ tinh nhỏ, Việt Nam có thể chủ động hơn trong việc tích hợp các công nghệ hiện đại vào vệ tinh mà vẫn có thể đảm bảo nhiệt độ hoạt động của các linh kiện nằm trong dải hoạt động cho phép. Hơn nữa, hiện nay Trung tâm Vũ trụ Việt Nam cũng đang có một số kế hoạch phát triển vệ tinh lớn hơn trong tương lai bao gồm LOTUSat-1 và LOTUSat-

2. Với vệ tinh loại này, hiện cũng đã có một số nhóm nghiên cứu trên thế giới sử dụng tản nhiệt bằng chất lỏng chuyên dụng sử dụng hệ bơm PFL. Tuy nhiên, những chất lỏng tản nhiệt này cũng chưa được tối ưu bằng việc pha thêm các hạt nanô có độ dẫn nhiệt cao hơn nhiều. Vì vậy mà trong tương lai, khi Việt Nam hướng đến phát triển những vệ tinh lớn hơn, việc sử dụng chất lỏng nanô trong quản lý nhiệt cho vệ tinh sẽ là một hướng nghiên cứu mới mẻ đáp ứng được nhu cầu của việc quản lý nhiệt phức tạp trong vệ tinh.

1.4. Kết luận chương 1

Chương này đã tập trung giới thiệu tổng quan về vật liệu ống nanô cácbon (CNTs) và ứng dụng của vật liệu này trong lĩnh vực quản lý nhiệt nói chung và quản lý nhiệt cho vệ tinh nói riêng. Cụ thể hơn, vật liệu CNTs, với các tính chất ưu việt của nó (độ cứng Young lớn (1054 – 1200 Gpa), độ bền kéo cao (150 Gpa), khả năng dẫn điện linh hoạt (có thể là chất dẫn điện hoặc bán dẫn tùy theo cấu trúc), khối lượng riêng nhỏ (1,0 – 1,3 g/cm3), bền về hóa học, độ dẫn nhiệt tốt (kCNT ~

2.000 – 3.000 W/mK), khả năng phát xạ điện tử tốt, bền vững ở nhiệt độ lên đến 2.800oC trong chân không và môi trường khí trơ), có thể được sử dụng trong chất lỏng tản nhiệt dùng trong vệ tinh. Hiện nay, vệ tinh cỡ nhỏ đang ngày càng được tích hợp nhiều thiết bị hiện đại (LCTF, SAR…) để thực hiện được các nhiệm vụ mà trước đây chỉ có các vệ cỡ lớn mới thực hiện được, vì vậy việc ứng dụng chất lỏng nanô hứa hẹn sẽ giúp ích rất nhiều cho quá trình này. Hơn nữa, ở Việt Nam hiện nay, chỉ có chế tạo vệ tinh cỡ nhỏ mới phù hợp với điều kiện công nghệ cũng như giá thành ở nước ta. Chế tạo vệ tinh cỡ nhỏ cũng đang làm xu hướng mà ngay cả những nước phát triển về công nghệ như Nhật Bản, hay các nước châu Âu cũng đều đang hướng tới, chủ yếu do sự hợp lý về giá cả, việc chế tạo không quá khó, cũng như sự linh hoạt của việc thiết kế nhiệm vụ cho vệ tinh.

Từ đó, chúng tôi nhận thấy sự cần thiết của việc sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs để tăng hiệu suất tản nhiệt chủ động của chất lỏng nền và do vậy có thể tản nhiệt một cách hiệu quả hơn cho vệ tinh cỡ nhỏ. Luận án do vậy hướng tới việc nghiên cứu ứng dụng tính chất nhiệt của CNTs để nâng cao hệ số dẫn nhiệt cho hỗn hợp chất lỏng đa thành phần. Những vấn đề mới mà luận án đặt ra để tập trung giải quyết bao gồm:

- Hướng nghiên cứu lý thuyết: tiến hành xây dựng mô hình tính toán lý thuyết hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng tản nhiệt đa thành phần cho vệ tinh chứa CNTs. Sau đó, luận án sẽ so sánh mô hình lý thuyết với một các kết quả thực nghiệm để kiểm chứng sự chính xác của các phương trình tính toán.

- Hướng nghiên cứu thực nghiệm: chế tạo thành công chất lỏng tản nhiệt đa thành phần chứa CNTs với sự phân tán đồng đều, ổn định và có độ dẫn nhiệt tốt. Sau đó, luận án sẽ tiến hành đo đạc các thông số khác nhau của