Тепловые трубки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тепловые трубки

1. Устройство и принцип работы

Тепловая труба - это герметическое теплопередающее устройство, которое работает по замкнутому испарительно-конденсационному циклу в тепловом контакте с внешними - источником и стоком тепла. Тепловая энергия воспринимается от источника и затрачивается на испарение теплоносителя, заключенного внутри корпуса тепловой трубы. Затем она переносится паром в виде скрытой теплоты испарения и далее, на определенном расстоянии от места испарения, в зависимости от тех или иных способов теплосъема, при конденсации пара выделяется в сток. Образовавшийся конденсат возвращается в зону испарения либо под действием капиллярных сил, которые обеспечиваются наличием специализированной капиллярной структуры внутри тепловой трубы, либо за счет действия массовых сил. Таким образом, вместо электронного механизма переноса тепла путем теплопроводности, что имеет место в сплошном металлическом теплопроводе, в тепловой трубе используется молекулярный механизм переноса.

Рисунок 1 - Принципиальная схема тепловой трубы

Тепловые трубы - в первую очередь, это возможность передачи сотен ватт и даже киловатт - скрытая теплота испарения характеризуется очень солидными величинами. И если испарять массу жидкости порядка нескольких граммов в секунду, то с паром будет переноситься тепловой поток, оцениваемый киловаттами или десятком киловатт. Другая интересная особенность - это возможность концентрации тепловой энергии.

Непосредственным предшественником тепловой трубы был термосифон, поэтому, полезно рассмотреть, вначале принцип действия этого устройства.

Рисунок 2 - Термосифон

1 - зона испарения;

2 - зона конденсации;

3 - жидкость;

4 - корпус;

5 - пар;

6 - возврат жидкости.

Внутрь корпуса вводят небольшое количество жидкости, откачивают воздух и герметизируют. При подводе тепла к зоне испарения жидкость переходит в пар, давление насыщения паров в этой зоне резко повышается, пар движется вверх в зону с меньшим давлением, конденсируется и стекает по стенкам вниз. Необходимым условием работы является отвод тепла от зоны конденсации. Недопустим также перегрев в зоне испарения - может наступить кризис кипения и теплопередача пойдет по стенкам термосифона.

Следует отметить, что термосифон способен обеспечить большую мощность теплопередачи даже при малой разности температур между его концами, т. к. скрытая теплота парообразования у жидкостей велика.

Отличительной особенностью этой системы теплопередачи является способ возврата конденсата - под действием гравитационного поля. Поэтому термосифон может работать только тогда, когда зона испарения находится ниже зоны конденсации.

Вполне реально наблюдать работу термосифона и связанные с этим процессы в обычных домашних условиях. Для этого достаточно поставить на плиту прозрачную стеклянную кастрюлю. В таких условиях хорошо видно как жидкость испаряется, пар поднимается вверх и конденсируется - образуются капельки жидкости на внутренней части крышки кастрюли. Далее, под воздействием силы тяжести капельки падают, либо стекают по стенкам обратно вниз. В итоге, такой процесс точно соответствует физическим механизмам в ТС. Если бы кастрюля имела на стенках капиллярную структуру, то жидкость возвращалась бы вниз уже по КС. И если бы мы перевернули плиту с кастрюлей «с ног наголову», то вода в кастрюле при определенных условиях все равно закипала бы уже на ее «верхней» части, то есть, на дне кастрюли. Пар конденсировался бы внизу, и образовавшаяся жидкость снова поднималась бы по КС вверх, где опять испарялась.

Для обеспечения возврата конденсата в зону испарения при любой ориентации системы теплопередачи потребовалось заменить гравитационное поле каким-то другим, но, желательно, таким же «бесплатным». Это и было осуществлено при изобретении новой системы - тепловой трубы. Основными конструкционными элементами тепловой трубы, как можно заметить на рисунке 1, являются:

- герметичный корпус;

- капиллярная структура;

- теплоноситель-жидкость, находящаяся внутри корпуса ТТ.

При этом основными материалами, которые применяются для изготовления корпусов ТТ, являются:

- нержавеющая сталь;

- медь;

- алюминий.

Особую важность приобретает также выбор теплоносителя. Основным критерием здесь становятся:

- свойства, влияющие на теплотранспортные характеристики ТТ;

- температурный рабочий диапазон ТТ;

- инертность при взаимодействии с материалом корпуса и капиллярной структуры.

Наиболее сложным в конструктивном плане элементом ТТ является капиллярная структура. В современных тепловых трубах наиболее распространены КС, изготовленные на основе металловойлока, порошков и сеток, а также выполненные конструкционным образом, например, в виде канавок различной формы. КС из металловойлока или порошков изготавливаются методом спекания в вакуумных печах. Наиболее технологичной является КС, полученная конструкционно - такие КС изготавливаются одновременно с корпусом ТТ.

Рисунок 3 - Капиллярная структура на основе металловойлока

Рисунок 4 - Капиллярная структура в виде канавок

От КС зависит, насколько эффективно ТТ сможет работать против сил тяжести. И если в космической технике этот вопрос совершенно не актуален, то в компьютерной технике он очень важен, ведь установка кулера на плату в современных конфигурациях может быть самой разнообразной. С учетом этого аспекта наиболее предпочтительной является металловолокнистая КС. Порошковые КС также могут обеспечить достаточное функционирование ТТ, но уже только при небольших наклонах.

А вот конструкционные КС здесь являются фактически непригодными - их можно рассматривать при работе ТТ либо в качестве термосифона, либо при строго горизонтальном расположении в пространстве.

2. Конструктивные типы

В зависимости от поставленной задачи, тепловые трубы могут иметь различные конфигурации и внешние оребрения.

Рисунок 5 - Конфигурации тепловых труб

Одним из наиболее простых типов являются профильные трубки - это тепловые трубы постоянного термического сопротивления с продольными конструкционными канавками.

Рисунок 6 - Профильные тепловые трубы

Материалом изготовления зачастую является алюминиевый сплав.

В качестве рабочей жидкости применяются: азот, аммиак, метан, пропилен, спирты, ацетон, вода.

Следующий тип - тепловые микротрубы. В большенстве случаев изготавливаются из меди со вставными капиллярными структурами из медных микроволокон.

Рисунок 7 - Тепловые микротрубы

Тепловые микротрубы это устройства очень малых размеров, в которых использован испарительно-конденсационный цикл классических ТТ.

Микротрубы применяются, в основном, в радиоэлектронной промышленности для охлаждения миниатюрных маломощных тепловыделяющих элементов.

Что касается путей развития конфигураций ТТ, то одним из наиболее перспективных типов тепловых труб на сегодня является так называемая контурная тепловая труба.

Рисунок 8 - Контурная тепловая труба, принципиальная схема

1 - испаритель;

2 - капиллярный насос;

3 - конденсатор;

4 - компенсационная полость;

5 - паровой канал;

6 - жидкостный канал.

Тепловые трубы такой конфигурации имеют следующие преимущества:

- возможность работы, как в условиях микрогравитации, так и в поле сил тяжести при любой ориентации, а также против сил ускорения

- передача значительных тепловых потоков

- создание гибкой развязки между испарителем и конденсатором

- обеспечение диодности, что позволяет передавать тепло только в одном направлении

- передача тепла на значительные расстояния.

Рисунок 9 - Контурная тепловая труба

Между тем, сколько бы мы ни говорили о тепловых трубах и многообразии их конфигураций, основной задачей этих устройств является создание эффективной теплообменной поверхности в зоне отвода тепла с конденсационной части ТТ. Ведь тепловая труба фактически осуществляет только перенос тепла из одной области пространства в другую. Сама по себе она не охлаждает, а лишь выполняет теплопередающие функции. И здесь особое значение приобретают специальные теплосбрасывающие конструкции, монтируемые на ТТ - системы эффективных теплоотводящих поверхностей.

3. Применение тепловых трубок

Тепловые трубы исследовались и в настоящее время исследуются применительно к широкому кругу приложений, при этом был охвачен почти весь возможный диапазон температур, используемых в процессах теплообмена. Область применения тепловых труб простирается до гелиевых температур, где с помощью труб охлаждают мишени в ускорителях частиц до 2000-3000 °С.

В общем случае можно выделить ряд крупных сфер приложения тепловых труб, каждая из которых как бы иллюстрирует то, или иное свойство тепловой трубы.

С помощью тепловых труб можно решать следующие задачи:

1) Обеспечение пространственного разделения источника и стока теплоты. Высокая эффективная теплопроводность тепловой трубы позволяет передавать с ее помощью теплоту на значительные расстояния при малом температурном напоре. Во многих случаях, когда требуется охлаждение отдельных элементов, может оказаться неудобным или нежелательным отвод теплоты с помощью стока или радиатора, расположенных непосредственно у охлаждаемого элемента. Например, отвод теплоты от устройства, выделяющего большую мощность и расположенного внутри модуля, в котором кроме него также находятся другие чувствительные к температуре элементы, целесообразно осуществить с помощью тепловой трубы, соединяющей это охлаждаемое устройство со стоком, расположенным вне модуля. При этом с помощью тепловой изоляции можно свести к минимуму тепловые потери от промежуточных секций тепловой трубы.

2) Второе свойство тепловой трубы - ее способность выравнивать температуру - тесно связано с разделением источника и стока теплоты. Поскольку тепловая труба по своей природе стремится к работе в условиях равномерной температуры, ее можно использовать для снижения градиентов температуры между неодинаково нагретыми участками тела. Таким телом может являться наружная оболочка спутников, одна сторона которой обращена к солнцу, тогда как другая, более холодная, находится в тени. В другом случае цепочки элементов электронных устройств, размещенных на одной и той же трубе, оказываются термически связанными, при этом их температуры выравниваются.

3) Возможность трансформации теплового потока может быть использована в реакторах. Например, в термоионных преобразователях была предпринята попытка трансформировать тепловой поток сравнительно малой плотности, выделяемый радиоактивными изотопами, в тепловой поток большой плотности, достаточной для его эффективного использования в термоионных генераторах.

4) Четвертая функция - регулирование температуры - лучше всего реализуется с помощью тепловой трубы переменной проводимости. Такую тепловую трубу можно использовать для тонкого регулирования температуры устройства, размещенного на ее испарителе.

5) Пятая - тепловые диоды используются в ряде специфических приложений, в которых требуется передача теплоты только в одном направлении.

тепловой труба охлаждение металловойлок

4. Охлаждение элементов электронного оборудования

В настоящее время, по-видимому, наиболее широко тепловые трубы используются для охлаждения элементов электронного оборудования, таких как транзисторы или другие полупроводниковые устройства, а также интегральных модулей.

Прежде чем рассматривать некоторые специальные примеры, удобно описать в общих чертах возможности применения тепловых труб в этой области. Как указывалось, тепловая труба обладает несколькими основными свойствами. Из них применительно к рассматриваемой задаче наиболее значимыми являются; пространственное разделение источника и стока теплоты, выравнивание температуры и способность к регулированию температуры.

Теперь можно перейти к рассмотрению геометрии системы. Их удобно разделить на три основные категории, которые представляют различные типы тепловых труб:

1) трубчатую;

2) плоскую пластинчатую;

3) систему с непосредственным контактом.

Тепловые трубы трубчатой формы выполняют две основные функции:

1) передачу теплоты к удаленной точке;

2) обеспечение компактного стока теплоты.

При использовании тепловой трубы в качестве среды, передающей теплоту между двумя изолированными точками, становятся очевидными некоторые технические решения. Можно соединить конденсатор тепловой трубы со следующими элементами:

1) с твердым стоком теплоты;

2) с отдельной частью устройства или сборки;

3) с другой тепловой трубой;

4) со стенкой модуля, в котором находятся охлаждаемый элемент или элементы.

Рисунок 11 - Применение трубчатой тепловой трубы для передачи теплоты стоку, расположенному на некотором удалении от охлаждаемого устройства

В тех случаях, когда требуется свести к минимуму размер и массу устройств, почти изотермический режим работы тепловой трубы может быть использован для повышения температуры ребер или развитых поверхностей других типов. В результате этого передача теплоты к среде, выполняющей роль окончательного стока теплоты, увеличивается. За счет этого можно повысить мощность устройства или снизить массу и размеры металлического стока теплоты. Существуют два возможных способа применения тепловой трубы в этих целях:

1) разместить охлаждаемый элемент непосредственно на тепловой трубе;

2) разместить охлаждаемый элемент на плате, внутрь которой вставлены тепловые трубы.

Вторым основным типом тепловых труб, который, вероятно, наиболее всего подходит для охлаждения электронного оборудования, является плоская тепловая труба. Целесообразность применения подобных труб для выравнивания температур и охлаждения относительно небольших полупроводников и транзисторных модулей не вызывает сомнения, так же и их использование для охлаждения интегральных модулей. Подводя итог, можно сказать, что плоские тепловые трубы могут выполнять следующие функции:

1) выравнивать температуру многокомпонентных сборок;

2) охлаждать многокомпонентные сборки;

3) сдваивать стенки модуля или монтажные платы.

Рисунок 12 - Пластинчатые тепловые трубы для рассеяния большой мощности

Системы с непосредственным контактом. Одной из основных проблем, возникающих при соединении тепловых труб с электронными устройствами, является крепление этих устройств к трубе и сведение к минимуму контактного термического сопротивления. Были предложены и запатентованы в Англии два способа решения этой задачи. Первый был разработан фирмой Marconi Co Ltd. Оно представляет собой облегающую охлаждаемое изделие тепловую трубу, или, если говорить более точно, пластину, которая может быть плотно прижата к выделяющим теплоту деталям, обеспечивая минимальное термическое сопротивление между изделием и фитилем. Второй метод был предложен IRD.

Тепловая труба выполняется без собственного корпуса, с резервуаром, содержащим рабочую жидкость для подпитки фитилей, покрывающих охлаждаемые детали. В этом варианте отдельные модули должны представлять собой герметичные ячейки, каждая из которых для отвода теплоты обеспечивается устройством, размещенным снаружи.

Рисунок 13 - Облегчающая охлаждаемы элементы тепловая труба

Рисунок 14 - Схемы с цилиндрическими тепловыми трубами

Если охлаждаемые элементы могут оказаться под высоким электрическим потенциалом, то возникает необходимость в электрической изоляции тепловой трубы. В этом случае стенка, фитиль и рабочая жидкость должны быть неэлектропроводными. На рисунке 15 показан один из возможных вариантов решения этой задачи, при этом могут использоваться стекло, фитили из керамических волокон и такие рабочие жидкости, как выпускаемый Imperial Smelting Co Ltd флутек.

Рисунок 15 - Охлаждение высоковольтных элементов

1 - герметичное уплотнение;

2 - поток воздуха;

3 - диэлектрическая тепловая труба;

4 - охлаждаемые элементы.

Тепловые трубы могут использоваться для охлаждения отдельных деталей, а также и для отвода теплоты только от небольшой части электронного устройства, например клистрона, лампы с бегущей волной, коллектора и т.п.

В дополнение к их использованию в целях охлаждения оборудования на земле и в космосе тепловые трубы применяются также и авиационном радиооборудовании.

Заключение

Тепловые трубки не потребляют электроэнергию и не шумят. Важно отметить, что тепловая трубка начинает работать при малейшем перепаде температур на ее концах. Это значит, что она будет отводить тепло от процессора, нагревшегося до 70 С, даже если ее другой конец будет иметь температуру 69 С.

В настоящее время трудно найти более эффективное устройство для передачи тепловой энергии, чем тепловая трубка. Цилиндрическая тепловая трубка с водой при температуре 50 С° обеспечивает теплопроводность в сотни раз больше, чем у меди. Тепловая труба на литии при температуре 1500 может передавать в осевом направлении тепловой поток мощностью до 25 кВт/смІ. Такие трубы используется в ядерных реакторах.

В настоящее время миллионы тепловых труб работают в энергосберегающих теплообменниках и в промышленных технологических установках. Тысячи тепловых аккумуляторов такого типа отводят тепло из тундрового грунта под Аляскинским нефтепроводом. За счет охлаждения, происходящего в зимние месяцы, слой грунта под нефтепроводом поддерживается замерзшим на протяжении всего лета. Тепловые трубы все шире применяются и в повседневной жизни.

Размещено на Allbest.ru