Файл: Тепловые трубки.docx

Первые термосифоны применялись для выпечки хлеба в Америке в 19 веке. Нижний конец трубы подогревался в топке, а верхний конец был соединен с камерой, в которой выпекался хлеб. Благодаря тому, что ТТ и термосифоны обладают термостабилизирующими свойствами, хлеб никогда не пригорал.

6 июля 1944г в США был зарегистрирован патент №2350348. Автором изобретения был Гоглер, сотрудник американской фирмы General Motors. Как указывал автор, целью изобретения было "...обеспечение поглощения теплоты, или, другими словами, испарение жидкости в точке, лежащей выше области конденсации или зоны отвода теплоты, без дополнительных затрат на подъем жидкости от уровня конденсатора". Для возврата жидкости из зоны конденсации в зону испарения была предложена капиллярная структура. То есть Гоглер изобрел тепловую трубу, которая могла работать в любом положении и иметь любую форму.

В октябре 1973г в Штутгарте прошла первая международная конференция по тепловым трубам, после которой они получили общее признание. Теперь это называется термосом и каждый из нас может его купить.

Некоторые характеристики ТТ

Современные ТТ имеют следующие характеристики:

Рабочая температура от 4 К до 2300 К (-269 С^о до 2026 С^о)
Длина от нескольких сантиметров до десятков метров
Диаметр от 2-3 мм. до нескольких метров
Мощность теплопередачи до 25 КВт/см²
Ресурс работы до 100 000 часов

По виду теплоносителей различают металлические (калий, натрий, цезий и т.д.) для очень высоких температур, и неметаллические (вода, аммиак, ацетон, фреоны и т.д.) для низких и средних температур, к области которых относится и диапазон допустимых температур процессора. Для возврата конденсата в зону испарения могут использоваться гравитационные, капиллярные, центробежные и электростатические.

Важно отметить, что ТТ начинает работать при любом перепаде температур на ее концах, это значит, что она будет отводить тепло от процессора, нагревшегося до 60 градусов даже если ее другой конец будет иметь температуру 59 градусов. Невысокий коэффициент теплоотдачи (мощность, отводимая с одного квадратного метра поверхности, при условии, что ее температура на один градус выше температуры окружающей среды) пассивного радиатора (он применяется, т.к. абсолютно бесшумен) на холодном конце ТТ снизит допустимую температуру окружающей среды, но ненамного.

Конструкция тепловых трубок

Тип тепловой трубы – состоит всего из трех элементов: корпус, рабочая жидкость, КПМ (капиллярно-пористый материал).

Корпус

обеспечивает изоляцию рабочей жидкости от внешней среды,
должен быть герметичным,
выдерживать перепад давлений между внутренней и внешней средами,
обеспечивать подвод теплоты к рабочей жидкости и отвод теплоты от нее.

Сечение – круглое или прямоугольное. Минимальный диаметр ТТ должен быть таким, чтобы внутренний диаметр зоны транспорта пара исключал действие капиллярных сил, т.е. чтобы паровой канал не превратился в капиллярный; максимальный – принципиальных ограничений не имеет. Материал – обычно используют нержавеющую сталь, алюминиевые сплавы, медь, стекло, бронзу; пластмассы (гибкие ТТ), керамику (высокотемпературные ТТ).

Рабочая жидкость

обеспечивает теплоперенос в системе при рабочих температурах
не должна разлагаться при этих температурах,
должна обладать достаточно большой скрытой теплотой парообразования,
должна хорошо смачивать материал фитиля и корпуса,
должна иметь низкое значение вязкости жидкой и паровой фаз,
должна иметь высокую теплопроводность и высокое поверхностное натяжение.

В зависимости от интервала температур (указана температура охлаждаемого тела) могут быть использованы самые различные вещества, приведенные к жидкой фазе – от сжиженных газов до металлов: гелий (-271 ... -269°C), аммиак (-60 ... +100°C), фреон-11 (-40 ... +120°C), ацетон (0 ... +120°C), вода (25 ... 200°C), ртуть (250 ... 650°C), натрий (600 ... 1200°C), серебро (1800 ... 2300°C) и т.д.

Капиллярно-пористый материал (фитиль)

он должен быть мелкопористым для создания максимального напора и в то же время должен быть крупнопористым для увеличения проницаемости (по жидкости); в связи с этим в условиях работы против сил гравитации практически не используется ТТ длиной более 1 м;
слой КПМ вдоль стенок должен быть толстым для увеличения расхода жидкости (увеличение теплопередачи) и в то же время должен быть тонким для уменьшения термического сопротивления фитиля в радиальном направлении (с целью увеличения плотности теплового потока в испарителе).

КПМ обеспечивает перемещение жидкости из зоны конденсации в зону испарения и равномерно распределяет ее по всей зоне испарения. Требования к КПМ противоречивы, необходимые параметры подбирают, исходя из конкретной ситуации.

Разработка тепловых трубок

Совершенно очевидно, что все металлические части ТТ должны быть изготовлены из меди, ввиду ее отличной теплопроводности, простоты обработки точением, химической пассивности и просто хорошему внешнему виду. Изготовить единую ТТ из одного куска меди дома невозможно (как выяснилось, достать нужный для этого кусок меди тоже невозможно), поэтому пришлось разбить ее конструкцию на три части: зона испарения, зона конденсации и соединяющий их корпус.

Зона испарения

Труба должна контактировать непосредственно с процессором через тонкий слой термопасты. Системы, используемые в ноутбуках, в которых между двумя медными пластинами зажимаются ТТ, и уже пластины контактируют с процессором, недопустимы, так как обеспечить хороший контакт между пластинами и ТТ практически невозможно. Таким образом, нужно, чтобы зона испарения будет выполнена из единого куска меди, ее торцевая часть будет притерта для лучшего контакта с процессором, а стенки должны быть достаточно толстыми для обеспечения теплоотвода через всю поверхность испарительной зоны.

Зона конденсации

Зона конденсации – самая сложная часть всей системы. Она должна эффективно отводить тепло, полученное при конденсации пара. Будет хорошим решением применить пластинчато-ребристый радиатор, то есть состоящий из большого числа тонких пластин.

Эффективность ребра зависит от его площади и температуры, а из теоретических сведений о ТТ известно, что зона конденсации имеет изотермическую поверхность (поверхность с одинаковой температурой во всех точках, постоянство температуры получается благодаря тому, что при переходе пар – жидкость выделяется энергия в виде тепла и температура не меняется, а пар конденсируется равномерно по всей поверхности зоны конденсации), это значит, что радиатор будет иметь одинаковую эффективность ребер на всей длине. Таким образом, максимальная отводимая мощность линейно зависит от длины зоны конденсации. Очевидно, что зона конденсации должна быть конструктивно совмещена с пластинчато-ребристым радиатором, проще говоря, ребра должны быть нарезаны прямо на трубе, это наиболее простая и эффективная (тепло без посредников отводится с зоны конденсации в воздух) конструкция.

Рабочая жидкость

В качестве рабочей жидкости хорошо выбрать дистиллированную воду. В принципе, можно использовать ацетон, но вода привлекает большей теплоемкостью и большей скрытой энергией парообразования, кроме того, я не уверен, что ацетон не будет взаимодействовать с неметаллическими частями ТТ, к тому же он кипит при низкой температуре (всего 56 градусов при атмосферном давлении, а в вакууме еще меньше) и в нем может начаться процесс пузырькового кипения, что, как мы помним, сильно ограничит перенос тепла в трубе. "Цветение воды" полностью исключено, так как в трубке будет полная темнота и вакуум.

КПМ (фитиль)

Качественный фильтр — это проблема. Особенно, если вы хотите сделать ТТ в домашних условиях. Дело в том, что повсеместно рекомендуется изготавливать фитили из спеченных металлических порошков (меди, титана, никеля) с размерами частицы порядка нескольких микрон или из металлических сеток саржевого плетения, тоже с недостижимыми параметрами. Если спечь фитиль из порошка в домашних условиях можно, то получить порошок с нужным размером частиц практически нереально, как и сплести нужную сетку.

К счастью, я задался вопросом: а почему, собственно, применяют фитили из спеченных порошков? Выяснилось, что они нужны для обеспечения подъема рабочей жидкости на высоту до одного метра. Естественно, что для охлаждения домашнего ПК такой подъем не нужен, ТТ у меня может быть расположена горизонтально, а максимальная высота подъема воды составит 3 см (для эффективной теплоотдачи с торцевой и боковых частей испарительной зоны). В данных условиях в качестве фитиля лучше всего применять именно фитиль. От старой керосиновой лампы. Если у вас есть пачка неиспользованных в свое время запасных фитилей, то вопрос выбора КПМ благополучно решен.

Процесс охлаждения

В пластинчато-ребристом радиаторе возникает эффект "вытяжной трубы" (нагретый воздух в ограниченном с боков пространстве с большой скоростью движется вверх, подтягивая на свое место холодный воздух), что обеспечивает хороший обдув ребер радиатора. Коэффициент теплоотдачи такого радиатора составляет около 30 [Вт / (м² * °С)]. Помножив этот коэффициент на общую площадь (ведь, как мы помним, все пластины работают одинаково эффективно и имеют одинаковую температуру), получим, что при разности температур между радиатором и окружающим воздухом в 1 градус мой радиатор сможет рассеять примерно 18 Вт. А при разности температур в 10 градусов – 180 Вт!

Допустим, летом температура в комнате поднимется до 35 градусов, тогда для отвода 180 Вт температура радиатора должна быть 45 градусов, а как известно из теории, ТТ будет работать даже при температуре зоны конденсации 59 градусов, значит есть еще неплохой запас. Уверен, что выделяемая процессором мощность не будет больше 100 Вт, а для отдачи такой мощности радиатор нагреется всего на 5.6 градусов выше комнатной температуры.

Основным различием в строение ТТ чаще всего является именно разнообразная внутренняя структура, благодаря которой некоторые "Heatpipe" эффективнее, чем другие, но при этом у каждого вида есть свои недостатки, а также некоторые ограничения в отношении ориентации относительно земли и воздействия гравитации. Давайте рассмотрим три основных типа ТТ, которые на данный момент используется в компьютерной промышленности.

Порошок из меди

Порошок из меди, сплавленный на стенках трубки. Очень эффективная ТТ, но при этом и одна из самых дорогих в производстве технологий.

Порошок из меди, сплавленный на стенках трубки. Очень эффективная ТТ, но при этом и одна из самых дорогих в производстве технологий; практически нет ограничений по ориентации относительно земли.

Эксперимент

Мной был проведён эксперимент запуск компьютера с различными системами охлаждения, с радиатором, в котором имеются тепловые трубки и в котором нет тепловых трубок.

Отчёт времени начался, когда процессор был показывал температуру 46 С^о.

Процессор с радиатором на тепловых трубках за 3 минуты нагрелся до 51 С^о.

А с обычным радиатором процессор за 3 минуты нагрелся до 61 С^о.

Вывод: использование системы охлаждения с тепловыми трубками эффективнее, так как за одинаковый промежуток времени нагрев при обычной системе охлаждения выше, в нашем случае на 10 градусов.

Заключение

Эффективность тепловых трубок сложно переоценить. Действительно, теплопроводности меди из которой изготовлены трубки, более чем недостаточно для передачи такого теплового потока к радиатору. И используемый в трубках процесс переноса тепла за счет испарения жидкости и капиллярного эффекта дают потрясающую эффективность.