Типы кулеров на тепловых трубках

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Конструктивные особенности и характеристики тепловых труб

В зависимости от поставленной задачи, тепловые трубы могут иметь различные конфигурации и внешние оребрения (рис.2).



Рис.2. Конструкции тепловых труб

Пользователям ПК наиболее знакомы тепловые микротрубы (диаметр ТТ до 6 мм) (рис.3), которые широко используются в известных кулерах китайских производителей. Такие ТТ пусть и обладают весьма слабыми тепловыми характеристиками, работая на мощностях порядка 100 Вт практически на пределе, однако, по габаритам полностью отвечают требованиям современной компьютерной техники. Эти микротрубы — классический, если можно так сказать, вариант конструкций тепловых труб.



Рис.3. Тепловые микротрубы фирмы Fujicuru

Другой вариант — если конденсат возвращается в зону испарения только за счет массовых сил, тогда мы имеем конструкцию тепловой трубы, называемую термосифоном (ТС) (рис.4). В такой конструкции ТТ, при определенных условиях, не обязательно иметь капиллярную структуру внутри корпуса (об этом чуть позже).

Вполне реально наблюдать работу термосифона и связанные с этим процессы в обычных домашних условиях. Для этого достаточно поставить на плиту прозрачную стеклянную кастрюлю (Рис.4,б). В таких условиях хорошо видно как жидкость испаряется (либо кипит), 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 (например, что-то типа фитиля керосиновой лампы), 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.



Рис.4(а). Термосифон: 1 - корпус; 2 - капиллярная структура; 3 - пар; 4 - объем с кипящей жидкостью; 5 - конденсат.



Рис.4(б). Иллюстрирующий пример - стеклянная кастрюля с кипящей жидкостью.

Основными конструкционными элементами тепловой трубы, как можно заметить на рис.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

Например, в диапазоне температур 20—80°С, что характерно для компьютерной техники, может использоваться широкий ряд теплоносителей — спирты, фреоны, аммиак, дистиллированная вода, эфир. И тот или иной теплоноситель будет эффективен только в своем конкретном случае.

Наиболее сложным в конструктивном плане элементом ТТ является капиллярная структура. В современных тепловых трубах наиболее распространены КС, изготовленные на основе металловойлока (рис.5, а), порошков и сеток, а также выполненные конструкционным образом, например, в виде канавок различной формы (рис.5, б). КС из металловойлока или порошков изготавливаются методом спекания в вакуумных печах (например, чтобы получить медную КС необходимо спекать в вакууме специальные медные волокна при температуре выше 1000°С). Наиболее технологичной является КС, полученная конструкционно — такие КС изготавливаются одновременно с корпусом ТТ (рис.5, б).



Рис.5(a). Примеры КС - металловолокнистая структура.



Рис.5(б). Примеры КС - конструкционная структура.

От КС зависит, насколько эффективно ТТ сможет работать против сил тяжести (когда зона подвода тепла расположена выше зоны отвода тепла). И если в космической технике (работа ТТ в условиях невесомости) 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.

Дополнительное замечание: хотя мы и рассматриваем работу металловолокнистых и порошковых ТТ при их любой ориентации в поле сил тяжести, следует особо отметить, что превышения зоны испарения над зоной конденсации может быть ограничено несколькими сантиметрами и не более, в особенности применительно к компьютерной технике. Так как обеспечение работы против сил тяжести очень сильно зависит от габаритов ТТ, их приходится увеличивать.

Что касается путей развития конфигураций ТТ, то одним из наиболее перспективных типов тепловых труб на сегодня является так называемая контурная тепловая труба (КТТ) (схема приведена на рис. 6).



Рис.6(а). Контурная тепловая труба, принципиальная схема:
1 — испаритель; 2 — капиллярный насос (КН); 3 — конденсатор; 4 — компенсационная полость (КП); 5 — паровой канал; 6 — жидкостный канал.


Рис.6(б). Контурная тепловая труба - экспериментальный образец:
1 — испаритель; 3 — конденсатор; 5 — паровой канал; 6 — жидкостный канал; 7 — вентилятор (80х80 мм).

Тепловые трубы такой конфигурации имеют следующие преимущества:

  • возможность работы, как в условиях микрогравитации, так и в поле сил тяжести при любой ориентации (превышение зоны испарения над зоной конденсации более 1 м), а также против сил ускорения
  • передача значительных тепловых потоков (1000 Вт и выше)
  • создание гибкой развязки между испарителем и конденсатором
  • обеспечение диодности, что позволяет передавать тепло только в одном направлении
  • передача тепла на значительные расстояния (6 м и более)

Разработки подобных конструкций ТТ, особенно адаптированных для ноутбуков, ведутся как в России, так и за рубежом. Несмотря на наличие большого числа опытных образцов КТТ (а также специализированных кулеров на их основе), на данный момент остаются преграды на пути их внедрения в серийное производство. Это касается как миниатюризации их корпусов и совершенствования технологичности, вкупе с обеспечением надежной стабильной работы, так и улучшения тепловых характеристик, в том числе минимизации термического сопротивления.

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.