Тепловая трубка принцип работы: Тепловая трубка (heat pipe)

Содержание

Тепловая трубка (heat pipe)


Термический цикл тепловой трубы:
1. Рабочая жидкость испаряется, поглощая тепловую энергию;
2. Пар перемещается вдоль полости к конденсатору с более низкой температурой;
3. Пар конденсируется обратно в жидкость, отдавая перенесённую тепловую энергию;
4. Рабочая жидкость по фитилю течёт обратно к испарителю с высокой температурой.
 

Тепловая трубка (heat pipe) является простым устройством, которое может быстро передавать тепло от одной точки к другой по принципу замкнутого испарительно-конденсационного цикла.

 

Идея тепловых трубок с использованием капиллярного эффекта была впервые предложена R.S. Gaugler в 1942 году, который позднее запатентовал идею. Тем не менее преимущества капиллярных систем были также независимо проработаны и продемонстрированы в 1962 году G.M. Grover, его замечательные свойства были по достоинству оценены и началось серьезное развитие.

 

В последние 30 лет в качестве базовых элементов систем температурного регулирования электронных устройств эффективно применяются тепловые трубки — теплопередающие устройства, общим признаком которых является функционирование по принципу замкнутого испарительно-конденсационного цикла.

 

К основным преимуществам тепловых трубок по сравнению с традиционными элементами теплопередающих систем относятся:

 

  • — простота конструкции;
  • — отсутствие подвижных деталей и бесшумность работы;
  • — малые массогабаритные характеристики;
  • — отсутствие затрат энергии на перемещение теплоносителя;
  • — надежность работы;
  • — высокая эквивалентная теплопроводность.

 

Последний параметр является основным достоинством тепловых трубок. Благодаря использованию для передачи теплового потока скрытой теплоты парообразования эффективная теплопроводность тепловых трубок может быть в сотни раз больше, чем теплопроводность меди.

 

Тепловая трубка состоит из трёх основных компонентов:

 

  1. Контейнер
  2. Пористый капилляр или фитиль
  3. Рабочая жидкость (например, вода)

 

Принцип работы тепловой трубки:

 

Состояние рабочей жидкости внутри изменяется благодаря вакууму. На уровне моря вода кипит при 100°С, но если вы подниметесь на вершину горы температура кипения будет меньше, чем 100°С. Это связано с разницей в давлении воздуха.

 

Тепловые трубки, имеют температуру кипения всего 30°C, выше которой рабочая жидкость испаряется. Этот пар быстро поднимается до верхней части тепловой трубки и происходит передача тепла. Отдав тепло в вверху, пар конденсируется с образованием воды и возвращается в нижнюю часть тепловой трубки, чтобы ещё раз повторить процесс.

 

Разновидностью тепловых трубок являются термосифоны, выполненные в виде, простой полой медной трубки, где сконденсировавшаяся жидкость возвращается в зону испарения под действием силы тяжести. Иными словами, трубка будет работать только в вертикальном или близком к тому положении, когда зона конденсации выше зоны испарения. Внутри же современных тепловых трубок находится наполнитель — пористый капилляр, благодаря чему они работают практически в любом положении, поскольку для возврата жидкости в зону испарения используются капиллярные силы, а не сила тяжести. Тем не менее, максимально отводимая тепловая мощность определяется не только диаметром тепловой трубки, но и её ориентацией в рабочем положении относительно горизонта.

 

Приводим таблицу отводимых мощностей для трубок с любой пространственной ориентацией.

 








Диаметр трубки

Отводимая тепловая мощность, не менее

3 мм

5 Вт

5 мм

12 Вт

6 мм

15 Вт

7 мм

25 Вт

10 мм

35 Вт

13 мм

100 Вт

 

При вертикальной ориентации трубы (испаритель внизу) и при небольших отклонениях от вертикали, отводимая тепловая мощность может быть увеличена в 2-3 раза по сравнению с указанной в таблице. ООО «Системы СТК» принимает заказы на изготовление и поставку любых тепловых труб, а также на проектирование теплоотводов в изделиях Заказчика.

 

Трубки изготавливаются по чертежам Заказчика из стандартного медного проката с максимальной длиной до 900 мм. В чертеже, помимо габаритных размеров, обязательно должны быть указаны размеры испарителя, то есть части трубки, контактирующей с поверхностью, от которой необходимо отвести тепло, и размеры конденсатора, то есть части трубки, с которой переданная тепловая мощность рассеивается в окружающей среде.

 

Поставляемые тепловые трубки имеют стойкость к механическим воздействиям и выдерживают вибрации до 500 Гц с амплитудой 0,5 мм, а их работоспособность сохраняется после воздействия температуры окружающей среды от минус 60°С до плюс 80°С.

 

Освоено производство теплоотводов на основе тепловых труб, предназначенных для естественно-конвективного и принудительно-конвективного воздушного охлаждения силовых полупроводниковых приборов с токовой нагрузкой от 300 до 2000А.

 

Изготавливаем тепловые трубки , теплоотводы, готовые системы охлаждения по Техническим Заданиям Заказчиков.

 

Полное техническое сопровождение и консультации Заказчиков с момента начала определения потребности и подготовки ТЗ (проектирование ТТ или полной конструкции системы охлаждения — теплопередачи , теплофизические, аэродинамические расчеты) до выпуска готовой продукции.

Высочайший контроль качества каждого изделия.

 

Приводим примеры поставляемых тепловых трубок.

 

Прямые тепловые трубки

               

Тепловые трубки изогнутые, с основаниями  

Как влияют тепловые трубки охлаждения на эффективность кулера: распиливаем ID-Cooling SE-224M | Кулеры для процессора | Блог

Что будет, если распилить тепловые трубки системы охлаждения? Я решил «убить» свой подопытный кулер. А все ради любопытства. Не дают мне покоя его четыре красивые медные трубки, которые величественно пронизывают алюминиевые пластины радиатора. Что в них? Нет, теорию я читал, и видел картинки, на которых показаны внутренности тепловых трубок. Но бывает так, что в теории одно, а на практике все упрощают. Короче надо пилить, может там, в этих трубках, ничего и нет.

Тепло, вода и медные трубы

В настоящее время тепловые трубки широко применяются в конструкциях процессорных кулеров. Они позволяют не только эффективно переносить тепло от теплосъемника кулера к радиатору, но и распределять его по всему объему радиатора, что способствует хорошему рассеиванию теплоты в окружающее пространство. 

Как известно, процесс передачи тепла в трубке создается за счет находящейся внутри легкокипящей жидкости, которая испаряется на горячем конце трубки и конденсируется на холодном. Чтобы жидкость закипала при более низких температурах в трубке создается пониженное давление. Трубки должны быть герметичны. В качестве жидкости можно применять воду.

А действительно ли в массово продаваемых кулерах используются настоящие тепловые трубки? Или это обычные медные трубки, теплопроводности которых достаточно для передачи и распределения тепла в радиаторе без использования всяких эффектов испарения и конденсации?

В описываемом эксперименте я оценю охлаждающую способность кулера с четырьмя тепловыми трубками. Затем я разгерметизирую трубки и снова проверю эффективность охлаждения. Жаль кулер, но истина дороже.

Стенд для испытаний

Для того, чтобы не использовать процессор в качестве источника теплоты для тестирования кулера был собран стенд. Мощные резисторы нагревают алюминиевую пластину, внутри которой размещен датчик температуры, подключаемый к мультиметру. Данная пластина является в некотором роде прототипом крышки процессора.

Толщина пластины составляет аж целых 5 мм, это способствует равномерному распределению тепла по всему пятну соприкосновения теплосъемника кулера с пластиной.

Мощность, выделяемая резисторами может достигать 200 Вт. Напряжение на резисторы подается от регулируемого лабораторного блока питания.

Вентилятор кулера подключается к отдельному регулируемому источнику питания. Обороты вентилятора измеряются лазерным тахометром UT373.

Стенд позволяет оценивать охлаждающую способность кулеров без привязки к конкретному процессору. Это дает возможность объективно и не зависимо сравнивать их эффективность.

Определяем эффективность кулера с тепловыми трубками

Ну и, собственно, подопытный кулер. Это SE-224M от ID-Cooling с заявленным TDP 150 Вт. Он уже был героем двух публикаций: «Что будет если кулер использовать без термопасты» и «Термопасты. КПТ-8 против МХ-4 и зачем нужна теплопроводность». 

Итак, судя по внешнему виду, все четыре трубки герметичны и из них был откачан воздух, так как концы трубок развальцованы (ну, наверное). Устанавливаем кулер на стенд и измеряем температуру основания теплосъемника в зависимости от рассеиваемой мощности и оборотов вентилятора.

Номинальные характеристики зафиксированы. Трубки пока еще целые и невредимые.

Пилите Шура, пилите

Теперь будем пилить. Для начала была разгерметизирована одна трубка:

Внутри трубки можно увидеть пористую структуру. И это хорошо. Именно пористая структура позволяет жидкости под действием капиллярных сил перемещаться по трубке не зависимо от ее положения  в пространстве.

Кстати, при оценке охлаждающей способности кулера менялось его положение с вертикального на горизонтальное. Разницы в температуре не отмечалось.

Две или четыре, какая разница

Для определения охлаждающей способности кулера я распилил еще одну трубку и установил кулер на стенд. Что бы не перегружать график данными, сравнение температур я показал при вращении вентилятора со скоростью 900 об/мин. Считаю, что такие обороты вентилятора размером 120 мм оптимальны с точки зрения шума и воздушного потока для большинства моделей кулеров.

При рассеиваемой мощности в 100 Вт температура при двух неработающих трубках увеличилась всего на 3°C. При увеличении теплового потока она возрастает, но даже при 180 Вт разница составляет около 5°C.

Шеф, все пропало

Было сделано предположение, что эффективность тепловых трубок слишком преувеличена. И если разгерметизировать все четыре трубки, то эффективность кулера в целом останется на вполне нормальном уровне, и его можно будет использовать для охлаждения слабых процессоров.

И все трубки были разгерметизированы:

В результате кулер перестал функционировать как охладитель. Вернее, не совсем так. Возможно для охлаждения чипсета или SSD его можно использовать, но не более того.

Даже график было затруднительно строить. 

При мощности процессора в 60 Вт температура его крышки может достигнуть 100 °C. Как то многовато.

Выводы

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

Поэтому если ваша система охлаждения с использованием тепловых трубок стала как-то плохо охлаждать, то одной из причин может быть как раз разгерметизация этих самых трубок.

Стоит отметить, что использование двух или четырех трубок не дают большой разницы в охлаждающей способности кулера при рассеиваемой мощности до 150–200 Вт. Но это уже совсем другая история.

Чем КТТ отличаются от обычных тепловых труб и как их применять

Июнь 2016-го. Остров Чеджу, Южная Корея. Третий день международной конференции по тепловым трубам. Во время перерыва подходят два китайца:

– Здравствуйте! А вы из Теркона?

– Из Теркона.

– А правда, что у вас Юрий Фольевич работает, Майданик?

– Правда.

– И что, он здесь?

– Здесь.

– Дак он еще и живой? И что, можно с ним сфотографироваться?

– Конечно.

Так с нашим Юрием Фольевичем в тот день сфотографировалось несколько десятков китайцев. Сначала вместо двух пришла группа из двадцати человек. Потом они еще видимо другим китайцам сказали и еще пара групп поменьше приходила посмотреть на живого ученого.

В этой статье — краткий экскурс в историю появления КТТ, чем КТТ отличаются от простых тепловых труб, серия коротких видеороликов о том, как применять КТТ.

История КТТ

Юрий Фольевич стоял у истока появления контурных тепловых труб (КТТ), изобретенных в тогда ещё Свердловске в начале 1970-х. Уже более четверти века КТТ успешно применяются в космической промышленности. Более 500 КТТ запущены и успешно эксплуатируются на борту космических аппаратов России, США, Китая, Европы.

В середине 2000-х появилась идея использования КТТ где-то не в космосе, а поближе. В гражданских продуктах. Для этого нужно было решить два вопроса — уменьшить размеры КТТ и наладить серийное производство. Космические КТТ были большими (труба толщиной с человеческую руку — обычное явление) и изготавливались индивидуально, штучно, под каждый конкретный космический аппарат. Так появилось предприятие «Теркон-КТТ».

Тепловые трубы

Обычные тепловые трубы (ТТ) сегодня — знакомая всем технология. Они применяются практически в каждом современном компьютере. Будь то настольный ПК или ноутбук. Тепловые трубы используются для переноса тепла от источника к радиатору. Когда невозможно или не удобно разместить радиатор сразу на источнике тепла.

ТТ были дважды (!) изобретены в США. Сначала Гоглером в General Motors Corporation. Затем доктором Гровером из Лос-Аламосской национальной лаборатории. Суть внутреннего устройств ТТ и принцип ее работы:

То есть ТТ — отрезок трубы со сложной внутренней структурой. Когда с одной стороны трубы происходит нагрев, тепло по центральному каналу переходит в виде пара на другой конец трубы. Затем по сложной капиллярной структуре внутренних стен трубы остывающая жидкость возвращается обратно. Цикл повторяется.

Каждая ТТ может передавать ограниченное количество тепла. Для того, чтобы передать больше тепла, используют несколько параллельных ТТ.

Ограничения применения ТТ:

  1. Небольшое расстояние теплопереноса. В условиях земной гравитации, при вертикальном размещении, ТТ работает эффективно при длине до 25 см.
  2. Мощность. Если нужно передать много тепла, не всегда получается использовать столько параллельных труб, сколько необходимо.
  3. Конфигурация. Каждый изгиб ТТ заметно влияет на ее эффективность. Сложная внутренняя структура трубки разрушается при изгибах. Соответственно, если требуется сделать несколько крутых изгибов, применение ТТ может стать нецелесообразно из-за большой потери эффективности.

Контурные тепловые трубы

КТТ — замкнутая система. Это не отрезок трубы.

КТТ состоит из испарителя и паропровода. Вся сложная начинка находится в испарителе. Паропровод же — обычная труба. При изгибах паропровода не происходит какого-либо значительного падения эффективности теплопередачи.

Обычно используется жесткая нагартованная труба из нержавеющей стали. Для сгиба контура применяются специальный трубогиб, чтобы не допустить перелома трубы. Так же возможно применение ненагартованной трубы из нержавеющей стали или из меди. Такой контур легко гнется руками, риск перелома трубы минимален. Даже настолько изогнутая КТТ остается вполне работоспособной:

Испаритель монтируется к источнику тепла. Средний отрезок паропровода монтируется змейкой внутри радиатора, для увеличения площади контакта.

Применение КТТ

Типовой сценарий появления КТТ-охлаждения в устройстве заказчика:

  1. Заказчик решает, что обычные системы охлаждения не позволяют функционировать его устройству с требуемым уровнем эффективности. Либо конструктив устройства не позволяет эффективно решить задачу теплообмена.
  2. Наши специалисты уточняют у заказчика все существенные условия функционирования его устройства.
  3. Если это допустимо и может принести ощутимую пользу, мы рекомендуем заказчику внести изменения в конструктив устройства. Для более эффективной работы системы охлаждения.
  4. Проектируется система охлаждения на базе КТТ. Моделируется пространственная конфигурация контура охлаждения. Выбирается тип испарителя.
  5. На основе разработанной документации изготавливается опытный образец системы охлаждения.
  6. После удачных экспериментов с опытным образцом изготавливается серия КТТ для конкретного устройства заказчика.

Применение КТТ. DIY-сценарий

Типовой сценарий, описанный выше, характерен для относительно больших заказчиков. Моделирование и опытные образцы могут стоить вполне заметных денег. Но есть и второй путь.

Кроме заказных разработок в ассортименте нашей компании есть так называемые «стандартные КТТ». Это набор контурных тепловых труб нескольких типовых конфигураций. Они обычно есть в наличии и относительно недорого их можно приобрести поштучно для своих экспериментов.

Понимая правила работы с КТТ вполне реально на базе таких стандартных труб сделать самостоятельно систему охлаждения для своего малосерийного (или вообще штучного) изделия.

Посмотреть доступные к приобретению варианты стандартных КТТ можно у нас на сайте. А понять основные правила работы с ними можно, посмотрев наш мини-сериал в заключительной части этой статьи.

принцип действия 🚩 Квартира и дача 🚩 Другое

Патент на концепцию тепловой трубки капиллярного типа был получен представителем компании General Motors еще в 1942 году. Через два десятилетия идея получила принципиальное дальнейшее развитие. В 1963 году американец Дж. Грувер из лаборатории в Лос-Аламосе наглядно продемонстрировал эффективность такой конструкции.

Принцип действия тепловой трубы сравнительно прост и понятен даже человеку, далекому от физики. Достаточно усвоить, что жидкости при испарении поглощают тепловую энергию, а в момент конденсации активно ее отдают.

Самое простое устройство такого типа представляет запаянную с обеих сторон трубку, внутри которой находится летучая жидкость. Если нагреть одну сторону устройства, жидкость начнет испаряться. При этом пар конденсируется на противоположном конце трубки. Затем жидкость самотеком возвращается к источнику тепла. Цикл может повторяться многократно.

Работа тепловой трубы самого распространенного типа происходит так. К трубе подводится тепло, которое передается через корпус к теплоносителю за счет теплопроводности. Жидкость, смачивающая находящийся внутри особый фитиль, испаряется. В дальнейшем жидкость конденсируется в зоне отвода тепла, что ведет к затоплению фитиля. Различие капиллярных давлений в двух разных зонах тепловой трубы ведет к появлению перепада давлений. Система превращается в своеобразный «капиллярный насос». Кроме капиллярных сил при работе трубы могут действовать так называемые массовые силы: электромагнитные, центробежные, гравитационные. Их действие способно как улучшать циркуляцию в трубе, так и затруднять ее.

Тепловая труба с гладкими стенками может эффективно работать только в одном положении – когда источник тепла располагается возле нижнего конца трубы, находящейся под наклоном.

Изобретатели доработали конструкцию, дав трубке возможность функционировать практически в любом положении. Для этого оказалось достаточным поместить внутрь устройства так называемый фитиль. Им может стать любой материал, имеющий «развитую» поверхность. При этом конденсированная жидкость будет иметь возможность перемещаться по фитилю за счет капиллярного эффекта при самых разных положениях трубки.

Тепловая труба обрела заслуженную популярность в самых разных отраслях техники, включая довольно специфические области. Устройство такого типа обладает очень высокой теплопроводностью, многократно превышающей эту характеристику у меди. Тепловая труба способна передавать тепло на большое расстояние при небольшом поперечном сечении, в то время как у металлического прута способность передавать тепловую энергию снижается пропорционально отношению сечения к длине.

Скорость передачи тепла в трубке очень высока и ограничивается только скоростью испарения теплоносителя и темпами его конденсации.

Тепловая труба способна работать в произвольном температурном режиме. Если правильно подобрать теплоноситель, трубку можно применять при температуре как около +300 градусов Цельсия, так и при температурах, приближающихся к абсолютному нулю, что делает такую систему пригодной для использования в космической технике.

Устройство, использующее описанный выше принцип работы, будет долговечным. Ничто не ограничивает срок эксплуатации тепловой трубы, поскольку ни металл трубы, ни фитиль, ни теплоноситель не изнашиваются.

Отказоустойчивость тепловой трубки поразительна, ведь в данной простой конструкции просто нечему ломаться. Трубка будет работать до тех пор, пока справедливы законы физики.

С теоретической точки зрения тепловая труба представляет собой испарительно-конденсационное устройство, используемое для передачи тепла, где происходит перенос теплоты парообразования посредством испарения жидкости в зоне поступления тепла и конденсации паров в области теплоотвода. Замкнутый цикл работы теплоносителя обычно поддерживается действием капиллярных сил.

Параметрами тепловой трубы можно управлять, меняя в ней давление. Это даст возможность теплоносителю совершать переход из одной фазы в другую в требуемом температурном режиме.

Существуют определенные требования к элементам конструкции тепловой трубы. Например, используемая в трубке жидкость не должна быть подвержена разложению, не должна вступать в химическую реакцию с материалом, из которого выполнены сама трубка и фитиль. Оболочку трубы предпочтительнее делать из материала с высокой теплопроводностью. Фитиль и трубка должны хорошо смачиваться теплоносителем.

Материалом корпуса тепловой трубы обычно становятся медь, алюминий, сталь разного типа.

Фитиль в тепловой трубе насыщен жидкой фазой теплоносителя. Фитилем могут стать не только сетчатые, но и спеченные пористые вещественные структуры, равно как и особые канавки на внутренней поверхности трубки, перфорированные экраны и так далее. Главное, чтобы структура фитиля позволяла переносить жидкость из зоны конденсации в область нагрева за счет капиллярных сил.

В настоящее время фитиль чаще всего выполняется из металла. Этот элемент конструкции имеет вид сетки или делается сплетенным из очень тонкой проволоки; такое техническое решение получило название металлического войлока.

Теплоносителем в этой системе могут выступать вода, ацетон, спирт, ацетон, фреоны. В тех трубках, которым приходится работать в необычных режимах температур, могут использоваться натрий, ртуть, жидкий гелий или серебро. Главное требование к теплоносителю: это должно быть чистое в химическом смысле вещество или соединение, которое способно выступать как в жидкой, так и в паровой фазе, а также обладать смачивающим эффектом.

Тепловые трубы получили широкое распространение не только в системах отопления домов, но также в технологических схемах охлаждения компонентов современных компьютеров (процессоров, видеокарт). Преимущество тепловой трубы в данном случае определяется тем, что появляется возможность снять с кристалла малой площади максимум тепла и рассеять его на радиаторе с большим числом ребер.

видео-инструкция по монтажу своими руками, особенности изделий для отопления, принцип действия, цена, фото





Для наиболее эффективной передачи энергии от теплоносителя к потребителю применяют тепловые трубы. Они позволяют транспортировать разные виды теплоносителя с наименьшими потерями температуры. В данной статье мы подробней рассмотрим особенности этих устройств и область их применения.

Тепловая трубка

Тепловая трубка

Особенности тепловой трубы

Принцип действия

Принцип действия тепловых труб состоит в том, что передача энергии происходит за счет испарения и дальнейшей конденсации жидкости. Чтобы понять, как это происходит на практике, надо представить замкнутую емкость, выполненную из металла с хорошей теплопроводностью и заполненную некоторым количеством воды.

Процессы передачи тепла выглядят в ней следующим образом:

  • При нагреве одной части емкости, вода в ней превратится в пар.
  • Покидая жидкость, водяные пары попадают на охлажденную поверхность, в результате чего пар вновь переходит в жидкое состояние и стекает на прежнее место. При этом большое количество тепловой энергии отводится через стенки металлического резервуара.
  • Остывшая вода опять нагревается и процесс повторяется.

Такая конструкция называется термосифоном. Она хоть и не является тепловой трубкой, однако, принцип работы тот же.

Обратите внимание!
Термосифон может работать как положено только в том случае, если его зона конденсации расположена выше зоны испарения.
Это обеспечивает возвращение конденсата на место нагрева.

Конструкция термосифона

Конструкция термосифона

Тепловая труба Гровера

Простейшая конструкция тепловой трубы выглядит следующим образом:

КорпусОбязательно должен быть выполнен из материала, который хорошо проводит тепло. Кроме того, важным требованием к корпусу является его прочность, чтобы он мог обеспечить надежную герметичность.В качестве материала для него обычно используют всевозможные сплавы различных металлов, а также керамику или стекло для труб. От типа корпуса может зависеть цена изделия.
Рабочая средаПредставляет собой жидкое вещество (теплоноситель), способное при рабочей температуре переходить в газообразное состояние.
ФитильТвердый материал с порами, сквозь которые жидкость по капиллярам перемещается из одной части трубы в другую.

Вышеописанное устройство называют тепловой трубой Гровера. Этот ученый в 1963 году усовершенствовал конструкцию термосифона, в которой жидкость стекала самотеком. В тепловой трубе Гровера жидкость перемещается капиллярным способом.

Конструкция тепловой трубки Гровера

Конструкция тепловой трубки Гровера

Чтобы данная система функционировала, к рабочей жидкости выдвигаются следующие требования:

  • Точка перехода «жидкость-пар» должна находиться в диапазоне температур, в котором работает устройство.
  • Жидкость не должна подвергаться температурному разложению.
  • Материал фитиля и корпус трубы должны смачиваться жидкостью.

В качестве рабочих жидкостей могут применяться различные вещества в жидкой фазе:

  • Аммиак;
  • Сжиженный гелий;
  • Ацетон;
  • Вода;
  • Ртуть;
  • Серебро;
  • Натрий.

Что касается фитиля, то, как уже было сказано выше, данный элемент обеспечивает перемещение жидкости под действием капиллярных сил. Основное требование к этому материалу – обеспечение равномерного движения рабочей жидкости по капиллярам.

На фото – тепловая трубка Гровера в разрезе

На фото – тепловая трубка Гровера в разрезе

Чаще всего в качестве фитиля применяют:

  • Металлические сетки;
  • Металлические войлоки;
  • Металлические стеки;
  • Ткани саржевого плетения и пр.

На первый взгляд может показаться, что данное устройство довольно простое, однако, его технический расчет могут выполнить только специалисты. Дело в том, что для эффективной его работы необходимо правильно подобрать материал, его рабочие характеристики и размеры. Поэтому выполнить тепловые трубки своими руками вряд ли получится, а вот тепловой сифон можно сделать и самостоятельно.

Передача тепловой энергии в таких устройствах может осуществляться несколькими способами:

  • При помощи открытого огня;
  • При непосредственном контакте с нагретым веществом;
  • Электрическим током;
  • Инфракрасным излучением.

Обратите внимание!
Единственной величиной, лимитирующей тепловую мощность устройства, является тепловая стойкость его корпуса.

Надо сказать, что функции тепловых трубок Гровера довольно разнообразны, однако основной их задачей является передача тепловой энергии из одной части трубы в другую. Что касается температуры рабочей среды, то инструкция по их применению допускает диапазон от нуля градусов по Цельсию до тысяч градусов.

Схема устройства контурной трубы

Схема устройства контурной трубы

Контурные тепловые трубки

С развитием технологий, тепловые трубы Гровера были усовершенствованы – на смену фитилю пришли специальные контурные трубки.

Достоинством такой конструкции является:

  • Надежность в работе;
  • Простота;
  • Более высокий уровень теплопередачи;
  • Хорошая адаптация к разным условиям эксплуатации;
  • Долговечность;
  • Рабочие характеристики сохраняются при любом пространственном положении, благодаря чему устанавливается такая тепловая труба своими руками без каких-либо сложностей.

По сути, контуры являются такими же капиллярами, но обладают большими размерами. В результате их качеств относительно передачи тепла, трубки являются сверхпроводниками тепловой энергии.

Тепловые трубки в системе охлаждения ПК

Тепловые трубки в системе охлаждения ПК

Область применения современных тепловых труб

Сфера применения тепловых труб довольно обширна:

  • Передача тепла с минимальными затратами различным объектам и зданиям.
  • На основе тепловых трубок выполнены многие системы охлаждения, в том числе и холодильники.
  • Отвод тепла в различных устройствах микроэлектроники, в частности, тепловые трубы зачастую применяются в ПК.
  • Медицина.
  • Космическая промышленность.
  • Комплектация термостатов и прочих аналогичных по назначению устройств.
  • Строительство в условиях вечной мерзлоты.
  • В сельском хозяйстве, при обеспечении теплом парников и т.д.
  • Данное устройство является обязательной деталью тепловых выключателей и диодов.
  • Также может использоваться тепловая труба для отопления жилых и производственных помещений.

Применение тепловых трубок в энергетике

Применение тепловых трубок в энергетике

Надо сказать, что характеристики современных тепловых труб довольно впечатляющие:

Диапазон температур работыОт 4 до 2300 К
Мощность теплопередачиДо 20 кВт на квадратный сантиметр
Ресурс работыБолее 20 тысяч часов.

Вот, пожалуй, все основные моменты, которые можно вкратце рассказать о тепловых трубах. (См. также статью Разводка труб отопления: особенности.)

Вывод

Из видео в этой статье можно получить дополнительную информацию по данной теме. Также отметим, что тепловые трубы получили широкое распространение в современном производстве, системах отопления и многих других отраслях. Это связано с конструктивными особенностями изделий, которые обеспечивают эффективную транспортировку рабочих жидкостей, с высоким коэффициентом полезного действия.

Тепловая трубка — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Теплова́я тру́бка, теплотру́бка (англ. heat pipe) — элемент системы охлаждения, принцип работы которого основан на том, что в закрытых трубках из теплопроводящего металла (например, меди) находится легкокипящая жидкость. Перенос тепла происходит за счёт того, что жидкость испаряется на горячем конце трубки, поглощая теплоту испарения, и конденсируется на холодном, откуда перемещается обратно на горячий конец.

Тепловые трубки бывают двух видов: гладкостенные и с пористым покрытием изнутри. В гладкостенных трубках сконденсировавшаяся жидкость возвращается в зону испарения под действием исключительно силы тяжести — иными словами, такая трубка будет работать только в положении, когда зона конденсации находится выше зоны испарения, а жидкость имеет возможность стекать в зону испарения. Тепловые трубки с наполнителем (фитилями, керамикой и т. п.) могут работать практически в любом положении, поскольку жидкость возвращается в зону испарения по его порам под действием капиллярных сил, а сила тяжести в этом процессе играет незначительную роль.

Материалы и хладагенты для тепловых трубок выбираются в зависимости от условий применения: от жидкого гелия для сверхнизких температур до ртути и даже индия для высокотемпературных применений. Однако большинство современных трубок в качестве рабочей жидкости используют аммиак, воду, метанол и этанол.

Применение

Устройство тепловой трубки
Системы охлаждения на тепловых трубках в ноутбуке
Сечение тепловой трубки ноутбука

Основной принцип работы тепловых трубок с использованием гравитации (т. н. двухфазные термосифоны) датируется веком пара. Современные концепции с использованием капиллярного эффекта в тепловых трубках предложены R.S. Gaugler из General Motors в 1942 г. (патент US2448261A[1])[2]. Преимущества капиллярных систем были также независимо проработаны и продемонстрированы Джорджом Грувером (George Grover) из Лос-Аламосской национальной лаборатории в 1963 году и впоследствии опубликованы в Journal of Applied Physics.

Сейчас широко используются в современных компьютерных системах, для охлаждения ЦПУ, чипсетов и т. п. в компьютерах и ноутбуках, являясь, наряду с испарительными камерами и СЖО, одним из наиболее эффективных методов теплопереноса от компактного источника тепла к радиатору с развитой поверхностью. Иногда также применяются в составе смартфонов для перераспределения тепла.

Также тепловые трубки используются в мощных светодиодных лампах. Широко применяются в космической технике.

Применяются в солнечной энергетике, для повышения эффективности нагрева воды в солнечных коллекторах.

Ограничения

Имеют узкий эффективный диапазон использования. При превышении расчетной температуры вся охлаждающая жидкость может перейти в пар, что приведет к катастрофическому снижению теплопроводности трубки (до 1/80). И наоборот, при недостаточной температуре жидкость плохо испаряется.

Примечания

См. также

Ссылки

Тепловая трубка — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Теплова́я тру́бка, теплотру́бка (англ. heat pipe) — элемент системы охлаждения, принцип работы которого основан на том, что в закрытых трубках из теплопроводящего металла (например, меди) находится легкокипящая жидкость. Перенос тепла происходит за счёт того, что жидкость испаряется на горячем конце трубки, поглощая теплоту испарения, и конденсируется на холодном, откуда перемещается обратно на горячий конец.

Тепловые трубки бывают двух видов: гладкостенные и с пористым покрытием изнутри. В гладкостенных трубках сконденсировавшаяся жидкость возвращается в зону испарения под действием исключительно силы тяжести — иными словами, такая трубка будет работать только в положении, когда зона конденсации находится выше зоны испарения, а жидкость имеет возможность стекать в зону испарения. Тепловые трубки с наполнителем (фитилями, керамикой и т. п.) могут работать практически в любом положении, поскольку жидкость возвращается в зону испарения по его порам под действием капиллярных сил, а сила тяжести в этом процессе играет незначительную роль.

Материалы и хладагенты для тепловых трубок выбираются в зависимости от условий применения: от жидкого гелия для сверхнизких температур до ртути и даже индия для высокотемпературных применений. Однако большинство современных трубок в качестве рабочей жидкости используют аммиак, воду, метанол и этанол.

Применение

Устройство тепловой трубки
Системы охлаждения на тепловых трубках в ноутбуке
Сечение тепловой трубки ноутбука

Основной принцип работы тепловых трубок с использованием гравитации (т. н. двухфазные термосифоны) датируется веком пара. Современные концепции с использованием капиллярного эффекта в тепловых трубках предложены R.S. Gaugler из General Motors в 1942 г. (патент US2448261A[1])[2]. Преимущества капиллярных систем были также независимо проработаны и продемонстрированы Джорджом Грувером (George Grover) из Лос-Аламосской национальной лаборатории в 1963 году и впоследствии опубликованы в Journal of Applied Physics.

Сейчас широко используются в современных компьютерных системах, для охлаждения ЦПУ, чипсетов и т. п. в компьютерах и ноутбуках, являясь, наряду с испарительными камерами и СЖО, одним из наиболее эффективных методов теплопереноса от компактного источника тепла к радиатору с развитой поверхностью. Иногда также применяются в составе смартфонов для перераспределения тепла.

Также тепловые трубки используются в мощных светодиодных лампах. Широко применяются в космической технике.

Применяются в солнечной энергетике, для повышения эффективности нагрева воды в солнечных коллекторах.

Ограничения

Имеют узкий эффективный диапазон использования. При превышении расчетной температуры вся охлаждающая жидкость может перейти в пар, что приведет к катастрофическому снижению теплопроводности трубки (до 1/80). И наоборот, при недостаточной температуре жидкость плохо испаряется.

Примечания

См. также

Ссылки

Тепловые трубки для управления температурным режимом

  • Дом
  • Блог
  • О компании
    • Что мы делаем
    • Новости
    • События
    • Отзывы клиентов
    • Наша команда
    • Объект
    • Качество
    • Туристическая информация
    • ACT Социальная ответственность
    • Карьера: мы нанимаем!
  • Связаться
    • Связаться с ACT
    • Найди своего представителя
  • Звоните: 717.295.6061

  • Звоните: 717.295.6061

Связаться с инженером

Advance Cooling Technologies
Усовершенствованные технологии охлаждения

Advance Cooling Technologies

  • Дом
  • О компании
    • Назад
    • Что мы делаем
    • Блог
    • Новости
    • События
    • Отзывы клиентов
    • Наша команда
    • Объект
    • Качество
    • Корпоративная социальная ответственность
    • Карьера: мы нанимаем!
  • Связаться
    • Назад
    • Найти представителя
  • Рынки
    • Назад
    • Авиация
    • Охлаждение электроники
    • Охлаждение корпуса
      • Назад
      • Заказать онлайн
      • Инструмент выбора
    • Рекуперация энергии HVAC
    • Обработка материалов
    • Медицинский
    • Военный
      • Назад
      • Оружие направленной энергии
    • Фотоника
    • Силовая электроника
    • Солнечная
    • Тепловой контроль космического корабля
    • Калибровка и контроль температуры
    • Транспорт
  • Продукты
    • Назад
    • Тепловые трубки для управления температурным режимом
      • Назад
      • Узлы тепловых труб
      • Пластины HiK ™
      • Узлы паровой камеры
    • Двухфазные системы охлаждения с насосом
    • Радиаторы PCM
    • Продукты для контроля температуры космических аппаратов
      • Назад
      • Тепловые трубки постоянной проводимости
      • Тепловые трубки с переменной проводимостью
      • Контурные тепловые трубки
      • Медные / водяные тепловые трубы
      • Аккумулятор для гидравлических систем
    • Охладители герметичных корпусов
      • Назад
      • Охладители радиатора ACT-HSC
      • Охладители с тепловыми трубками ACT-HPC
      • Малошумящие охладители ACT-LNC
      • Термоэлектрические кондиционеры ACT-TEC
      • Заказать онлайн
      • Инструмент выбора
    • Теплообменники HVAC
      • Задний
      • Теплообменник с воздушно-воздушной трубкой
      • Теплообменник с тепловыми трубками с улучшенным осушением и обертыванием
      • Пассивно-сплит-система теплообменников
      • Вентилятор с пассивной тепловой трубкой (HRV)
      • Тепловой пассивный клапан ACT
    • Петлевой термосифон
    • Теплотехнические услуги
    • ICE-Lok ™ с усиленной термической обработкой Wedgelock
    • Жидкие холодные тарелки — на заказ
    • Вкладыши печи и полости черного тела
      • Назад
      • Изотермические футеровки для сверхвысокотемпературных печей (IFL) для ячеек точки замерзания меди
      • IFL Системы для обработки материалов
      • Печь с тепловыми трубками с регулируемым давлением
      • Полость черного тела с тепловой трубкой
    • Тепловые, жидкостные и механические системы на заказ
      • Назад
      • Индивидуальные однофазные системы охлаждения
      • Испытательная система имитации горения для оценки защитной одежды вблизи реактивных двигателей
      • Испытательная система воспламенения от горячей поверхности (HSI) для оценки воспламеняемости
      • Термооптическая тестовая система для управления температурным режимом лазерных диодов
      • Калибровочная печь с тепловыми трубками с регулируемым давлением
      • Испытательная система для моделирования контура жидкости модуля ISS JEMS
      • Индивидуальные испытательные системы для однофазных жидкостных холодных пластин
      • Двухфазные испытательные системы с насосом на заказ
  • НИОКР
    • Назад
    • Усовершенствованные тепловые трубки и контурные тепловые трубки
      • Назад
      • Тепловые трубки средней температуры
      • Высокотемпературные тепловые трубки
      • Петли с тепловыми трубками
      • Испытания на срок службы тепловых труб
    • Расширенные вычислительные методы и моделирование
      • Назад
      • Расширенный CFD для реактивных потоков
      • Ab-Initio и методы молекулярной динамики
      • Методы реактивной молекулярной динамики
      • Бессеточное моделирование на основе перидинамики

.

Как работает технология тепловых труб и ее применение

  • Дом
  • Блог
  • О компании
    • Что мы делаем
    • Новости
    • События
    • Отзывы клиентов
    • Наша команда
    • Объект
    • Качество
    • Туристическая информация
    • ACT Социальная ответственность
    • Карьера: мы нанимаем!
  • Связаться
    • Связаться с ACT
    • Найди своего представителя
  • Звоните: 717.295.6061

  • Звоните: 717.295.6061

Связаться с инженером

Advance Cooling Technologies
Усовершенствованные технологии охлаждения

Advance Cooling Technologies

  • Дом
  • О компании
    • Назад
    • Что мы делаем
    • Блог
    • Новости
    • События
    • Отзывы клиентов
    • Наша команда
    • Объект
    • Качество
    • Корпоративная социальная ответственность
    • Карьера: мы нанимаем!
  • Связаться
    • Назад
    • Найти представителя
  • Рынки
    • Назад
    • Авиация
    • Охлаждение электроники
    • Охлаждение корпуса
      • Назад
      • Заказать онлайн
      • Инструмент выбора
    • Рекуперация энергии HVAC
    • Обработка материалов
    • Медицинский
    • Военный
      • Назад
      • Оружие направленной энергии
    • Фотоника
    • Силовая электроника
    • Солнечная
    • Тепловой контроль космического корабля
    • Калибровка и контроль температуры
    • Транспорт
  • Продукты
    • Назад
    • Тепловые трубки для управления температурным режимом
      • Назад
      • Узлы тепловых труб
      • Пластины HiK ™
      • Узлы паровой камеры
    • Двухфазные системы охлаждения с насосом
    • Радиаторы PCM
    • Продукты для контроля температуры космических аппаратов
      • Назад
      • Тепловые трубки постоянной проводимости
      • Тепловые трубки с переменной проводимостью
      • Контурные тепловые трубки
      • Медные / водяные тепловые трубы
      • Аккумулятор для гидравлических систем
    • Охладители герметичных корпусов
      • Назад
      • Охладители радиатора ACT-HSC
      • Охладители с тепловыми трубками ACT-HPC
      • Малошумящие охладители ACT-LNC
      • Термоэлектрические кондиционеры ACT-TEC
      • Заказать онлайн
      • Инструмент выбора
    • Теплообменники HVAC
      • Задний
      • Теплообменник с воздушно-воздушной трубкой
      • Теплообменник с тепловыми трубками с улучшенным осушением и обертыванием
      • Пассивно-сплит-система теплообменников
      • Вентилятор с пассивной тепловой трубкой (HRV)
      • Тепловой пассивный клапан ACT
    • Петлевой термосифон
    • Теплотехнические услуги
    • ICE-Lok ™ с усиленной термической обработкой Wedgelock
    • Жидкие холодные тарелки — на заказ
    • Вкладыши печи и полости черного тела
      • Назад
      • Изотермические футеровки для сверхвысокотемпературных печей (IFL) для ячеек точки замерзания меди
      • IFL Системы для обработки материалов
      • Печь с тепловыми трубками с регулируемым давлением
      • Полость черного тела с тепловой трубкой
    • Тепловые, жидкостные и механические системы на заказ
      • Назад
      • Индивидуальные однофазные системы охлаждения
      • Испытательная система имитации горения для оценки защитной одежды вблизи реактивных двигателей
      • Испытательная система воспламенения от горячей поверхности (HSI) для оценки воспламеняемости
      • Термооптическая тестовая система для управления температурным режимом лазерных диодов
      • Калибровочная печь с тепловыми трубками с регулируемым давлением
      • Испытательная система для моделирования контура жидкости модуля ISS JEMS
      • Индивидуальные испытательные системы для однофазных жидкостных холодных пластин
      • Двухфазные испытательные системы с насосом на заказ
  • НИОКР
    • Назад
    • Усовершенствованные тепловые трубки и контурные тепловые трубки
      • Назад
      • Тепловые трубки средней температуры
      • Высокотемпературные тепловые трубки
      • Петли с тепловыми трубками
      • Испытания на срок службы тепловых труб
    • Расширенные вычислительные методы и моделирование
      • Назад
      • Расширенный CFD для реактивных потоков
      • Ab-Initio и методы молекулярной динамики
      • Методы реактивной молекулярной динамики
      • Бессеточное моделирование на основе перидинамики
    • Технология теплообменников
    • Горючее и синтетическое топливо
      • Назад

.

Тепловые трубки и технологии теплопередачи с фазовым переходом для охлаждения электроники

1. Введение

Эффективная технология охлаждения — важнейшее требование для надежной работы электронных компонентов. Способы охлаждения электроники можно иерархически разделить на охлаждение на уровне микросхемы, охлаждение на уровне корпуса и охлаждение на уровне системы, в зависимости от геометрического масштаба. При охлаждении на уровне корпуса или системы охлаждающие модули, такие как радиаторы и тепловые трубки, широко используются для эффективного рассеивания тепла, а также для равномерного распределения температуры.В частности, в последнее время резко возросло использование тепловых трубок для охлаждения электроники, поскольку тепловая трубка представляет собой привлекательную схему пассивного охлаждения, которая может предложить высокую эффективную теплопроводность и большую способность к теплопередаче. Как показано на Рисунке 1, тепловые трубки традиционно использовались для ПК, ноутбуков, телекоммуникационных устройств, солнечных коллекторов, небольших энергетических систем, таких как геотермальные трубы и спутники. В последнее время тепловая трубка применяется даже для смартфонов, автомобильных фар, газовых горелок, светодиодных продуктов и сельскохозяйственных систем, как показано на рисунке 2.

Рис. 1.

Применения с тепловыми трубками.

Тепловая трубка — это тепловой сверхпроводник, теплопроводность которого составляет несколько тысяч ватт на метр-Кельвин. Благодаря чрезвычайно высокой эффективной теплопроводности тепловая трубка может обрабатывать большой объем теплопередачи с незначительным перепадом температуры. Кроме того, тепловая трубка представляет собой модуль пассивного охлаждения, который не требует потребления энергии или движущихся частей. В буквальном смысле тепловая трубка — это, по всей видимости, просто труба без каких-либо принадлежностей для ее эксплуатации.Кроме того, форма тепловой трубы не обязательно должна быть цилиндрической, но она может иметь различные формы, такие как диски, плоские пластины и профили. Благодаря этим характеристикам тепловая трубка рассматривается как окончательный кандидат для решения тепловой проблемы параллельной полупроводниковой промышленности с высокой плотностью мощности, которая включает солнечные элементы, светодиоды, усилители мощности, лазеры, а также электронные устройства.

Рисунок 2.

Недавние приложения.

Рисунок 3.

Превосходство тепловых трубок над другими теплопроводными материалами.

Рисунок 3 наглядно демонстрирует превосходство тепловой трубки. Качество модуля теплопередачи характеризуется эффективной теплопроводностью ( k eff ) или тепловым сопротивлением ( R th ) модуля. Например, типичное значение эффективной теплопроводности теплопроводности медь-водяной тепловой трубы длиной 0,5 м и диаметром 1/2 дюйма составляет около 10 000 Вт / мК, что намного больше, чем у теплопроводных металлов, таких как медь ( ~ 377 Вт / мК) или алюминия (~ 169 Вт / мК).Это приводит к очень низкому тепловому сопротивлению (~ 0,3 К / Вт), что указывает на низкий перепад температуры по отношению к данной тепловой нагрузке. При подаче тепла 20 Вт эта тепловая трубка будет давать разницу температур между источником и поглотителем тепла в 6 ° C, тогда как металлические стержни с той же геометрией имеют 206 ° C и 460 ° C для меди и алюминия соответственно. При условии, что температура окружающего воздуха 20 ° C, температура чипа составляет всего 26 ° C, что позволяет разработчикам легко находить правдоподобное и интересное тепловое решение.

В этой главе рассматриваются общие аспекты тепловых трубок для охлаждения электроники. Содержание охватывает принцип работы тепловых трубок, методы проектирования и анализа, компоненты и структуру тепловых трубок, реализацию в охлаждении электроники, характеристики и теории, а также процесс проектирования и производства.

2. Принцип работы

2.1. Введение в принцип работы

Рисунок 4.

Принцип работы тепловой трубы.

Принцип работы тепловой трубы представлен на Рисунке 4.Тепловая трубка состоит из металлической оболочки, фитиля и рабочего тела. Фитиль представляет собой микропористую структуру из металла, прикрепленную к внутренней поверхности конверта. Рабочее тело находится в пустоте внутри фитиля. Когда тепло подводится к испарителю от внешнего источника тепла, поданное тепло испаряет рабочую жидкость в тепловой трубе. Образующийся пар рабочей жидкости повышает давление и приводит к перепаду давления в осевом направлении. Разница давлений перемещает пар из испарителя в конденсатор, где он конденсируется, выделяя скрытую теплоту парообразования в радиатор.Между тем, истощение жидкости из-за испарения в испарителе заставляет поверхность раздела жидкость-пар попадать на поверхность фитиля, и, таким образом, там создается капиллярное давление. Это капиллярное давление перекачивает конденсированную жидкость обратно в испаритель для повторного испарения рабочей жидкости. Точно так же рабочая жидкость циркулирует в замкнутом контуре внутри оболочки, в то время как испарение и конденсация одновременно имеют место для поглощения и рассеивания тепла соответственно. Высокие тепловые характеристики тепловой трубы обусловлены скрытой теплотой парообразования, которая обычно составляет миллионы Джоулей на 1 кг жидкости.

2.2. Фитиль для тепловой трубки

Течение в фитиле происходит за счет того же механизма, что и всасывание воды губкой. Микроразмерные поры в губке (или фитиле) могут должным образом образовывать мениск на границах раздела жидкость-пар, и это дает градиент капиллярного давления и результирующее движение жидкости. Следует отметить, что фитиль обеспечивает капиллярную перекачку рабочей жидкости, которая должна непрерывно подаваться для работы тепловой трубы, а также протока рабочей жидкости.Кроме того, фитиль также действует как путь теплового потока, поскольку приложенное тепло передается рабочей жидкости через оболочку и фитиль. Следовательно, тепловые характеристики тепловой трубки сильно зависят от конструкции фитиля.

Рис. 5.

Типичные фитильные конструкции.

В связи с этим для улучшения тепловых характеристик тепловых труб используются различные типы фитильных конструкций. На рисунке 5 показаны три типичных типа фитильных структур: фитиль с сетчатым экраном (его также часто называют волокнистой сеткой или обернутым экраном), фитиль с канавками и фитиль из спеченных частиц (или спеченного порошка).Фитиль с сетчатым экраном является наиболее распространенной фитильной конструкцией, которая изготавливается из обернутого тканью металлической проволоки. Фитиль с канавками использует осевые канавки, вырезанные непосредственно на внутренней поверхности оболочки, в качестве канала потока. Фитиль из спеченных частиц состоит из слегка сплавляемых в процессе спекания мелких металлических частиц. Основные характеристики вышеупомянутых типов фитилей показаны на рисунке 6. Фитиль с сетчатым экраном может иметь высокое капиллярное давление и умеренную проницаемость, поскольку можно контролировать множество пор на единицу длины и герметичность конструкции, где проницаемость является мерой способности пористой среды для передачи жидкости через себя при заданном перепаде давления следующим образом:

Рисунок 6.

Характеристики фитильных конструкций.

, где K — проницаемость, U — средняя скорость потока внутри пористой среды, μ — вязкость, а d P / d x — приложенный градиент давления.

Однако эффективная теплопроводность мала, поскольку экраны термически не связаны друг с другом. В случае фитиля с рифлением эффективная теплопроводность высока из-за прочного теплового пути.Он имеет дополнительное преимущество, заключающееся в том, что широкий и прямой (не извилистый) путь потока может обеспечить высокую проницаемость. Однако капиллярное давление сильно ограничено из-за того, что масштаб канавок, которые обрабатываются посредством процесса экструзии, не может быть уменьшен за пределы нескольких десятков микрометров. Следует отметить, что максимальное развивающееся капиллярное давление обратно пропорционально характерной длине поровой структуры. С другой стороны, фитиль из спеченных частиц имеет высокое капиллярное давление, а также эффективную теплопроводность от умеренной до высокой из-за регулируемого размера частиц и плавного контакта между частицами.Однако проницаемость фитиля из спеченных частиц относительно низкая из-за узкого и извилистого пути потока. Как показано, у данного типа фитиля есть свои плюсы и минусы. Поэтому дизайнеры выбирают тип фитиля в соответствии с соответствующими подходящими приложениями.

3. Тепловые характеристики

3.1. Различные механизмы

Рис. 7.

Ограничения производительности в зависимости от температуры.

В случае других охлаждающих модулей нет «ограничения» теплопередачи, подразумевая, что увеличение скорости теплопередачи просто приводит к увеличению перепада температуры и ухудшению ситуации.Напротив, существует определенное ограничение тепловых характеристик тепловой трубы, выше которого скорость теплопередачи не может быть увеличена для надежной работы. Тепловые характеристики тепловой трубы ограничиваются одним из различных механизмов в зависимости от диапазона рабочих температур и геометрии тепловой трубы. Предел вязкости обычно возникает во время нестационарного пуска при низкой температуре, когда падение внутреннего давления недостаточно велико для перемещения пара по тепловой трубе. Звуковой предел также обычно имеет место во время нестационарного пуска при низкой температуре, когда режим дросселирования потока достигается при звуковой скорости пара.Предел капиллярности связан со способностью фитиля перемещать жидкость через необходимый перепад давления. Это происходит, когда скорость циркуляции рабочей жидкости увеличивается так, что перепад давления на всем пути потока достигает развиваемого капиллярного давления. Когда происходит капиллярный предел, в испарителе происходит высыхание, в то время как испаряется больше жидкости, чем может быть подано за счет капиллярного действия фитиля. Предел увлечения относится к границе раздела жидкость – пар, где встречаются встречные потоки двух фаз.В некоторых случаях сопротивление, создаваемое паром возвращающейся жидкости, может быть достаточно большим, чтобы уносить поток конденсата в фитиль, что приводит к высыханию. Известно, что предел кипения возникает, когда зарождение пузырьков инициируется в секции испарителя. Пузырь обычно не может легко вырваться из фитиля с порами микроскопического размера и эффективно предотвратить попадание жидкости на нагретую поверхность, что, в свою очередь, приводит к выгоранию. Известно, что тепловой поток от выгорания обычно составляет от 20 до 30 Вт / см 2 для фитилей из спеченных частиц.

Рисунок 8.

Предел капиллярности и предел кипения.

На рис. 7 показана теплоемкость тепловой трубы (медь – вода, диаметр 1 см, длина 30 см), определяемая различными ограничивающими механизмами по температуре. Как показано на этом рисунке, предел вязкости, предел звука и предел уноса не играют важной роли в определении теплоемкости тепловой трубы, если только температура не очень низкая (<-20 ° C). Тепловые трубы, работающие при температуре выше атмосферной, практически регулируются только пределом капиллярности или пределом кипения, как показано на рисунке 7.Существует хороший метод различения этих двух ограничений (см. Рисунок 8). Капиллярный предел возникает, когда поток жидкости в осевом направлении не может обеспечить скорость испарения из-за ограниченного капиллярного давления. Предел кипения возникает, когда пузырек препятствует потоку жидкости на нагретую поверхность. Другими словами, предел капиллярности представлен пределом осевого (или бокового) переноса жидкости, тогда как предел кипения представлен пределом радиального (или вертикального) переноса жидкости.Следует отметить, что в тепловой трубе ограничение на перенос жидкости представляет собой предел теплопередачи, поскольку скорость теплопередачи задается как произведение коэффициента скрытой теплоты и массового расхода рабочей жидкости. В этом отношении предел кипения становится доминирующим, когда эффективная длина тепловой трубы относительно мала, и наоборот. Предел кипения также становится важным при высокой рабочей температуре, потому что образование пузырьков более вероятно при сильном перегреве.Следующие два подраздела будут посвящены моделям капиллярного предела и предела кипения соответственно.

3.2. Предел капилляров

Предел капилляров также называется пределом капиллярности. Как уже упоминалось, капиллярный предел возникает, когда поток жидкости в осевом направлении не может обеспечить скорость испарения. Такая ситуация возникает при условии, что перепад давления на всем пути потока равен развиваемому капиллярному давлению. Падение давления рабочей жидкости складывается из перепада давления в проточном тракте (Δ P l ), в проточном тракте пара (Δ P v ), дополнительного перепада давления, создаваемого противотоком на фазовая граница (Δ P l v ), а также падение гравитационного давления (Δ P g ).Таким образом, условие капиллярного ограничения описывается следующим уравнением:

ΔPc = ΔPl + ΔPl − v + ΔPv + ΔPgE2

, где Δ P c — перепад капиллярного давления между секциями испарителя и конденсатора. Как правило, перепад давления пара (Δ P v ) и перепад межфазного давления (Δ P l – v ) пренебрежимо мал по сравнению с другими; Таким образом, уравнение сводится к следующему:

2σReff = μlLeffKAwρlm.+ ρlgLeffsinϕE3

, где левая часть представляет Δ P c , первый член в правой части равен Δ P l , а второй член соответствует Δ P г . В этом уравнении σ — коэффициент поверхностного натяжения, R eff — эффективный радиус пор фитильной структуры, μ l — вязкость рабочей жидкости, L eff — эффективная длина тепловой трубы, K, — проницаемость, A w — площадь поперечного сечения фитиля, ρ l — плотность рабочей жидкости, м.- массовый расход, г, — гравитационная постоянная, а φ, — угол ориентации относительно горизонтальной плоскости. Теплопроводность тепловой трубы прямо пропорциональна массовому расходу рабочей жидкости:

, где h fg — коэффициент скрытой теплоты рабочего тела. Объединение уравнений (3) и (4) дает следующее уравнение для капиллярного предела:

Qmax = KAwhfgρlμlLeff2σReff − ρgLeffsinϕE5

Следует подчеркнуть, что K и R eff связаны с микроструктурой фитиля; h fg , σ , μ l и ρ l — свойства жидкости; и L eff и A w представляют макроскопическую геометрию тепловой трубы.Когда гравитационной силой можно пренебречь, уравнение (5) можно переписать, и каждый тип параметров можно выделить как независимый член следующим образом:

Qmax = 2σhfgρlμlAwLeffKReffE6

Рисунок 9.

Значения K и Reff для типичных фитильных структур.

Первый абзацный термин представляет собой комбинацию свойств жидкости, предполагая, что капиллярный предел тепловой трубы пропорционален этому термину. Этот термин называется добротностью рабочего тела. Второй абзацный термин относится к макроскопической геометрии тепловой трубы.Последний термин относится к микроструктуре фитиля, поэтому в отношении конструкции фитиля мы должны максимально использовать этот термин. Этот термин часто называют капиллярной характеристикой фитиля. Проницаемость K, пропорциональна характеристической длине поры, тогда как R eff обратно пропорциональна размеру поры. Следовательно, соотношение между K и R eff позволяет найти компромисс между этими двумя конкурирующими эффектами. Значения K и R eff для репрезентативной структуры фитиля показаны на рисунке 9.

3.3. Предел кипения

Что касается предела кипения, постулируется, что предел кипения наступает, как только начинается зарождение пузырьков. Начало пузырькового кипения внутри фитиля рассматривалось как механизм отказа, и его избегали. На основе этого постулата широко использовалась следующая корреляция для прогнозирования предела кипения [1]:

Qmax = 2πLekeTvhfgρvlnri / rv2σrb − PcE7

, где L e — длина испарителя, k e — эффективная теплопроводность фитиля, T v — температура парового ядра, h fg — скрытая теплота, ρ v — плотность пара, r v — радиус паровой сердцевины, r i — радиус внешнего круга, включая толщину фитиля, и σ — коэффициент поверхностного натяжения.В уравнении (7) важными конструктивными параметрами, связанными с микроструктурой фитиля, являются r b и P c , которые представляют собой радиус пузырька и капиллярное давление соответственно. Несмотря на то, что уравнение (7) является простым и в замкнутой форме, трудно реализовать это уравнение, в котором эти параметры являются довольно произвольными, и, таким образом, трудно точно предсказать эти значения. Для точного определения r b и P c необходимо провести дополнительный эксперимент [1].Существует еще одна фундаментальная проблема, при которой пузырьковое кипение внутри фитиля не обязательно представляет собой предел теплопередачи, если пузырьки не могут выйти из фитиля, как указывали несколько исследователей [2]. Действительно, согласно литературным источникам пузырьковое кипение не может останавливать или замедлять капиллярный поток в пористой среде. Некоторые исследователи даже настаивали на том, что пузырьковое кипение в фитилях тепловых труб с умеренной температурой не только допустимо, но также может привести к повышению производительности за счет значительного увеличения коэффициента теплопередачи по сравнению с моделью теплопроводности и, следовательно, снижения перепада температуры фитиля [3].Следовательно, необходимо пролить новый свет на модель предела кипения. Как показано в уравнении (6), ключевыми параметрами для ограничения капиллярности являются K и R eff . Уравнение (7) показывает, что ключевым параметром для предела кипения является k e , без учета влияния проницаемости. Недавно было показано, что предел кипения не достигается при пузырьковом кипении, если паровой пузырь может эффективно выходить из фитиля [4]. Это говорит о том, что K также является важным параметром для предела кипения.

4. Конструкции тепловых труб

4.1. Процедура проектирования тепловой трубы

Процедура расчета тепловой трубы выглядит следующим образом:

  1. выбор рабочей жидкости,

  2. выбор типа фитиля,

  3. выбор материала контейнера,

  4. определение диаметра,

  5. определение толщины,

  6. конструкция фитиля и

  7. конструкция теплоотвода и интерфейса источника.

Каждой процедуре будут посвящены следующие подразделы.

4.2. Выбор рабочего тела

Первым шагом при проектировании тепловой трубы является выбор рабочего тела в соответствии с рабочей температурой тепловой трубы. Каждая жидкость имеет свой профиль давления пара в зависимости от температуры. Давление пара увеличивается с увеличением температуры, и когда давление пара достигает давления окружающей среды, происходит кипение. Тепловая трубка предназначена для работы почти при температуре кипения для облегчения скорости теплопередачи, связанной со скрытой теплотой.Поэтому рабочую жидкость следует выбирать с учетом рабочей температуры тепловой трубы. Различные виды рабочих жидкостей, их диапазоны рабочих температур и соответствующие внутренние давления показаны на рисунке 10. В случае водяной тепловой трубы, работающей при комнатной температуре, внутреннее давление тепловой трубы обычно устанавливается равным приблизительно 0,03 бара для максимизируя тепловые характеристики. Когда рабочая температура составляет 200 ° C, внутреннее давление тепловой трубки должно быть установлено примерно на 16 бар.Для криогенных применений используется газообразный гелий или азот. Для средне- или высокотемпературных применений обычно используются жидкие металлы, такие как натрий и ртуть. Внутреннее давление тепловой трубки должно быть правильно отрегулировано в соответствии с ее рабочей температурой.

Рисунок 10.

Рабочая температура рабочих жидкостей.

Рисунок 11.

Показатели добротности рабочих жидкостей.

Выбор рабочего тела также важен с точки зрения тепловых характеристик.Уравнение (6) показывает, что тепловые характеристики тепловой трубы прямо пропорциональны свойствам жидкости: ρ l σh fg / μ l . Это часто называют добротностью рабочего тела. На рисунке 11 показаны показатели качества по температуре для различных рабочих жидкостей. Как показано на этом рисунке, вода при низких и умеренных температурах является жидкостью с наивысшим показателем добротности.Вот почему вода чаще всего используется для тепловых трубок. Другой распространенной жидкостью является аммиак, который используется при низких температурах.

Рис. 12.

Совместимость материалов.

4.3. Выбор типа фитиля

Второй шаг — выбрать тип фитиля. Как правило, можно выбрать пять вариантов: без фитиля (для термосифона), фитиль с сеткой, рифленый фитиль, фитиль из спеченных частиц и фитиль гетерогенного типа. Причина, по которой мы выбираем тип фитиля перед выбором материала, заключается в том, что технологическая микроструктура зависит от материала.

4.4. Выбор материала контейнера и фитиля

После выбора типа фитиля выбирается материал для контейнера и фитиля. Здесь главное внимание уделяется совместимости рабочей жидкости и материала. Известно, что сочетание воды и меди хорошо совместимо. С другой стороны, вода несовместима с алюминием из-за нежелательного газообразования. Совместимость материала с рабочей жидкостью показана на рисунке 12. Показано, что медь совместима с водой, ацетоном и метанолом.Алюминий хорошо совместим с ацетоном и аммиаком, но не с водой.

4.5. Определение диаметра

Следующим шагом будет определение диаметра тепловой трубы. Диаметр становится основным геометрическим параметром с учетом скорости пара. Когда диаметр тепловой трубы слишком мал, скорость пара сильно увеличивается, и появляется эффект сжимаемости, что, в свою очередь, значительно ухудшает характеристики тепловой трубы. Обычно известно, что эффект сжимаемости незначителен, когда число Маха меньше 0.2. Чтобы соответствовать этому критерию, должно выполняться следующее уравнение.

dv> 20QmaxπρvhfgγvRvTvE8

где d v — диаметр парового ядра, Q max — максимальный осевой тепловой поток, ρ v — плотность пара, γ v — теплоемкость пара, h fg — скрытая теплота парообразования, R v — газовая постоянная для пара, а T v — температура пара.

4.6. Определение толщины

Поскольку тепловая труба подобна сосуду высокого давления, она должна соответствовать нормам ASME для сосудов. Обычно максимально допустимое напряжение при любой заданной температуре может составлять только одну четвертую максимальной прочности материала на растяжение. Максимальное кольцевое напряжение в стенке тепловой трубы определяется следующим образом [1]:

, где f max — максимальное напряжение в стенке тепловой трубы; P — перепад давления на стене, вызывающий напряжение; d o — внешняя стенка тепловой трубы; t — толщина стенки.Критерий безопасности задается следующим образом:

, где σ Y — напряжение текучести материала контейнера. Комбинируя уравнения (9) и (10), получаем:

4.7. Конструкция фитиля

Максимальные тепловые характеристики тепловой трубы указаны в уравнении (6). Восстановим уравнение (6) как уравнение (12).

Qmax = 2σhfgρlμlAwLeffKReffE12

В уравнении (12) расчетные параметры, связанные с фитилем, составляют K и R eff .Известно, что K пропорционален квадрату характерного размера пор, тогда как R eff обратно пропорционален характеристическому размеру пор. Следовательно, капиллярные характеристики K / R eff прямо пропорциональны характерному размеру пор. Однако, когда размер пор слишком велик, капиллярное давление становится слишком маленьким, так что эффект гравитации не может быть преодолен, что, в свою очередь, делает тепловую трубку бесполезной.Кроме того, большой размер пор представляет собой значительный эффект силы инерции. Следует отметить, что уравнение (12) выводится при постулировании, что расход рабочей жидкости определяется на основе баланса между капиллярной силой и силой вязкого трения, где сила инерции пренебрежимо мала в микромасштабном потоке. Когда сила инерции становится значительной, тепловые характеристики значительно отклоняются от прогноза по уравнению (12), другими словами, значительно ухудшаются. По этим причинам размер частиц фитиля из спеченных частиц обычно составляет от 40 мкм до 300 мкм.В случае петлевой тепловой трубы (LHP), где требуется чрезвычайно высокое капиллярное давление, используются частицы никеля диаметром 1–5 мкм.

4.8. Конструкция интерфейса теплоотвод – источник

Помимо конструкции самой тепловой трубы, интерфейсы тепловой трубки с теплоотводом – источником также представляют значительный интерес, поскольку тепловое сопротивление межфазного контакта намного больше, чем у самой тепловой трубки. Контактное тепловое сопротивление между испарителем и источником тепла и между конденсатором и радиатором относительно велико.Поэтому их нужно тщательно продумать и свести к минимуму.

4.9. Соображения по тепловому сопротивлению

Рис. 13.

Схема теплового сопротивления.

В разделах 4.1–4.7 только максимальная способность теплопередачи рассматривается как показатель производительности тепловой трубы. Однако иногда другой показатель эффективности, тепловое сопротивление, более важен, когда скорость теплопередачи не является важным фактором, а равномерность температуры более важна.Тепловое сопротивление тепловой трубы можно оценить на основе сети теплового сопротивления, как показано на рисунке 13. T x — это температура источника тепла, а T cf — температура радиатора. Нижние индексы e и c обозначают испаритель и конденсатор соответственно. Индексы s , l и i представляют оболочку, жидкость и границу раздела соответственно. Различные компоненты термического сопротивления и корреляции для их прогнозирования показаны на рисунке 14.

Рисунок 14.

Корреляции термического сопротивления.

5. Применение для охлаждения электроники

Типы применений тепловых трубок для охлаждения электроники следующие: использование плоской тепловой трубки, встроенного теплораспределителя с тепловой трубкой, блока к ребру, блока к блоку и ребра к ребру , Трубчатая тепловая трубка не может использоваться только потому, что ее интерфейс не может быть полностью присоединен к электронным устройствам, имеющим плоский интерфейс. Чтобы тепловая трубка была адаптирована для охлаждения электроники, сама тепловая трубка должна быть выполнена в виде плоской пластины или трубчатая тепловая трубка должна быть прикреплена к прямоугольному блоку, как показано на рисунке 15.Теплораспределитель, встроенный в тепловую трубку, показан на рисунке 16.

Применение блока с ребрами показано на рисунке 17. Тепловая трубка должна быть так или иначе подключена к радиатору для окончательного отвода тепла в воздух. Блок, встроенный в тепловую трубку, можно напрямую подсоединить к ребру, как показано на этом рисунке. В некоторых приложениях, таких как серверный компьютер и телекоммуникационный блок, обрабатывающий большой объем данных, используется блочный модуль, как показано на рисунке 18. В некоторых приложениях также используется модуль «плавник-плавник».

Рис. 15.

Использование трубчатой ​​тепловой трубки и плоской тепловой трубки.

Рисунок 16.

Теплораспределители, встроенные в тепловую трубку.

Рис. 17.

Приложения Block-to-Fin.

Рисунок 18.

Блочные приложения.

Использование тепловых трубок для охлаждения электроники подразделяется на портативные устройства, VGA, мобильные ПК, светодиодные проекторы и связанные с ними устройства, ретрансляторы телекоммуникаций и т. Д. Тепловая трубка также широко используется в системах сбора солнечного тепла, таяния снега, теплообменников и связанных с ними энергетических приложений, а также чисто научных приложений, требующих сверхточного контроля температуры.Тепловая трубка представляет собой идеальное решение для тепловых сетей, особенно для полупроводниковых устройств, характеристики и срок службы которых чувствительны к температуре. Использование тепловых трубок, несомненно, будет расширяться, и постепенно они будут иметь более сильный эффект в различных промышленных областях.

6. Резюме

В этой главе представлены общие аспекты тепловых трубок. Принцип работы тепловой трубки основан на двухфазных потоках, накачиваемых за счет капиллярного давления, создаваемого на фитиле. Фитиль играет важную роль в определении тепловых характеристик тепловой трубы.В связи с этим были разработаны различные типы фитильных структур, такие как фитиль с сетчатым экраном, желобчатый фитиль и фитиль из спеченных частиц. Тепловые характеристики тепловой трубы обычно определяются пределом капиллярности, который можно легко предсказать на основе простого аналитического метода, представленного уравнением (6). Предел кипения также важен при высоких рабочих температурах. Однако точной модели предела кипения пока нет. Конструкция тепловой трубы начинается с выбора рабочей жидкости, за которым следует выбор типа фитиля и материала контейнера, определение диаметра и толщины, конструкции фитиля и конструкции интерфейса радиатор-источник.Применение тепловых трубок для охлаждения электроники можно классифицировать по конфигурации: тепловая трубка — встроенный расширитель, блочные, блочные и ребристые.

.Конструкция петлевых тепловых труб

| Гибкая нагревательная трубка Tech

  • Дом
  • Блог
  • О компании
    • Что мы делаем
    • Новости
    • События
    • Отзывы клиентов
    • Наша команда
    • Объект
    • Качество
    • Туристическая информация
    • ACT Социальная ответственность
    • Карьера: мы нанимаем!
  • Связаться
    • Связаться с ACT
    • Найди своего представителя
  • Звоните: 717.295.6061

  • Звоните: 717.295.6061

Связаться с инженером

Advance Cooling Technologies
Усовершенствованные технологии охлаждения

Advance Cooling Technologies

  • Дом
  • О компании
    • Назад
    • Что мы делаем
    • Блог
    • Новости
    • События
    • Отзывы клиентов
    • Наша команда
    • Объект
    • Качество
    • Корпоративная социальная ответственность
    • Карьера: мы нанимаем!
  • Связаться
    • Назад
    • Найти представителя
  • Рынки
    • Назад
    • Авиация
    • Охлаждение электроники
    • Охлаждение корпуса
      • Назад
      • Заказать онлайн
      • Инструмент выбора
    • Рекуперация энергии HVAC
    • Обработка материалов
    • Медицинский
    • Военный
      • Назад
      • Оружие направленной энергии
    • Фотоника
    • Силовая электроника
    • Солнечная
    • Тепловой контроль космического корабля
    • Калибровка и контроль температуры
    • Транспорт
  • Продукты
    • Назад
    • Тепловые трубки для управления температурным режимом
      • Назад
      • Узлы тепловых труб
      • Пластины HiK ™
      • Узлы паровой камеры
    • Двухфазные системы охлаждения с насосом
    • Радиаторы PCM
    • Продукты для контроля температуры космических аппаратов
      • Назад
      • Тепловые трубки постоянной проводимости
      • Тепловые трубки с переменной проводимостью
      • Контурные тепловые трубки
      • Медные / водяные тепловые трубы
      • Аккумулятор для гидравлических систем
    • Охладители герметичных корпусов
      • Назад
      • Охладители радиатора ACT-HSC
      • Охладители с тепловыми трубками ACT-HPC
      • Малошумящие охладители ACT-LNC
      • Термоэлектрические кондиционеры ACT-TEC
      • Заказать онлайн
      • Инструмент выбора
    • Теплообменники HVAC
      • Задний
      • Теплообменник с воздушно-воздушной трубкой
      • Теплообменник с тепловыми трубками с улучшенным осушением и обертыванием
      • Пассивно-сплит-система теплообменников
      • Вентилятор с пассивной тепловой трубкой (HRV)
      • Тепловой пассивный клапан ACT
    • Петлевой термосифон
    • Теплотехнические услуги

.