Каталог
ZV
ездный б-р, 19
+7 (495) 974-3333 +7 (495) 974-3333 Выбрать город: Москва
Подождите...
Получить токен
Соединиться
X
Сюда
Туда
x
Не выбрано товаров для сравнения
x
Корзина пуста
Итого: 
Оформить заказ
Сохранить заказ
Открыть корзину
Калькуляция
Очистить корзину
x
Главная
Магазины
Каталог
Мои заказы
Корзина
Магазины Доставка по РФ
Город
Область
Ваш город - ?
От выбранного города зависят цены, наличие товара и
способы доставки

Среда, 1 декабря 2021 15:40

Устройство тепловых трубок

короткая ссылка на новость:
#Материал_радиатора

В этой статье подробно рассматривается устройство тепловых трубок с внутренней капиллярной структурой (содержащих воду или другой хладагент), которые используются в системах охлаждения электронной аппаратуры. Они обычно рассчитаны на теплорассеяние от 20 до 200 Вт и плотность потока мощности около 25 Вт/см² (чем больше плотность потока мощности, тем меньше потенциальное теплорассеяние).

Типовые варианты применения тепловых трубок

При правильном использовании (в расчетных условиях эксплуатации) тепловые трубки очень существенно увеличивают производительность радиатора. Это обусловлено высокой теплопроводностью тепловых трубок, которая обычно в 10-100 превосходит теплопроводность сплошных медных деталей. В отличие от сплошных металлических элементов, тепловая трубка имеет переменную теплопроводность, зависящую от нескольких параметров, из которых самое заметное влияние на градиент теплопроводности оказывает длина тепловой трубки. Таким образом, очень короткие тепловые трубки (50 мм и менее) по своим термическим характеристикам могут даже уступать сплошным деталям из меди или алюминия. Рассмотрим наиболее распространенные варианты использования тепловых трубок в радиаторных конструкциях.

Отвод тепла на удаленный радиатор

Тепловые трубки используются для передачи (отвода) тепла в любой пространственной ориентации в направлении от источника тепла (испарителя) на радиатор (конденсатор). На рисунке ниже приведены два характерных примера.

2

Передача тепла на локальный радиатор

В тех случаях, когда определяющим фактором является компактность устройства, тепловые трубки могут использоваться для передачи тепла на локальный радиатор. Здесь, как и в предыдущей ситуации, использование испарительной камеры позволяет уменьшить интегральную разность температур между «начальной» (наиболее нагретой) и «конечной» (наименее нагретой) точками радиатора на 4-9 °C. Это обеспечивается благодаря более низкому термическому сопротивлению испарительной камеры, а также специфике передачи тепла испарительной камере непосредственно от источника (прямой контакт). Обратите внимание, что на рисунке ниже в обоих примерах для передачи тепла от источника на тепловые трубки используется сплошная медная пластина – базовая часть радиатора, обеспечивающая непрямой контакт.

3

Технические характеристики тепловых трубок

Теоретический диапазон рабочих температур тепловых трубок с капиллярными структурами составляет от 0 до плюс 250 °C, хотя практически тепловые трубки начинают работать начиная с минимальной температуры около плюс 20 °C. При температуре ниже 0 °C вода замерзает в капиллярных структурах, но это не приводит к их повреждению из-за расширения жидкости в силу ее малого объема. Например, стандартная тепловая трубка длиной 150 мм и диаметром 6 мм содержит около одного кубического сантиметра воды.

Небольшое замечание, касающееся надежности тепловых трубок. В расчеты и испытания надежности тепловых трубок закладывается эксплуатационный ресурс порядка нескольких десятилетий. Срок службы тепловой трубки составляет не менее 20 лет, циклический ресурс – порядка нескольких тысяч циклов замерзания/таяния хладагента без повреждения капилляров. Выход тепловых трубок из строя в большинстве случаев является результатом: a) нарушения технологии производства (брак); б) эксплуатации в нештатных условиях, подразумевающих повышенный риск коррозии и/или механических повреждений. Вероятность отказов, возникающих в результате поступления в эксплуатацию некачественных изделий, Celsia снижает путем проведения испытаний каждой тепловой трубки на герметичность (с помощью гелия) и на работоспособность под максимальной тепловой нагрузкой. Коррозионная стойкость тепловых трубок может быть повышена путем никелирования их наружной поверхности.

Производительность тепловой трубки

Производительность тепловой трубки характеризуется переносимой тепловой мощностью (Qmax, Вт) – это максимальная тепловая мощность, которую способно передавать данное устройство. Она определяется главным образом проводящими свойствами капиллярного материала (фитиля), которые зависят от его толщины и пористости/проницаемости. Однако ни одна структура капиллярного материала не является однозначно лучшей – она часто модифицируется (оптимизируется) от модели к модели, в зависимости от предполагаемой ситуации применения.

Например, в Celsia обычно используют упрощенную классификацию фитилей, включающую две категории: стандартную и высокопроизводительную. Однако компания регулярно разрабатывает капиллярные структуры на заказ. Эти фитили, максимально соответствующие требованиям заказчика, в том числе допускают возможность изменения капиллярной структуры при переходе от одного участка трубки к другому.

На графике ниже показан характер зависимости величины переносимой тепловой мощности от угла пространственной ориентации тепловой трубки соответствующего диаметра. Остальные параметры трубок одинаковы:

  • длина тепловой трубки – 200 мм;
  • длина зоны испарения (испарителя) – 25 мм;
  • длина зоны конденсации (конденсатора) – 75 мм;
  • фитиль – стандартный;
  • рабочая температура – 60 °C.
4

Угол плюс 90 градусов соответствует положению трубки, при котором испаритель находится точно под конденсатором, минус 90 градусов – наоборот.

Видно, что при переворачивании трубки (со стандартным фитилем) из положения плюс 90 градусов в положение минус 90 градусов производительность (Qmax) падает почти на 90%. Однако в горизонтальном положении (угол 0 градусов), которое в ряде ситуаций применения является основным, тепловая трубка диаметром, например, 8 мм, будет отводить от источника тепловой поток мощностью 62 Вт.

В таблице ниже приведены значения разности температур (дельта T) в начальной и конечной точке тепловой трубки известного диаметра при известной передаваемой тепловой мощности. За начальную и конечную точки тепловой трубки здесь взяты не ее физические концы, а соответственно средняя точка зоны испарения и средняя точка зоны конденсации.

Диаметр тепловой трубки, мм
3 4 5 6 8 10
Мощность теплового потока, Вт 2.5 1.9 0.9 0.6 0.4 0.3 0.2
5 3.8 1.8 1.1 0.8 0.5 0.4
10 7.5 3.5 2.2 1.7 1.1 0.8
20 15.0 7.0 4.4 3.3 2.2 1.5
40 30.1 14.1 8.8 6.6 4.3 3.1
80 60.2 28.2 17.7 13.3 8.7 6.2
160 120.4 56.3 35.4 26.5 17.3 12.3

Чтобы получить термическое сопротивление тепловой трубки, нужно разделить дельта T на передаваемую трубкой тепловую мощность. Для трубки диаметром 8 мм при величине передаваемой тепловой мощности 40 Вт термическое сопротивление составит 4.3/40 = 0.11 °C/Вт.

Операции вторичной технологической обработки тепловых трубок

Прежде чем включать тепловые трубки в радиаторную конструкцию, их обычно подвергают ряду технологических операций. Выбор конкретных операций определяется условиями эксплуатации тепловой трубки.

Уплощение тепловых трубок

Тепловые трубки с керамической (туфовой) капиллярной структурой могут уплощаться в поперечном сечении до высоты 30-65% от исходного диаметра. Однако это часто отрицательно сказывается на величине переносимой тепловой мощности. В таблице ниже приведены значения Qmax для наиболее распространенных размеров тепловых трубок – в круглом и уплощенном вариантах. Например, трубка с исходным диаметром 3 мм при уплощении ее до высоты сечения 2 мм – на 33% от исходного диаметра – теряет 30% потенциала переносимой тепловой мощности. Сравните: при уплощении 6-мм трубки до высоты сечения 2 мм – на 66% от исходного диаметра – потенциальное (при прочих равных условиях) значение Qmax снижается только на 13%.

Исходный диаметр тепловой трубки, мм 3 4 5 6 8 **
Qmax круглой трубки *, Вт 15.0 22.0 30.0 38.0 63
Высота сечения уплощенной трубки, мм 2.0 2.0 2.0 2.0 2.5
Ширина сечения уплощенной трубки, мм 3.57 5.14 6.71 8.28 11.14
Qmax уплощенной трубки *, Вт 10.5 18.0 25.5 33.0 52.0

* горизонтальная ориентация
** большая толщина стенок трубки и внутреннего слоя капиллярного материала

Почему уплощение круглого сечения оказывает больший негативный эффект на производительность тепловых трубок меньшего диаметра? Просто потому, что производительность тепловых трубок (в ситуациях наземного применения) лимитируется меньшим из двух параметров: переносимой тепловой мощностью, которую способен обеспечить фитиль (лимит фитиля, wick limit), или переносимой тепловой мощностью, которую способен обеспечить внутренний объем трубки за счет перемещения пара (лимит пара, vapor limit). Теплопроводящая способность фитиля (капиллярной структуры) зависит от его способности транспортировать жидкость из зоны конденсации в зону испарения. Как уже упоминалось, пористость и толщина фитиля может подбираться или оптимизироваться под конкретную ситуацию применения, что позволяет варьировать величину Qmax и/или способность фитиля проводить жидкость в направлении против силы тяжести. Лимит пара определяется объемом пространства внутри тепловой трубки, в котором пар может перемещаться из зоны испарения в зону конденсации. Очевидно, что если та или иная ситуация применения вынуждает уменьшить лимит фитиля и/или лимит пара, это приведет к ограничению производительности тепловой трубки.

5

Графики на рисунке выше наглядно иллюстрируют происходящее. Круглая тепловая трубка диаметром 3 мм имеет почти одинаковые значения лимитов фитиля и пара (оранжевая и синяя линии). У уплощенной трубки с высотой сечения 2 мм лимит пара (серая линия) всегда меньше лимита фитиля, при любом исходном диаметре. Тепловая трубка диаметром 6 мм имеет намного больший запас по лимиту пара, чем 3-мм трубка, у которой этот запас практически равен нулю. Поэтому у 6-мм трубки Qmax уменьшается только при ее значительном уплощении, причем при большем относительном уплощении (на 66% от исходного диаметра против 33% у 3-мм трубки) относительное уменьшение Qmax у 6-мм трубки заметно меньше, чем у 3-мм трубки.

Сгибание тепловых трубок

Сгибание тепловой трубки также влияет на величину переносимой мощности Qmax. Для оценки этого влияния можно использовать следующее правило:

  • во-первых, минимальный радиус сгиба равен трем диаметрам тепловой трубки.
  • во-вторых, при сгибании тепловой трубки на каждые 45 градусов Qmax уменьшается примерно на 2.5%.

Например (см. предыдущую таблицу), Qmax тепловой трубки с исходным диаметром 8 мм, уплощенной до высоты сечения 2.5 мм, составляет 52 Вт. Сгибание этой трубки на 90 градусов приведет к уменьшению Qmax на 5%. Таким образом, новое значение Qmax (изг) = 52 – 2.6 = 49.4 Вт.

Наружное покрытие тепловых трубок

Никелирование тепловых трубок обеспечивает их защиту от коррозии в условиях эксплуатации при повышенной влажности. Также никелирование может применяться просто для красоты.

Пример подбора конфигурации тепловых трубок

Предположим, вам нужно подобрать конфигурацию тепловых трубок с одним 90-градусным изгибом для рассеивания мощности 70 Вт от источника тепла с размерами 20 мм x 20 мм – как определить подходящие опции?

  1. Чтобы на каждую тепловую трубку гарантированно передавалось одно и то же количество тепла, располагайте их прямо над источником тепла (или максимально близко к такому положению). Этому условию удовлетворяет конфигурация из трех круглых 6-мм трубок или из двух уплощенных от исходного диаметра 8 мм (до высоты сечения 2.5 мм).
  2. Убедитесь, что ваша конфигурация сможет передавать тепловую нагрузку 70 Вт. Три 6-мм круглые трубки с номинальной переносимой тепловой мощностью 38 Вт каждая в сумме дают 114 Вт, две 8-мм плоские – соответственно 104 Вт.
  3. Вычтите из полученного результата 25%-ный запас (рекомендация из практики проектирования). Таким образом, для конфигурации с 6-мм трубками получаем проектировочное значение тепловой нагрузки 85.5 Вт, с 8-мм – 78 Вт.
  4. Уточните это значение с учетом 90-градусного изгиба тепловых трубок, вычтя из него соответственно еще 5% и округлив результат в меньшую сторону. В итоге получаем 81 Вт для конфигурации с 6-мм трубками и 74 Вт для конфигурации с уплощенными 8-мм трубками, то есть обе опции удовлетворяют требованию по тепловой нагрузке (не менее 70 Вт), которая будет передаваться от испарителя на конденсатор.

Так какую же из двух опций предпочесть? С точки зрения последующей установки над испарителем радиаторного блока определенной высоты более предпочтительна конфигурация с плоскими трубками, имеющими более низкий профиль. С другой стороны, конденсатор может работать более эффективно при поступлении тепла из трех областей, чем из двух, что склоняет чашу весов в сторону конфигурации с тремя 6-мм круглыми трубками.

Встраивание тепловых трубок в радиаторные конструкции

Следующий шаг после подбора тепловых трубок – объединение их в одну конструкцию с радиатором. В тех ситуациях, когда тепловые трубки используются для отвода/передачи тепла (а не для его более равномерного распределения), задача разбивается на два этапа: 1) соединение радиатора с областью испарения и 2) соединение радиатора с областью конденсации.

Интерфейс между тепловыми трубками и источником тепла (зона испарения)

Существует два основных способа организации контакта между тепловыми трубками и источником тепла: прямой и непрямой.

Сопряжение тепловых трубок с источником тепла через плиту (пластину) основания – непрямой контакт – является более выгодным способом с точки зрения стоимости производства таких конструкций. Основание обычно делается медным или алюминиевым. Помимо экономических преимуществ, этот способ также обеспечивает примерно равное распределение тепловой нагрузки между тепловыми трубками в ситуациях, когда размер источника тепла намного меньше совокупной контактной площади используемых тепловых трубок.

Прямой контакт зоны испарения тепловых трубок с источником тепла применяется в тех случаях, когда использование основания и дополнительного слоя термопасты менее выгодно с точки зрения производительности кулера. Однако эта технология дороже, поскольку контактная поверхность тепловых трубок в этом случае требует дополнительной механической обработки для обеспечения необходимого качества контакта тепловых трубок с источником тепла.

Интерфейс между тепловой трубкой и блоком пластин радиатора (зона конденсации)

И последний шаг – соединение тепловых трубок с «холодной» частью радиатора. В тех ситуациях, когда тепло передается на локальный радиатор и распределяется между его пластинами, плоские тепловые трубки припаиваются к базовой части радиатора.

Если тепло передается на удаленный радиатор, обычно применяется один из двух основных способов организации контакта между тепловыми трубками и пластинами радиатора. Первый способ аналогичен описанному выше: плоские тепловые трубки припаиваются к плоской базе радиатора, круглые – к базе с пазами под диаметр трубок. Если в радиаторе используется большой блок пластин, равномерное распределение тепла между ними обеспечивается путем пропускания тепловых трубок через соосные сквозные отверстия в пластинах радиаторного блока.

Компьютерное моделирование тепловых трубок

Если вы собираетесь работать с CFD-программами (например, FloTherm) или создавать математические модели тепловых трубок в Excel, вам обязательно понадобится значение такого входного параметра, как эффективная теплопроводность тепловой трубки.

Если вы ее не знаете, можно воспользоваться методом последовательных приближений. Просто умножьте входную мощность, передаваемую каждой тепловой трубке, на ее примерное термическое сопротивление – в результате получите примерное значение дельта Т для начальной и конечной точек тепловой трубки. Для трубок диаметром 3-8 мм используйте значение термического сопротивления 0.1 °C/Вт, для трубок большего диаметра – 0.075 °C/Вт. Затем последовательно вводите в формулу для дельта Т, применяемую в вашей модели, значения теплопроводности с нужным шагом, взяв за начальное приближение значение 4000 Вт/(м*K), пока не получите значение дельта T, приблизительно равное рассчитанному описанным выше способом.

Кулеры для процессоров
Товаров в группе: шт.
Цена: от руб.

Источник: НИКС - Компьютерный Супермаркет

подписаться   |   обсудить в ВК   |