С недавних пор в ассортимент, предлагаемый ТМ Элекроникс, входят heat pipe или тепловые трубки, производителем которых является Wakefield Thermal — известный американский концерн, занимающий важное место в отрасли. Их функция заключается в отводе избытка тепла.
Сегодня тепловые трубки могут показаться новым технологическим решением, но в действительности использовать их начали достаточно давно, еще с начала 1940-х годов. В качестве первопроходца выступила американская компания General Motors. Именно эта автомобильная корпорация в 1942 году подала патентную заявку на применение тепловых трубок в составе систем охлаждения.
Особенности тепловых трубок
Теплотрубка представляет собой двухфазное устройство, сочетающее высокую степень эффективности с предельно простой структурой: у них нет никаких деталей, расположенных внутри. В основе действия теплотрубок лежит цикл, состоящий из испарения рабочей жидкости и ее последующей конденсации, именно за счет этих процессов осуществляется отвод избыточного тепла между двумя тепловой трубки к другому.
Трубка заполняется агентом, последовательно испаряющимся, подвергающимся конвекции, а затем конденсирующимся. По своей эффективности тепловые трубки значительно превосходят другие методы, которые основываются на теплопроводности.
Это позволяет применять их в широком температурном диапазоне, например, в криогенике речь идет о нескольких градусах Кельвина, а в космических или авиационных технологиях уже о 1 500 градусах Цельсия и более. Этим и обусловлена широкая сфера применения тепловых трубок, в которую входит множество разнообразных отраслей промышленности, а именно:
- химическая;
- пищевая;
- судостроительная.
Применяется данное технологическое решение в авиации, в строительной инженерии, а также в холодильном деле и отопительных технологиях. Особое значение имеет использование heat pipe в сфере электроники.
Принцип действия
Существуют две основные разновидности теплотрубок: фитильные и термосифоны. Отличительной особенностью первых является наличие капиллярной структуры, вторые иначе именуются гравитационными. Эти виды трубок различаются по принципу действия.
Работа гравитационных трубок основана на силе тяжести, именно под ее воздействием конденсат, образуемый рабочей жидкостью, возвращается в исходное место. В фитильных же трубках циркуляцию рабочей жидкости обеспечивают капиллярные силы. Но в обоих случаях общая схема действия остается сходной:
- Один из концов тепловой трубки (секция испарителя) принимает тепло, в результате чего температура рабочего агента возрастает до такой степени, что жидкость переходит в газообразное состояние, то есть преобразуется в пар, при этом происходит поглощение тепла;
- Между двумя концами трубки — теплым и холодным — возникает различие не только в температуре, на и в давлении, и сила конвекции направляет поток пара к более холодному концу, выполняющему функцию конденсатора.
- В процессе конденсации тепловая энергия пара передается материалу, из которого трубка состоит, а уже он отдает эту энергию во внешнюю среду.
- Происходит конденсация пара, жидкость, образующаяся при этом, возвращаются в виде капель в секцию испарения.
В термосифонах капли стекают под воздействием силы гравитации, а в трубках фитильного типа с внутренними стенками, характеризующимися пористой структурой, действуют капиллярные силы.
Особенности выбора
Говоря о heat pipe и их использовании, необходимо принимать во внимание два важных момента — давление, образуемое в них, и разновидность рабочего агента. В таком качестве может выступать как вода, так и какая-либо иная жидкость.
Температуру, при которой рабочий агент преобразуется из жидкости в пар (это называется точкой росы), можно изменять путем регулировки давления. Речь идет о температурном различии, пара, который в процессе конденсации в соответствующей секции вступающий в соприкосновение с материалом, и материала изготовления трубки.
Преобразование в жидкое состояние должно происходить с максимальной эффективностью. В качестве рабочего агента используются различные вещества, в частности:
- водород;
- азот;
- ацетон
- гелий;
- жидкое серебро
- калий.
Применяются и иные вещества. Выбор определяется условиями функционирования. Например, для работы в температурных пределах 200-400 градусов Кельвина прекрасно подходит аммиак.
Космические технологии функционируют при более высоких температурах: от 1000 до 25000 градусов по данной шкале. В таких условиях необходимы другие вещества, включая жидкие металлы: литий или серебро. Именно они использовались в таких проектах NASA, как Space X и ESA.
Разновидности и конструкция тепловых трубок
Структура трубок состоит из трех секций. Они выделяются в соответствии с той функцией, которую каждая секция выполняет в процессе циркуляции тепла и отвода его из одной зоны в другую:
- секция испарения;
- адиабатическая секция;
- секция конденсации.
Выше были подробно описаны процессы, происходящие в первой и последней секциях. Адиабатическая секция, расположенная между ними, играет особую роль: в ее пределах свободно движутся две фазы рабочего агента, газообразная и жидкая, причем перемещение это осуществляется свободно и параллельно (одна фаза не создает препятствий для другой).
Это становится возможным благодаря тому, что жидкость после конденсации течет по гладким стенкам термосифона или внутри пористой стенки капиллярной трубки, а пар заполняет всю ее емкость. Структурные различия термосифонов и трубок фитильного очевидны.
Структура трубок гравитационных достаточно проста, у капиллярных она отличается большей сложностью. Капиллярные структуры изготавливают из разнообразных материалов:
- стекловолокно;
- керамика;
- проволочная микросетка;
- металлический порошок в спеченном состоянии.
Главная задача заключается в формировании особой структуры, облегчающей возвращение рабочего агента, пребывающего после конденсации в жидком варианте, в испаритель. Достичь этой цели не так-то просто, и основная сложность в процессе производства тепловых трубок связана именно с созданием микроструктуры, способной эту функцию выполнять.
Фитили могут быть однородными и композитными. Фитили первого типа состоят из какого-либо одного материала и, как правило, представляют собой продольные осевые канавки. Изготавливают их одновременно с трубками. Процесс изготовления композитного фитиля, состоящего из двух или более материалов, отличается большей сложностью, подразделяясь на несколько этапов.
Существуют разные виды фитилей: крученые, спеченные, сетчатые, рифленые, а также смешанные, в структуре которых сетка сочетается с канавками. Но каким бы ни был фитиль, ключевую роль в перемещении жидкости по капиллярам играет структура.
Внутреннее сопротивление преодолевается давлением, и взаимное действие этих двух сил, нейтрализующихся взаимно, обеспечивает движение. Эти силы могут действовать различным образом, в зависимости от того, какая жидкость используется. Производители тепловых трубок, в том числе и Wakefield Thermal, подвергали каждый рабочий агент тщательным испытаниям в процессе многочисленных исследований. Это позволило создать структуры такого типа, где по мере уменьшения диаметра пор увеличение сил капиллярных превосходит возрастание силы трения.
Большая часть ассортимента теплотрубок от компании Wakefield Thermal — это трубки композитные, относящиеся к фитильному типу. Они изготавливаются из меди в виде порошка, который образует пористую структуру в результате спекания. Величина микропор обеспечивает наиболее эффективное движение рабочего агента после его конденсации, причем это происходит в любом положении, включая горизонтальное, вертикальное или диагональное.
Это значительно повышает продуктивность теплотрубок, поэтому они пользуются большим спросом на рынке. Большое значение имеет материал корпуса. В таком качестве используется стекло, керамика, а также различные металлы. Выбор материала определяется предполагаемыми условиями применения трубок. Необходимо, чтобы он выдерживал давление, которое возникает внутри трубки при в ходе обычного ее функционирования.
Важно также, чтобы действие рабочего агента не приводило к коррозии этого материала. Одно из главных требований к материалу – высокий коэффициент теплопроводности, только при этом возможна эффективная работа системы. Невозможность химических реакций с материалом корпуса — обязательное требование к рабочим жидкостям, но не единственное.
От вещества требуется стабильность в термическом отношении, сохранение низкой степени вязкости в условиях значительного поверхностного натяжения как в жидком состоянии, так и в газообразном. Как и от материала, от рабочего агента требуется высокая теплопроводность.
Соединение
В вопросе о соединении теплотрубок одним из самых важных аспектов является их сплющивание. Таким способом можно придать трубке необходимую форму, соответствующую тому проему, в который ее предстоит устанавливать. Тем же методом увеличивают поверхность соединения, что позволяет повысить приемку тепла.
Следует учитывать, что изменение формы трубки путем сплющивания уменьшает площадь ее сечения и неизбежно ведет к уменьшению теплоемкости. Фактически, сплющенная трубка по эффективности сопоставима с круглым изделием меньшего радиуса. Снижение теплоемкости трубки в процессе сплющивания прямо пропорционально размерам: чем крупнее изначальный диаметр, тем в большей степени падает данный показатель в результате сплющивания.
Изгиб трубок тоже способен снизить их эффективность, особенно если радиус не достигает трехкратного диаметра. В условиях экстремальных это способно привести к отсеканию потока пара, поскольку функционирование оказывается заблокированным. Одна из наиболее важных задач, решать которые приходится при соединении теплотрубок с теплообменниками, а также с пластинами, заключается в достижении максимальной площади контактов с учетом всех нюансов сплющивания или изгибов, которые были описаны выше.
Как правило, на пластине подготавливается канал для введения трубки. В подобном канале ее можно закреплять разными способами, используя эпоксидную термальную смолу или применяя пайку. Существует и иной способ фиксации: трубку можно зажать между двумя пластинами, оснащенными адаптированными канавками, соединенными между собой.
Подобная разновидность зажимной конфигурации позволяет применить теплопроводную пасту. За счет ее использования контакт между пластинами и трубкой увеличивается, а тепловое сопротивление в месте соединения, напротив, уменьшается.
274-2AB Радиатор: штампованный; U; TO220; черный; L: 19,1мм; W: 13мм
527-45AB Радиатор: штампованный; ребристый; TO218,TO220; черный; L: 57,9мм
