Что находится в тепловых трубках кулера

Тепловые трубки
и применение технологий на их основе
для охлаждения узлов компьютеров и радиоаппаратуры

на страницах сайта

electrosad.ru

Кратко рассмотрим конструкции нескольких кулеров на тепловых трубках. Этот вид теплообменных устройств известен уже давно, я встречал упоминания о них в книге по теплообмену издания 1988 года. Уже тогда они применялись в технике. Некоторые авторы вводят читателей в заблуждение, говоря о необходимости ориентировать тепловые трубки определенным образом в пространстве. Это требования относятся только к термосифонам. Тепловые трубки работают в любом положении. Отличие Вы можете найти на просторах internet введя в строку поиска слово «термосифон».

Немного истории

Впервые идея тепловой трубы была предложена Гоглером (ф-ма Дженерал Моторс корп.) и описана в пат. США 2 350 348 (заявл. 21.12.1942, опубл. 6.06.1944)

Первая статья обзорного характера по тепловым трубам в СССР вышла в 1969 (Москвин Ю.В., Филиппов Ю.А. Тепловые трубы. «Теплофизика высоких температур», 1969., т.7, № 4, с. 766-775 ).

В настоящее время широкое распространение получили кулеры на тепловых трубках.

Эффективность которых объясняется их принципом работы.

Теплосъем в них обеспечивается за счет испарения теплоносителя в зоне тепловыделения. А удельная теплота испарения теплоносителя, в сотни раз выше чем удельная теплоемкость воды, одного из лучших теплоносителей работающего при атмосферном давлении и в приемлемых для электронной аппаратуры температурах (30-90 º С). Для этилового спирта это около 40 раз. В соответствующее количество раз и больше отводимая от охлаждаемого объекта мощность.

Этот замкнутый цикл происходящей в герметичном объеме обеспечивает транспортирования тепла от его источника в зону теплосъема. Главная их особенность, которая способствует их применению — низкое тепловое сопротивление между холодным и горячим концами.

Это тепловое сопротивление тем меньше чем больше диаметр тепловой трубки, что и понятно. Толстая трубка не только содержит больший объем теплоносителя, но и имеет меньшее сопротивление.

Основные достигнутые характеристики современных тепловых труб:

Теплоносители кулеров на ТТ

Из физики известно, что на испарение жидкости необходимо затратить много большую энергию чем на ее нагрев. Сравните удельную теплоемкость и удельную теплоту испарения жидкостей приведенную в Таб.1. Это свойство жидкостей и используется в тепловых трубках.

В качестве теплоносителя в тепловых трубках можно применять множество жидкостей с низкой температурой испарения.

Вы можете этот список дополнить фреоном, аммиаком и другими соединениями, но нас интересует диапазон температур от +20 дл +80 град.С, поэтому для наглядности этого хватит.
Посмотрим таблицу 1.

Не беда что температура кипения перечисленных жидкостей находится в диапазоне от 100 до 34 град.С. Есть простой способ создать условия, чтобы жидкость кипела при заданной температуре. Просто надо снизить давление. Зависимость температуры кипения от давления для воды показана на Рис.1.

Рассмотрим последний столбец табл.1. Это удельная теплота испарения, она показывает сколько Дж тепловой энергии можно отвести при испарении 1 кг данной жидкости. В этом столбце не имеет конкурентов ВОДА! Ближайший соперник (спирт метиловый) имеет вдвое худшее значение! Да и по токсичности и другим параметрам она не имеет конкуренции. Энергия затраченная на испарение описывается формулой [1]

Напомню 1 Дж = 1 Вт*сек или 1Вт = 1 Дж/сек.

Еще множество параметров влияют на эффективность отвода тепла с помощью ТТ.

В первую очередь это кратность обращения теплоносителя в единицу времени. Ее определяют: эффективность теплосъема с горячего конца трубки, сопротивление движению нагретого пара при его движении от горячего к холодному концу тепловой трубки, пропускная способность капиллярного канала для оттока конденсата воды от холодного конца ТТ.

Перечисленное позволяет сделать однозначный вывод
— чем больше диаметр ТТ тем эффективнее ее работа.

Приводим таблицу отводимых мощностей для трубок с любой пространственной ориентацией.

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.

Еще одно требование оказывающее существенное влияние на эффективность работы кулера на тепловых трубках:

Каждый тепловой контакт и теплопроводящий элемент увеличивает тепловое сопротивление конструкции!

Технологии

Heat Transporting System (HTS) в IH-4200hp

В декабре 2005 года компания ICE HAMMER Electronics представила новый вид кулеров на тепловых трубках высокого давления построенных на основе новой технологии Heat Transporting System (HTS).

Не смотря на имеющиеся публикации, нельзя не сказать несколько слов об этой системе.

Учитывая гравитационную физику процессов к данном кулер можно предположить, что его эффективность будет максимальна при нахождении трубок в вертикальном положении.

Может быть не стоило повторять имеющуюся информацию, но этот кулер имеет одну очень важную особенность которую должны знать и о которой я скажу ниже.

По графику на рис. 5 можно предположить, что при температуре порядка 50 град.С кипение смеси наиболее эффективно.

Посмотрим как меняется тепловое сопротивление кулера IH-4200hp в заявленном производителем диапазоне температур показанном на рис.5.

Из графика на рис.6 хорошо видно, что данный кулер выходит на номинальное тепловое сопротивление при температуре источника тепла выше 42 град.С. Это и есть реальная температура кипения смеси.

Те кто решил использовать этот кулер должен помнить, что это горячий кулер и поэтому он требует аккуратного нанесения термоинтерфейса, который должен обладать с низким тепловым сопротивлением (меньше ).

Но, следует отметить, это единственный кулер на технологии ТТ который работает и при температуре во всем диапазоне температур.

Пока единственное решение для процессоров с тепловыделением до 200 Вт.

» Тепловая лента» NCU-1000 производства фирмы TS Heatronics

Еще в 2003 году появились сообщения о производстве нового кулера на «тепловой ленте» он показан на рисунке 7.

Но поскольку упоминаний о нем больше не было, похоже в серию он так и не пошел.
Да это в общем и понятно.
В плоской конструкции с тонким каналом, выдержать постоянную толщину канала по всей длине ленты очень сложно. Если не сказать невозможно, и даже самые хитрые японцы не в силах убрать деформации ленты при пайке (приварке) тепловой ленты к ребрам, основанию.

Тепловые деформации приводят к сужению канала, ухудшению циркуляции теплоносителя.

Celsia Technologies и ее технология «NanoSpreader™».

Предложенная Celsia Technologies технология «NanoSpreader™» представляет собой дальнейшее развитие круглых «Тепловых трубок» и «Тепловых лент» TS Heatronics.

Технология «NanoSpreader™» предлагает теплопроводящую ленту шириной от 70 до 500 мм, толщиной от 1,5 до 3,5 мм, с заявленным тепловым сопротивлением 0,01-0,03 К/Вт.

Возможные применения технологии «NanoSpreader™» показаны на рис. 9.

Главным применением теплопроводных лент может быть переброс тепловых потоков от тепловыделяющих узлов к местам где возможен эффективный съем тепла. Это особенно важно для сверх миниатюрной электронной техники, например ноутбуков.

Они так же могут служить для вывода за пределы корпуса радиоаппаратуры или компьютера тепловых потоков от тепловыделяющих узлов.

Одним из применений сверх низкого теплового сопротивления теплопроводной ленты может быть распределение тепла по поверхности радиаторов изготовленных из алюминиевых сплавов.

Температура закипания теплоносителя в тепловых трубках

На рисунке 10, взятом из (4) видно, что в режиме холостого хода процессор Pentium 4 разогнанный до 4,06 ГГц имел температуру ядра от 46,5 до 48,5 град.С. Это значит, что теплоноситель в тепловых трубках начинал кипеть при данной температуре.

При малом тепловыделении (при температурах ниже точки кипения теплоносителя) кулер практически не отводит тепла (см. выше). (На охлаждение работает только поверхность металлоконструкций основания кулера, эффективность которой мала). В результате температура основания даже при мощности тепловыделения около 10 Вт поднимается до 46- 49 град.С.

Аналогичная ситуация показана на рисунке 11 взятом из (3).

Особенности характеристики кулера на тепловых трубках.

Характеристика кулера на тепловых трубках имеет вид подобный показанному на рис. 4.:

На начальном участке (температура от 0 до t кр=36град.С) охлаждение обеспечивают металлоконструкции кулера. На этом участке его тепловое сопротивление велико, кипения теплоносителя нет.

На следующем участке (температура процессора t кр=36 до t раб=55 град.С) начинает закипать теплоноситель в ТТ, тепловое сопротивление достигает номинального.

Последний участок (температура процессора более t раб=55 градусов) теплоноситель активно кипит, тепловое сопротивление кулера равно номинальному.

Это рабочий участок, на нем и обеспечивается отвод тепла от процессора.

Заключение

Кулеры на тепловых трубках прочно занимают свою нишу, конкурируя с кулерами на основе ребристых радиаторов по техническим характеристикам. И когда цена не имеет значения, кулеры на тепловых трубках можно применять и при тепловыделении до 100 Вт. Но некоторые модели позволяют работать при тепловыделении процессора от 100 до 200 Вт.

Но кулеры на тепловых трубках сами имея малые тепловые сопротивления (от 0,3 до 0,09 град/Вт) работая на тепловыделении около 100 Вт (и более), требуют применения эффективных термопаст. Тепловое сопротивление применяемых термоинтерфейсов в идеальном случае должно быть менее 10% от теплового сопротивления кулера на ТТ. Это позволит полностью использовать ресурс кулера.
Но поскольку часто это просто нереально, то тепловое сопротивление термоинтерфейса должно по крайней мере учитываться.

При выборе наиболее эффективного кулера на ТТ необходимо выбирать кулер с большим числом тепловых трубок имеющих больший диаметр. Конструкция кулера должна обеспечивать непосредственный контакт ТТ с охлаждаемой поверхностью и иметь площадь оребрения холодной части (охладителя), соответствующее выделяемой мощности.

Мы должны помнить:

1. Тепловые трубки применяемые кулерах для ПК диаметром 6 мм имеют максимальную отводимую мощность в диапазоне от 15 до 25 Вт на трубку в зависимости от ее конструкции;

2. Температура закипания теплоносителя в тепловой трубке (а значит и минимальная температура охлаждаемого объекта) находится в диапазоне от 30 до 55 °С, что определяется давлением в трубке и примененным теплоносителем;

3. Для эффективной работы тепловой трубки необходимо обеспечить эффективный отвод тепла от ее «горячего» конца.

Источник

Что находится в тепловых трубках кулера

Yarosil, Вы путаете тепловую трубку и термосифон. Это термосифон обязательно должен иметь зону испарения ниже зоны конденсации (так как возвращает рабочее тело в зону испарения гравитация), а тепловая трубка (heatpipe) в меньшей степени зависит (а некоторые и вообще не зависят) от направления гравитации ( рабочее тело возвращается в зону испарения за счет капиллярного эффекта, возникающего в специальном пористом слое на внутренней поверхности трубки).

Добавлено через 5 минут 27 секунд

Ой как было бы интересно посмотреть на работу этих якобы существующих капилляров. Что значит РАВНОМЕРНО распределён пар? Это что значит нет места скопления его в жидком виде? Тогда такая трубка не будет работать, а если Есть такое место, то оно ВНИЗУ. или на верху. капилляры ведь. НУ ИЛИ ТАМ ИЛИ ТАМ.

Просто эффективность НАСТОЯЩЕЙ тепловой трубки ОЧЕНЬ большая и реальных четыре-шесть тепловых трубки, не давали бы нагреться процу вообще! Или температура проца и концов трубки и значит и всей решётки радиатора, отличались бы на пять может чуть больше градусов от температуры самого проца. ЧТО у многих решётка кулера обжигается. Не забывайте взяли эту технологию из АЭС.

Так что пока какой-нибудь производитель, или энтузиаст не НАРИСУЕТ схему, где каждое действие этих капилляров или других способов передачи тепла не будет объяснено ясно и чётко, считаю это лохотроном на 80-90%, так как всё таки это не совсем обычный радиатор, и на % 10-20 они лучше.

А проверить мои слова просто, берём настоящую тепловую трубку, без всяких там капилляров (вакуум, и жидкость, лучше не вода а легко испаряющаяся).

В вертикальном положении, снизу нагреваем, сначала слабо градусов на 10-15 потом сильно до 90 и измеряем температуру на верху, она должна быстро приблизится к значению температуры внизу, так как тепловая трубка работает даже с маленькими температурами. А потом взять трубку от супер кулера с капиллярами и проверить её так-же вертикально и горизонтально, и если теплопроводимость будет такая же как у обычной тепловой трубки, то я буду крайне удивлён.

Источник

Не обсуждаемая особенность тепловых трубок

на страницах сайта

www.electrosad.ru

Тепловые трубки в электронике.

Что касается применения тепловых трубок (ТТ) для охлаждения полупроводниковых чипов в электронике, где требуются теплоносители с температурой кипения от 30 до 75 град.С, то ниже привожу таблицу со свойствами таких веществ.

Удельная теплоемкость,
Дж/кг*град

Температура
кипения,
град.С

Удельная теплота испарения,
Дж/кгАцетон

348Спирт метиловый

1110Спирт пропиловый

683Спирт этиловый

846Эфир этиловый

2260/2400
( 1/0,05кГ/см2)

Таблица 1.
Температура кипения вещества дана для нормального атмосферного давления.

Как достигается такой широкий температурный диапазон работы теплоносителя?

Снижая давление теплоносителя можно снижать температуру его кипения.

Посмотрим на примере воды.

На рисунке 1 показан график зависимости температуры закипания воды от давления. Зеленая линия ограничивает минимальное значение давления, а синяя верхняя граница — за которой падает способность ТТ отводить заданную мощность в приделах допустимого диапазона температур полупроводниковых структур CPU.

Влияние технологии на характеристики ТТ.

Тепловые трубки требует для изготовления не только высоких технологий для изготовления качественных капиллярных структур, но и высокой точности при создании нужного разрежения в ней. Ведь веществ кипящих при 25-32 град.С просто нет.

Для составных хладагентов (смесей), погрешность концентраций компонентов хладагента тоже существенно влияет на характеристики кулера на ТТ, тем более в таких системах непонятна долговременная стабильность смесей.

Это весьма существенный разброс.

И такая возможность вполне реальна (см. рис.1).

К сожалению тонкое регулирование температуры закипания теплоносителя, с помощью регулирования его давления, по моим сведениям не применяется.

Не следует забывать, что до температуры закипания теплоносителя, тепловое сопротивление кулера на ТТ очень велико. До 10 раз выше чем у обычных ребристых радиаторов.

Это происходит из-за небольшой площади поверхности рассеяния тепла, которая определяется только площадью поверхности основания и непосредственно контактирующих с ним элементов конструкции (корпусов тепловых трубок). Оребрение на концах ТТ в этом случае не работает.

Это означает, что при работе процессора даже на малой производительности (тепловыделении) его температура будет соответствовать температуре закипания теплоносителя в ТТ, плюс падение температуры на контактной поверхности.

Поэтому для тепловых трубок имеющих высокую температуру или большой разброс температуры закипания (низкого качества), можно рекомендовать дополнительное охлаждение его подошвы контактирующей с процессором с помощью теплообменника на основе ребристого радиатора. Это позволит снизить температуру процессора в режиме холостого хода (малого тепловыделения). Такой тандем работает во всем рабочем диапазоне температур. При низком тепловыделении работает ребристый радиатор, а при больших тепловыделениях основную нагрузку берут на себя тепловые трубки. По такой схеме выполнены многие модели кулеров. Например CoolJag Falcon 92-Al и Falcon 92-C или GlacialTech Igloo 5700 MC/7700 MC и множество других.

Особенности характеристики кулера на тепловых трубках.

Характеристика кулера на тепловых трубках имеет вид подобный показанному на рис. 4.:

На рисунке 4 показана обобщенная характеристика кулера на тепловых трубках.

На начальном участке (температура до t кр) охлаждение обеспечивают металлоконструкции кулера. На этом участке его тепловое сопротивление велико, кипения теплоносителя нет.

Последний участок (температура процессора более t раб) теплоноситель активно кипит, тепловое сопротивление кулера падает до номинального значения.

Это рабочий участок, на нем и обеспечивается отвод тепла от процессора.

Заключение.

Знать заранее температуру закипания теплоносителя в тепловых трубках кулера (поскольку она не указана производителем) невозможно.

А эта температура определяет температуру с которой тепловые трубки начинают отводить тепло.

До начала кипения теплоносителя кулер на ТТ работает как обычный ребристый металлический кулер, с той только разницей, что его поверхность имеет много меньшую площадь и соответственно меньший теплосъем.

Единственный способ оценить температуру с которой начинает работать кулер на ТТ, это проверить температуру процессора в покое (когда его тепловыделение минимально). Эта температура будет максимально приближаться к температуре кипения. Для обеспечения максимальной эффективности кулера эта температура должна быть максимально близка к температуре воздуха в корпусе компьютера.

При температуре 45-55 град.С, я бы не рекомендовал применять кулеры на ТТ.

На мой взгляд это просто брак.

В первую очередь это кулер собранный из тепловых трубок с разной температурой закипания теплоносителя. При ее величине одной из ТТ не более 27°С, что обеспечит нормальный отвод тепла при малом тепловыделении. А все последующие ТТ в наборе с температурой закипания 32, 37, 42 и 47°С. Это позволит расширить динамический диапазон кулера и повышения его эффективности при малом тепловыделении.

Источник

Еще немного о тепловых трубках

на страницах сайта

www.electrosad.ru

Не буду здесь рассматривать конструкции кулеров с тепловыми трубками, это я делал в других статьях. Рассмотрим здесь только эффективность тепловых трубок и ее зависимость от условий их применения, от его конструкции и просто качества изготовления.

На их эффективность, как любой другой системы отвода тепла, существенное влияние оказывают и условия применения тепловых трубок.

Рассмотрим влияние внешних факторов на эффективность работы, на примере тепловой трубки с применением фазового перехода воды при пониженном давлении.

Тепловая трубка и влияние на ее эффективность внешних факторов

Как и в системах отвода тепла построенных на эффекте теплопроводности или прокачки теплоносителей, так и у тепловых трубок эффективность их работы определяется тепловым потоком P пропускаемым устройством. Который в свою очередь определяется разностью температур источника тепла и внешней среды:

Здесь k некоторый коэффициент определяющий условия теплообмена для данной конструкции.

Применительно к тепловым трубкам это выглядит так:

В исходном состоянии теплоноситель в состоянии баланса жидкой и паровой фазы находится в точке А кривой.

При подаче тепла в область нагрева, теплоноситель в тепловой трубке закипает и условия баланса выполняются для точки Б (для слабой теплоотдачи) или для точки В (для хорошей теплоотдачи) в охлаждаемой области.

Другими словами, если не обеспечить эффективный теплосъем в области теплоотдачи, то тепловая трубка не будет эффективно отводить тепло.

Поэтому, если говорить о тепловой трубке, то ее эффективность напрямую зависит от эффективности теплосъема в охлаждаемой области.

Режим без отвода тепла с холодного конца тепловой трубки

Как я уже говорил выше, если не обеспечить отвод тепла от охлаждаемой области, тепловая трубка нагревается по всей поверхности и ее тепловое сопротивление стремится к бесконечности.

И она просто не может выполнять свою функцию.

Объем жидкости (теплоносителя) в тепловой трубке и отводимая мощность

Объем теплоносителя в тепловой трубке определяет ее возможность работы при больших тепловых потоках. Поэтому его количество по возможности должно быть большим.

Очень важно, чтобы не было ни недолива, ни перелива тепловой трубы теплоносителем.

Избыточное количество теплоносителя может приводить к блокированию поверхности конденсатора.

Исходя из этого, количество теплоносителя может быть рассчитана по формуле:

Отсюда вытекает, что для увеличения объема (массы) активного тела в тепловой трубке требуется увеличение ее диаметра. Все это приводит к увеличению максимальной отводимой мощности через тепловую трубку и снижает ее тепловое сопротивление.

В последних моделях кулеров на тепловых трубках, для увеличения объема теплоносителя используется «испарительная камера» расположенная в основании теплообменника и имеющая объем превышающий объем тепловых трубок. Это позволяет увеличить отводимую кулером мощность.

Характеристики некоторых возможных теплоносителей для тепловых трубок приведены в таблице 1.

Теплоносители расположены в порядке падения температуры кипения.

В последнем столбце показан массовый расход теплоносителя для теплосъема 1 КДж (1 КВт*сек) в области нагрева тепловой трубки. данное значение только характеризует массовую эффективность вещества. Эта величина отличается более чем в 10 раз и показывает, что для отбора 1 КДж энергии требуется испарить массу 0,44 г ВОДЫ или 5 г ФРЕОН 11.

При изготовлении тепловых трубок большое внимание уделяется чистоте применяемых материалов:

Под очисткой понимается обезжиривание поверхностей, обезгаживание и удаление примесей из теплоносителя. Не выполнение этих операций приводит к большому разбросу теплопроводности тепловой трубки. а иногда и ее неработоспособности.

— применение обычной воды содержащей примеси железа, кальция и др приведет к выпадению этих примесей в капиллярных структурах и ухудшению их пропускной способности.

— Содержание газа (азота, кислорода или другие) в тепловой трубке минимально приведет к падению ее теплопроводности, а в максимуме к нежелательным химическим реакциям в ней.

Особую роль в долговечности тепловых трубок имеет совместимость материалов. Все применяемые материалы должны быть химически инертны в условиях экстлуатации тепловой трубки.

С.Чи, Тепловые трубы теория и практика, перевод с английского В.Я. Сидоров, М, Машиностроение, 1981 г.

В.А.Алексеев, В.А.Арефьев, Тепловые трубы для охлаждения и термостатирования радиоэлектронной аппаратуры, М. Энергия, 1979 г.

П.Д.Дан, Д.А.Рей, Тепловые трубы, Перевод с английского Ю.А.Зейгарника, М. Энергия, 1979 г.

Источник