Що таке теплові трубки?

Що ж таке – теплова трубка?

Якщо говорити научною мовою, теплова трубка (ТТ) – це замкнутий випарно-конденсаційний пристрій, призначений для охолодження, нагрівання, або терморегулювання об’єктів.

Якщо взяти звичайну металеву трубку, налити в неї трохи води, практично повністю відкачати з неї повітря (це дуже важливо, що не відкачаний повітря буде заважати пароутворенню і швидкому руху пара), і герметично закрити її з обох сторін, то ми отримаємо найпростішу теплову трубку, яка називається термосифон, і ідеально працює у вертикальному стані. Термосифон працює так: до нижнього кінця (зона випаровування) підводитися тепло, вода починає випаровуватися без бульбашкового кипіння (це теж дуже важливо, тому що при кипінні на стінках ТТ виникають бульбашки, які ускладнюють відведення пари і обмежують потужність теплопередачі), поглинаючи при цьому велику енергію. Пара піднімається по трубці до холодного кінця (зона конденсації), конденсується, віддаючи енергію, і у вигляді води стікає по стінках трубки вниз. Так як прихована теплота фазового переходу у багатьох речовин досить висока, забезпечується висока щільність теплового потоку. Термосифони можуть працювати, якщо зона випаровування знаходиться нижче зони конденсації, тому область їх застосування обмежена.

Історія

Перші термосифони застосовувалися для випічки хліба в Америці в 19 столітті. Нижній кінець трубки підігрівався в топці, а верхній кінець був з’єднаний з камерою, в якій випікався хліб. Завдяки тому, що ТТ і термосифон володіють термостабілізуючими властивостями, хліб ніколи не пригорає.

6 липня 1944р в США був зареєстрований патент №2350348. Автором винаходу був Гоглер, співробітник американської фірми General Motors. Як вказував автор, метою винаходу було “… забезпечення поглинання теплоти, або, іншими словами, випаровування рідини в точці, що лежить вище області конденсації або зони відводу теплоти, без додаткових витрат на підйом рідини від рівня конденсатора”. Для повернення рідини із зони конденсації в зону випаровування була запропонована капілярна структура. Тобто Гоглер винайшов теплову трубу, яка могла працювати в будь-якому положенні і мати будь-яку форму.

У жовтні 1973р в Штутгарті пройшла перша міжнародна конференція з тепловими трубками, після якої вони отримали загальне визнання.

Деякі характеристики ТТ

В даний час більш ефективного пристрою для передачі теплової енергії, ніж ТТ, не існує. Циліндрична ТТ з водою при t = 50oС матиме теплопровідність в сотні разів більше ніж у міді. ТТ на літії при t = 1500oС В осьовому напрямку може передати тепловий потік до 25кВт / см2.

Сучасні ТТ мають такі характеристики:

• Робоча температура від 4К до 2300К
• Довжина від декількох сантиметрів до десятків метрів
• Діаметр від 2-3мм. до декількох метрів
• Потужність теплопередачі до 25кВт / см2
• Ресурс роботи до 100 000 годин

По виду теплоносіїв розрізняють металеві (калій, натрій, цезій і т.д.) для дуже високих температур, і неметалеві (вода, аміак, ацетон, фреони і т.д.) для низьких і середніх температур, до області яких відноситься і діапазон допустимих температур процесора. Для повернення конденсату в зону випаровування можуть використовуватися гравітаційні, капілярні, відцентрові, електростатичні і т.д. сили.

Важливо відзначити, що ТТ починає працювати при будь-якому перепаді температур на її кінцях, це означає, що вона буде відводити тепло від процесора, нагрівшись до 60 градусів навіть якщо її інший кінець буде мати температуру 59 градусів. Невисокий коефіцієнт тепловіддачі (потужність, відведена з одного квадратного метра поверхні, за умови, що її температура на один градус вище температури навколишнього середовища) пасивного радіатора (він застосовується, тому абсолютно безшумний) на холодному кінці ТТ знизить допустиму температуру навколишнього середовища, але не набагато.

Конструкція ТТ

Найбільш сучасний і поширений тип теплової труби – ТТ Гровера – складається всього з трьох елементів: корпус, робоча рідина та КПМ (капілярно-пористий матеріал).

корпус:

• забезпечує ізоляцію робочої рідини від зовнішнього середовища,
• повинен бути герметичним,
• витримувати перепад тиску між внутрішніми і зовнішніми середовищами,
• забезпечувати підведення теплоти до робочої рідини і відведення теплоти від неї.

Січення – кругле або прямокутне. Мінімальний діаметр ТТ повинен бути таким, щоб внутрішній діаметр зони транспорту пару виключав дію капілярних сил, тобто щоб парової канал не перетворився на капілярний; максимальний – принципових обмежень не має. Матеріал – зазвичай використовують нержавіючу сталь, алюмінієві сплави, мідь, скло, бронзу; пластмаси (гнучкі ТТ), кераміку (високотемпературні ТТ).

Робоча рідина:

• забезпечує теплопередачу в системі при робочих температурах
• не повинна розкладатися при цих температурах,
• повинна володіти досить великою прихованою теплотою пароутворення,
• повинна добре змочувати матеріал гніту і корпусу,
• повинна мати низьке значення в’язкості рідкої і парової фаз,
• повинна мати високу теплопровідність і високий поверхневий натяг.

Залежно від інтервалу температур (вказана температура охолоджуваного тіла) можуть бути використані самі різні речовини наведені до рідкій фазі – від зріджених газів до металів: гелій (-271 … -269oC), аміак (-60 … + 100oC), фреон-11 (-40 … + 120oC), ацетон (0 … + 120oC), вода (25 … 200 ° C), ртуть (250 … 650 ° C), натрій (600 .. . 1200 ° C), срібло (1800 … 2300oC) і т.д.

Капілярно-пористий матеріал (гніт):

• він повинен бути дрібнопористим для створення максимального напору і в той же час повинен бути великопористим для збільшення проникності (по рідини); у зв’язку з цим в умовах роботи проти сил гравітації практично не використовується ТТ завдовжки більше 1 м;
• шар КПМ уздовж стінок повинен бути товстим для збільшення витрати рідини (збільшення теплопередачі) і в той же час повинен бути тонким для зменшення термічного опору гніту в радіальному напрямку (з метою збільшення щільності теплового потоку в випарнику).

КПМ забезпечує переміщення рідини із зони конденсації в зону випаровування і рівномірно розподіляє її по всій зоні випаровування. Вимоги до КПМ суперечливі, необхідні параметри підбирають, виходячи з конкретної ситуації.

Примінення Теплових Трубок та Висновки.

Найбільшу популярність теплові трубки знайшли в системах охолодження ноутбуків. Все має бути компактно і ефективно. Це в системному блоці є місця щоб поставити наприклад водяне охолодження яке займає як спереляку). Взагалі раніше радіатори охолодження робили з алюмінію який відводив тепло. Потім вхід пішла мідь. Вона має набагато більшу теплопровідність і краще відводить тепло. Але так як виділення тепла росло – почали примінятися теплові трубки.

На сьогоднішній день – це саме грандіозне і компактне охолодження.