Системы охлаждения на основе тепловых трубок

Собственно, сам термин «тепловая труба» (HeatPipe) далеко не новый. Впервые идея использования тепловой трубы в качестве устройства с высокой теплопроводностью была предложена Голгером еще в 1942 году, и такие трубы в радиаторах процессоров встречаются все чаще. Особенно актуальны они для систем охлаждения чипсетов и компонентов видеокарт.

Рис. 2. Системы охлаждения на основе тепловых трубок

Прежде всего, остановимся на принципе действия тепловой трубы. Прототипом тепловой трубы был термосифон, поэтому сначала следует рассмотреть принцип действия этого устройства.

Принцип действия термосифона достаточно прост и основан на таком хорошо известном физическом явлении, как конвекция. Простейший термосифон представляет собой полую трубку, например, из меди, внутри которой имеется небольшое количество рабочей жидкости. Жидкость может быть различной — все зависит от характерных температур. Для температур от 0 до 300 °C в качестве рабочей жидкости может использоваться вода. После добавления жидкости из корпуса термосифона откачивают воздух, а корпус запаивают (герметизируют).

Термосифон располагается вертикально, а конец с жидкостью помещается в область повышенной температуры. При подводе тепла жидкость начинает превращаться в пар (зона испарения). Из курса физики известно, что процесс парообразования происходит при любой температуре, однако только до тех пор, пока давление пара над жидкостью не станет насыщенным. На скорость парообразования влияют такие факторы, как температура жидкости и давление. Чтобы повысить интенсивность парообразования при температурах, которые значительно ниже температуры кипения жидкости (имеются в виду температуры кипения при нормальном атмосферном давлении), как раз и создается разреженное давление внутри термосифона.

Образующийся при нагревании пар в результате конвекции движется вверх, то есть в зону с меньшей температурой. В результате остывания пар конденсируется и стекает по стенкам термосифона вниз. Итак, мы рассмотрели простейшую модель тепловой трубы (точнее, термосифона), обладающей теплопроводностью, которая в сотни раз выше теплопроводности аналогичной по геометрии цельной медной трубки. Для эффективного теплоотвода с помощью такого термосифона необходимо обеспечить постоянный отвод тепла от зоны конденсации, что можно сделать с помощью радиатора. Таким образом, необходимо, чтобы всегда был, градиент температуры и чтобы температура зоны конденсации была, достаточной для конденсации пара. Отметим, что термосифон способен обеспечить большую мощность теплопередачи даже при малой разности температур между его концами, так как скрытая теплота парообразования у жидкостей велика.

Рассмотренный принцип действия термосифона достаточно хорошо известен, так как уже на протяжении многих десятилетий используется в самогонных аппаратах, — ничего оригинального здесь нет. Единственное отличие термосифона от самогонного аппарата заключается в том, что в последнем образующийся конденсат не возвращается обратно, а используется по прямому назначению, то есть «в медицинских целях». Именно необходимость возврата сконденсировавшейся жидкости в зону испарения исключает использование термосифона иначе, как в горизонтальном положении. В этом случае жидкость стекает вниз под действием гравитационных сил, поэтому термосифон может работать только тогда, когда зона испарения находится ниже зоны конденсации. В этом заключается главный недостаток термосифона, ограничивающий его использование в системах охлаждения процессоров. Для построения более универсальных систем охлаждения требуется, чтобы теплоотвод осуществлялся при любом положении трубы, а не только при вертикальном. Однако для этого необходимо предусмотреть иной механизм возврата конденсата в зону испарения, то есть не под действием, а, возможно, вопреки действию гравитационных сил. Таким механизмом возврата может служить капиллярный эффект. Идея достаточно проста: если опустить в вертикальном положении конец тряпки или веревки в стакан с водой, то через некоторое время вся тряпка или веревка станет мокрой, поскольку за счет капиллярного эффекта вода будет подниматься по тряпке вверх против действия гравитационных сил. На этом простом принципе основана работа таких бытовых приборов, как спиртовая горелка или керосинка, так что и здесь нет ничего нового.

Итак, добавляем в термосифон пористый капиллярный материал (фитиль) и получаем тепловую трубу. Впервые такая тепловая труба была предложена Гровером в 1963 году.

В тепловой трубе в качестве сил, поднимающих конденсат против сил гравитации, используются капиллярные силы, возникающие при смачивании жидкостью капиллярно-пористого материала. В отличие от термосифона, тепловая труба работает в любом положении.

Тепловые трубы, используемые для системы охлаждения процессоров, обычно изготавливаются из меди. При этом корпус тепловой трубы должен быть герметичным, выдерживать перепад давлений между внутренней и внешней средами и обеспечивать подвод тепла к рабочей жидкости и отвод тепла от нее. Диаметр тепловой трубы может быть различным, однако должно соблюдаться условие, чтобы внутренний диаметр полости исключал действие капиллярных сил, то есть, чтобы паровой канал не превратился в капиллярный.

В качестве рабочей жидкости могут использоваться различные вещества, но они должны отвечать определенным требованиям. Прежде всего, рабочая жидкость должна иметь точку фазового перехода «жидкость — пар» в требуемом диапазоне рабочих температур. К тому же жидкость должна обладать достаточно большой удельной теплотой парообразования, так как чем выше удельная теплота парообразования, тем меньше потребуется жидкости. Кроме того, жидкость должна иметь высокую теплопроводность, чтобы свести к минимуму перепад температур между стенкой трубки и поверхностью испарения. Предпочтительнее использование жидкостей с высоким поверхностным натяжением, так как в этом случае жидкость будет обладать ярко выраженным капиллярным эффектом.

Для охлаждения процессоров в качестве рабочей жидкости можно использовать воду (диапазон рабочих температур — от 30 до 200°С) или ацетон (диапазон рабочих температур — от 0 до 120°С).

Капиллярно-пористый материал, используемый в тепловых трубках, должен быть достаточно мелкопористым для улучшения капиллярного эффекта, но в то же время слишком мелкопористая структура будет препятствовать проникновению жидкости. Поэтому выбор материала для фитиля зависит и от рабочих температур, и от общей длины тепловой трубки.