Системы охлаждения на основе тепловых труб Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ НА ОСНОВЕ

Резюме. В статье рассматриваются вопросы подбора рабочей жидкости, материала фитиля и корпуса при проектировании и создании тепловых труб. Разработаны научные основы оптимизации структуры и свойств капиллярно-пористых материалов для организации процессов тепло- и массообмена в них. Представлены результаты экспериментального исследования характеристик тепловых труб с различными фитилями и системы охлаждения мощных светодиодов на их основе. Ключевые слова: тепловая труба, фитиль, термическое сопротивление, светодиод, система охлаждения.

последние годы большое внимание

В уделяется конструкторским разработкам, исследованию и производству твердотельных источников света на основе мощных светодиодов. Их эффективность составляет порядка 100— 120 Лм/Вт, анонсируются также изделия с интенсивностью 130— 160 Лм/Вт [1]. Однако наряду с преимуществами перед традиционными системами освещения [2, 3] есть и факторы, свидетельствующие не в пользу светодиодных устройств и препятствующие их внедрению. Хотя их и называют «холодными излучателями», в свет

преобразуется не вся электрическая энергия, большая ее часть (60-75%) превращается в тепло. Именно поэтому све-тодиоды нуждаются в регулировании температурных режимов [2-4].

Стремление к повышению плотности светового потока неизбежно приводит к росту величины электрического тока, проходящего через кристалл полупроводника и, как следствие, к усилению тепловыделения. Температурная зависимость параметров вольтамперной характеристики (ВАХ) выражается в снижении прямого падения напряжения на диоде при фиксированном протекающем токе

с ростом температуры перехода. Следовательно, уменьшается мощность, рассеиваемая на светодиоде при фиксированном токе, снижается энергетическая эффективность излучения, повышается цветовая температура за счет нарушения баланса между первичным и вторичным излучением.

Значительно сокращает полезный срок службы непрерывная работа светодиода при высокой температуре перехода, на которую влияют три фактора: ток возбуждения, тепло-отвод и температура окружающей среды. Перепад температур между кристаллами и подложкой (в среднем примерно 20 °С) меняется

Система охлаждения

Естественное воздушное

Принудительное воздушное

Жидкостное

Тепловые трубы

Компрессорное

Преимущества

Низкая цена

Низкая цена

Малый объем, гибкая

конфигурация, низкое тепловое сопротивление, малый уровень шумов

Малый объем, низкое тепловое сопротивление, малый уровень шумов

Малый объем, низкое тепловое сопротивление, нет зависимости от окружающей температуры

Малый объем, низкое тепловое

сопротивление,

Термоэлектрическое

нет зависимости от окружающей температуры

Низкое тепловое сопротивление, Термоакустическое нет зависимости от окружающей температуры

Недостатки

Большой объем,

высокое тепловое

сопротивление,

требуется

пространство для

распределения

тепла

Необходимо распределение тепла, высокое тепловое сопротивление, акустические шумы

Необходим насос, возможность утечек, высокая цена

Необходимо использовать в совокупности с другими системами охлаждения

Высокая цена, сложная конструкция, акустические шумы

Ограниченная теплонесущая способность, низкая эффективность

Отсутствуют разработанные промышленные технологии

Область применения

Практически во всех областях электроники

Практически во всех областях электроники

Лазерные диоды, силовая электроника

Портативные компьютеры, силовая электроника, космос

Экспериментальные системы,

кондиционирование

Оптоэлектроника

Экспериментальные системы для космоса

Таблица 1. Сравнительные характеристики систем охлаждения

в зависимости от мощности модуля, режимов охлаждения и внешних условий. При проектировании осветительной системы на базе мощных светодиодов необходимо предусмотреть эффективную систему теплоотвода, позволяющую поддерживать температуру перехода не выше 80-85 °С на теплоотводящем основании и около 100 °С на кристалле светодиода. При росте температуры эксплуатации светильник

будет работать некоторое время, но быстрое уменьшение светового потока сведет на нет все его преимущества. С увеличением рабочего тока све-тодиодов растет размер радиатора, а уменьшение тока требует больше светодиодов для обеспечения заданного светового потока и, соответственно, повышается цена изделия.

Есть три способа охлаждения светодиода: через корпус, печатную плату (токонесущие

дорожки, плакированная печатная плата) и с помощью радиаторов (естественное, вынужденное охлаждение), приклеиваемых или припаиваемых на плату или монтируемых отдельно [2, 4-7]. Основные преимущества и недостатки различных технологий отвода тепла приведены в табл. 1 [5, 6, 8, 9].

Тепловая труба - испари-тельно-конденсационные устройство, служащее для отвода тепловых нагрузок от труднодоступных тепло-напряженных элементов при малых градиентах температуры, работающее по замкнутому циклу. Характеризуется очень высокой эффективной теплопроводностью (5000-20000 Вт/ (м*К)); способностью передавать теплоту на несколько порядков выше, чем в устройствах, где этот процесс происходит за счет изменения энтальпии теплоносителя; изотермич-ностью поверхности при низком термическом сопротивлении; относительной простотой конструкции [10-12].

Коэффициенты теплопроводности для сравнения: графен - 4000-5780 Вт/(м-К), алмаз - 1000-2600, алюминий - 202-236, бронза 47-180, латунь - 86-111, медь - 389-401, железо - 74-92, сталь - 11-78, титан - 14-16, никель - 55-93.

Основные элементы тепловой трубы: корпус, фитиль, рабочая жидкость. Устройство и принцип ее работы представлены на рис. 1.

Сферы применения систем охлаждения на тепловых трубах:

■ лазерная техника - охлаждение оптоэлектронных компонентов и светодиодов при высокой плотности теплового потока, регулирование температуры источника тепловыделения;

■ силовая электроника - охлаждение изолированных биполярных транзисторов, тиристоров нового поколения, силовых диодов, отвод тепла от труднодоступных точечных источников тепла электронных схем;

■ строительство - использование низкопотенциального тепла, системы кондиционирования;

■ солнечная энергетика - отвод тепла от солнечных батарей, применение солнечной энергии для нагрева воды и аккумуляции тепла;

■ космическая техника - терморегулирование космических аппаратов, охлаждение бортовой радиоэлектроники;

■ радиолокационная техника -охлаждение активных фазированных антенных решеток.

Для эффективного снижения температуры нагревания мощных светодиодов необходимо использовать системы охлаждения на основе труб с высокой изотермичностью поверхности и теплопередаю-щей способностью в широком диапазоне тепловых нагрузок, гравитационно независимые, с низкой себестоимостью.

Пассивные охладители на тепловых трубах обладают высокой теплопроводностью, эффективны и компактны. Они более технологичны при производстве и монтаже, облегчают компоновку радиатора, обеспечивают высокую изотермич-ность теплоотдающей поверхности, влаго- и пылезащищен-ность, электро- и пожаробе-зопасность, отсутствие шума, возможность работы в производственных помещениях (грязных средах).

Перед сотрудниками ИТМО стояли следующие задачи: выбор рабочей жидкости и материала корпуса, типа и конструкции фитиля; расчет пределов теплопередающей способности трубы; оптимизация

ее конструкции. На основе анализа литературы и типов труб сделан выбор в пользу классических тепловых труб, для которых термическое сопротивление и стоимостные показатели низкие, при этом они более эффективны при работе против силы тяжести.

Рабочая жидкость должна быть совместимой с материалом фитиля и корпуса трубы, а также смачивать их; обладать высокой термической стойкостью и теплопроводностью; давление паров жидкости в рабочем диапазоне температур не должно быть излишне высоким или низким; иметь большую скрытую теплоту парообразования, низкое значение вязкости жидкой и паровой фаз, высокое поверхностное натяжение.

При выборе теплоносителя для определения способности к заполнению фитиля использовалось соотношение ai/p [10]. Данный параметр входит в критерий Бонда (Во), который представляет собой отношение сил гравитации к капиллярным силам и характеризует способность жидкости двигаться в поле сил тяжести. Значение Bo должно быть минимальным [13]. Вода превосходит остальные жидкости по параметру al/pl во всем рабочем диапазоне температур.

Для сопоставления рабочих жидкостей используется также критерий качества M [10, 11], или критерий Кунца [13], определяющий максимальную передающую способность устройства:

M =

И/

где а; - поверхностное натяжение, р1 - плотность рабочей жидкости, ц - динамическая вязкость жидкости,

Ь - скрытая теплота парообразования. Вода имеет несомненное преимущество благодаря высоким значениям скрытой теплоты парообразования и поверхностного натяжения по сравнению с жидкостями органического происхождения.

Поскольку кипение в пористой структуре может привести к блокированию парами доступа жидкости в испарителе, желательно использовать субстанцию с высоким значением перегрева ДТ, чтобы уменьшить вероятность появления пузырьков. Значение перегрева, необходимого для образования пузырей, определяется соотношением:

дг = 3.06?>,

где р„ - плотность рабочего пара, 5 - толщина теплового слоя (для расчета 5 берется 0,15 мм) [10, 11]. Наименьший показатель допустимого перегрева (ДТ) рассчитан при рабочей температуре пара Т„ = 60 °С (оптимальная рабочая температура светодио-дов): Н2О - 1,4675 К, СН3ОН -0,0117; С3Н6О - 0,0103; С7Н16-0,0222; Б1Ш:ес РР9 (перфторме-тилдекалин) - 0,1877; Ии1ес РР2 (перфторметил-циклогексан) -0,0095; МН3 - 0,0044 К.

Очевидно, что возникновение зародышей пара при наибольшем перегреве менее вероятно у воды. Она признана наиболее подходящей рабочей жидкостью для тепловых труб

Рис. 1. Устройство и принцип работы тепловой трубы:

1 - корпус трубы,

2 - фитиль,

3 - паровой канал

Рис. 2. Сечения тепловых труб с порошковой (А), сетчатой (Б) и канавчатой(В) структурой

Рис. 3. Фитиль с канавчатой (А) и сетчатой (Б) структурой

системы охлаждения мощных светодиодов. При окончательном выборе учитывалась стоимость воды, доступность, технологичность операций (например, заправки) с сохранением высокой чистоты и степени дегазации, чтобы свести к минимуму закупорку трубы неконденсирующимися газами.

При выборе материала корпуса принимали во внимание его совместимость с водой во избежание разложения теплоносителя (неконденсирующийся газ выводит часть конденсатора из работы), коррозии и эрозии корпуса (изменяется краевой угол, смачиваемость, размер пор; образующиеся твердые частицы осаждаются в испарителе, увеличивая сопротивление движению жидкости в испарителе) [10-12]. Медь оптимальна, поскольку характеризуется высокой теплопроводностью, возможностью выдерживать перепад давлений между внутренней полостью

корпуса и окружающей средой, технологичностью (свариваемость, простота механической обработки, пластичность); смачиваемостью.

На рис. 2 представлены фитили с различной капиллярной структурой: порошковой, сетчатой, канавчатой. Назначение фитиля - обеспечить капиллярный напор для перемещения жидкости из конденсатора в испаритель и должное ее распределение по всей зоне испарения.

Тепловые трубы с порошковым фитилем имеют некоторые ограничения в эксплуатации. Например, замерзание теплоносителя приводит к разрушению фитиля и выходу из строя сначала трубы, а затем и светодиодов.

Фитили с канавчатой и сетчатой структурой работают в широком диапазоне температур, виброустойчивы, отличаются низкой себестоимостью. Они и были выбраны для создания системы охлаждения мощных светодиодов.

В ИТМО разработана технология изготовления микроканалов различной ширины и глубины, что обеспечивает высокую точность и стабильность конструктивно-технологических параметров по длине трубы.

Использование сеток с различными видами плетения, размерами ячеек и нитей позволяет создавать фитили с заданными параметрами (размером пор, проницаемостью) и тем самым контролировать

гидравлическое сопротивление и максимальный капиллярный напор. Тепловые трубы с такими фитильными структурами, выполненными из совместимой с водой и медью нержавеющей стали, высокотехнологичны и надежны. Учитывая существенное влияние краевого угла смачивания на эксплуатационные характеристики, для увеличения капиллярного давления применяется термическое оксидирование. Термообработка при 450-480 °С увеличивает влаго-поглощение на 50%.

На рис. 3 представлено несколько вариантов фитилей, разработанных и изготовленных в ИТМО. Тепловые трубки с прямоугольными канавками имеют более изотермическую поверхность, но их максимальная теплопередающая способность ниже, чем для тепловых труб с сетчатой структурой фитиля. Термическое сопротивление определяется как величина, численно равная отношению разности среднепо-верхностных температур корпуса в зонах испарения и конденсации к тепловому потоку (К/Вт). Обратная величина -тепловая проводимость (Вт/К).

Поскольку тепловая труба работает ниже порогов передаваемой тепловой мощности, выбор конструкции изделия определялся исходя из ряда ограничений по передаваемой мощности: вязкостное связано с возрастанием сил вязкости в паровом потоке при понижении температуры;

капиллярное - с максимальной перекачивающей способностью капиллярной структуры; звуковое - с запиранием парового потока в паровом канале; по уносу - с уносом (срывом) капель жидкости с межфазной границы «жидкость - пар» фитиля паром, который движется с большей скоростью, чем жидкая пленка; по кипению - с разрушением потока жидкости пузырьковым кипением в фитиле. Определяющими в заданном диапазоне температур являются два ограничения: связанное с капиллярными и транспортными возможностями пористой структуры фитиля и определяемое кризисом кипения (рис. 4). Достижение любого из указанных ограничений приводит к резкому увеличению температуры стенки в зоне подвода тепла и, соответственно, к резкому перепаду температур по длине тепловой трубы.

Для стабильной работы должен соблюдаться баланс давлений, то есть сумма потерь давления в жидкой, паровой фазах, гравитационного напора должны быть меньше или равны максимальному капиллярному напору:

Apc>Áp,+Apu+Apg ,

где Apc = loilr cos© - максимальный капиллярный напор (cos©=1 - краевой угол при полном смачивании); Api - перепад давления в потоке жидкости; Ap„ - перепад давления в потоке пара; Apg = pigl sin ф -гравитационная составляющая полного падения давления (ф - угол между осью тепловой трубы и горизонталью, ф положителен, если конденсатор расположен ниже испарителя). Очевидно значительное влияние ориентации трубы

в пространстве на передаваемую максимальную мощность.

Теплопередающая способность тепловой трубы тем выше, чем больше толщина фитиля (рис. 5). Его термическое сопротивление увеличивается в радиальном направлении, что препятствует росту теплопередающей способности трубы в целом и снижает допустимую нагрузку. С уменьшением парового канала ограничение по кипению достигает одного порядка с капиллярным.

Фитиль тепловой трубы должен быть все время оптимально насыщен жидкой фазой теплоносителя, ее недостаток приводит к осушению испарительной зоны, а избыток -к блокированию поверхности конденсатора.

В ИТМО были выполнены теоретические расчеты системы охлаждения светоди-одов мощностью 200-300 Вт и на их основании разработаны и изготовлены несколько серий тепловых труб с различными фитильными структурами (рис. 6). Эксплуатационные испытания включали проверку воспроизводимости теплотехнических характеристик, тестирование пусковых и переходных режимов, функционирование в различных температурных условиях. Установлено, что запуск из состояния с замороженным теплоносителем не оказывает никакого влияния на теплопередающие свойства.

В результате исследования нестационарных процессов, связанных с изменением характеристик тепловой трубы сетчатого типа после осушения испарителя, не обнаружено проблем с рабочими параметрами. Это обусловлено технологией изготовления

мхл госо m ISM

а

IODO 500

---?---1---1---F---1--- —п-1—i—i—i—i—■—

—— Эвуй&К* С*рОннч0чнв Л

-Ограниченна па кндтст* -Огрвннчфнйф по яйПфнйО /\

i

>

— .. - - -1-1-- ■

ft íO » 30 -10 Sí 60 ?0 8ft 90 100 !. "С

а 10 М 3» «О 50 &2 Л) 50 М 1«

(Л;

Рис. 4. Пределы передаваемой мощности тепловой трубы с сетчатой структурой (А) и прямоугольными канавками (Б)

£ эм

¡300 ■

I 250 £

I а»

в

a i»

■ 1 1 1 i 1 i 1 i 1 i 1 i 1 i 1 -Тврчичвское еопротиалаии 1 е •

- - - Капиллярный предел Ограничение па уносу зкндкоси >раниченнЕ по на пен ию _

—

—-

$ а т в э 10 11 12 13 14 1» ¡0 17

Чисга слоев

Рис. 5. Зависимость максимальной передаваемой мощности и термического сопротивления от толщины фитиля

и влиянием краевого угла смачивания на насыщение фитиля в зоне испарения.

Термическое сопротивление разработанных в ИТМО труб 0,1-0,3 К/Вт, эффективная теплопроводность - более 8000 Вт/(м-К). Максимальная передающая мощность - 85 Вт для тепловых трубок с комбинированным фитилем:

Рис. 6. Тепловые трубы, разработанные в ИТМО

Рис. 7. Мощный светодиодный светильник (300 Вт) с пассивной системой охлаждения на тепловых трубах

канавчатая структура обеспечивает малое гидравлическое сопротивление потоку жидкости и низкое тепловое сопротивление в радиальном направлении, сеточная часть фитиля улучшает капиллярные свойства и обеспечивает гравитационную независимость изделия.

Отличительные свойства тепловых труб и паровых камер по сравнению с традиционными, оснащенными порошковыми фитилями: высокие эксплуатационные качества и конкурентоспособность, устойчивость к глубокой заморозке и к вибрации; снижение себестоимости изделий за счет применения сеточных фитилей (табл. 2).

Совместная разработка ИТМО и Центра светодиодных и оптоэлек-тронных технологий НАН Беларуси - светодиодные

промышленные светильники ДСП01-2х100-001 У1 «Промлайт», ДСП01-2х150-001 У1 «Промлайт» с пассивной системой охлаждения, позволяющей отводить до 300 Вт (рис. 7).

На рис. 8 и 9 представлены результаты испытаний при различной ориентации труб и температуре окружающей среды.

Инновационная система охлаждения на тепловых трубах позволила использовать мощный светодиод (до 500 Вт) (табл. 3), уменьшить вес светильника (в 2,5-4 раза по сравнению с традиционными светодиодными светильниками аналогичной мощности) и габаритные размеры, увеличить срок службы светодиодов.

В настоящее время продолжаются экспериментальные работы по созданию новых типов фитилей для улучшения

Рис. 8. Горизонтальное расположение тепловой трубы, температура окружающей среды 20°С (А) и35°С(Б)

Рис. 9. Вертикальное расположение тепловой трубы, температура окружающей среды 20 °С (А) и 35 °С (Б)

32

МрйЯЗДЧ Ма*; 33.61

Шт.п

йакф.Тй

I нни

»

■ж ?]

«¿£.96 ,

1

ш

В»*

Щ™

1-

1

17 «5.66 45.34. 44.55.

■ч.гз 43.46

мш

- Е—

1 и»

и*

Н'

Г"

г ^пг

[■ НА

А

Б

А

Геометрические параметры , мм Рабочая жидкость Максимальная Термиче-

Продукция L B (0) H Корпус Фитиль теплопе-редающая способность, Вт ское сопротивление, К/Вт Цена, долл.

Тепловая труба 100-400 3-12 - Медь, алюминий, нержавею- Вода, аммиак, органические Спеченный порошок меди до 80 0,03-0,8 12-30

щая сталь вещества

Тепловая труба ИТМО 280 10 - Медь Вода Сетка из нержавеющей стали 85 0,1-0,3 10

Плоская Медь, алюминий, нержавеющая сталь Вода, аммиак, органические вещества Спеченный

тепловая труба 100-300 100-300 1 -3 порошок меди до 20 0,1-0,5 19-100

Плоская Сетка из не-

тепловая труба ИТМО 150 30 3 Медь Вода ржавеющей стали 100 0,13-0,3 25

Тип системы охлаждения Температура LED, °C Минимальная температура системы охлаждения, °C

Электрическая мощность LED - 429; тепловая мощность (0,7 от электрической), подаваемая на системы охлаждения, - 300 Вт; температура окружающей среды 20°C

на тепловых трубах 78 53

на медных стержнях 133 36

на алюминиевых стержнях 163 30

температура окружающей среды 40eC

на тепловых трубах 99 73

на медных стержнях 154 56

на алюминиевых стержнях 185 50

Электрическая мощность LED - 286; тепловая мощность, подаваемая на системы охлаждения, - 200 Вт; температура окружающей среды 20eC

на тепловых трубах 61 44

на медных стержнях 98 32

на алюминиевых стержнях 119 27

температура окружающей среды 40eC

на тепловых трубах 81 64

на медных стержнях 118 52

на алюминиевых стержнях 140 48

операционных характеристик тепловых труб. Также запланирована разработка плоских тепловых труб с капиллярной системой водяного охлаждения, интегрированной в корпус в зоне конденсации с целью минимизации энергозатрат.

Разработанные тепловые трубы и системы охлаждения готовы к коммерциализации. Сфера деятельности Института тепло-и массооб-мена непрерывно расширяется, и с уверенностью можно сказать, что коллектив в состоянии выполнить любой заказ, касающийся теплообменного оборудования. ЕЗ

Кирилл Делендик, научный сотрудник лаборатории физико-химической гидродинамики Института тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова НАН Беларуси Ольга Войтик, научный сотрудник лаборатории физико-химической гидродинамики Института тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова НАН Беларуси

Наталья Коляго, старший научный сотрудник лаборатории физико-химической гидродинамики Института тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова НАН Беларуси

Таблица 2. Параметры и характеристики различных тепловых труб

Таблица 3.

Характеристики

систем

охлаждения

различных типов

для мощных

светодиодов

http://innosfera.by/2017/11/Cooling_systems ЛИТЕРАТУРА

Константинов В.И. Выбор оптимального режима работы светодиодных излучателей / В.И. Константинов, Е.В. Вставская, Т.А. Барбасова, В.О. Волков // Вестник ЮУрГУ. 2010, № 2. C .46—51 Schubert E.F. Light-emitting diodes.- Cambridge, 2006. Вейнерт Дж. Справочник: светодиодное освещение.- М., 2010.

Ноэль Л. Охлаждение и регулирование температурных режимов светодиодов // Полупроводниковая светотехника. 2010, № 3. С. 13-15. Колпаков А. Охлаждение силовых модулей: проблемы и решения // Силовая электроника. 2012, № 3. С. 12-18.

Huaiyu Y. A review of passive thermal management of LED module / Y. Huaiyu, S. Koh, H. Zeijl, A.W.J. Gielen, Z. Guoqi // J. of Semiconductors. 2011. Vol. 32, N 1.

0140081-0140084.

Поль А. Особенности расчета систем отвода тепла при использовании светодиодов в корпусах PLCC // Полупроводниковая светотехника. 2010, № 5. С. 54-57.

8. Колпаков А. Охлаждение в системах высокой мощности // Силовая электроника. 2010, № 3. С. 62-66.

9. Lee Н. Thermal design: heat sinks, thermoelectrics, heat pipes, compact heat exchangers, and solar cells.- New Jersey: Wiley, 2010.

10. Reay D., Kew P., McGlen R. Heat pipes: theory, design and applications.- Oxford: Elsevier, 2014.

11. Чи С. Тепловые трубы. Теория и практика.- М., 1981.

12. Faghri A. Heat pipes: review, opportunities and challenges // Frontiers in Heat Pipes. 2014. Vol. 5, Is. 1. P. 1-48.