CC BY
19
УДК 621.311 DOI: https://doi.org/10.34680/2076-8052.2020.2(118).56-61
ЛАБОРАТОРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ ДЛЯ ИСТОЧНИКОВ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ С ПОВЫШЕННЫМ КПД
И.С.Сергеев, И.А.Белов, А.Г.Быстрова, Р.В.Петров
LABORATORY TECHNOLOGY FOR MANUFACTURING HEAT PIPES FOR SECONDARY POWER SOURCES WITH INCREASED EFFICIENCY
I.S.Sergeev, I.A.Belov, A.G.Bystrova, R.V.Petrov
Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого, servanser@mail. ru
Рассматриваются способы повышения качества источников вторичного электропитания с повышенным КПД, в том числе за счёт улучшения температурного состояния теплонагруженных элементов. В связи с широкой областью применения систем охлаждения на основе тепловых труб проведен эксперимент изготовления данного устройства в лабораторных условиях. Представлены рекомендации по выбору материалов и лабораторный технологический процесс изготовления тепловой трубы. Была изготовлена тепловая труба размером 17 см и диаметров 6 мм. В качестве наполнителя использовалась дистиллированная вода. Проведены исследования температурных параметров изготовленной тепловой трубы с последующим сравнением ее характеристик с характеристиками тепловой трубы, изготавливаемой серийно в условиях крупносерийного производства. Построены диаграммы. В целом использование тепловых труб и датчиков для ограничения токовых перегрузок позволит повысить качество источников вторичного электропитания с повышенным КПД. Ключевые слова: тепловая труба, рабочая жидкость, фитиль, источник питания
The paper is devoted considers ways to improve the quality of secondary power supply sources with increased efficiency, including by improving the temperature state of heat-loaded elements. Due to the wide range of applications of cooling systems based on heat pipes, an experiment of manufacturing this device in the laboratory was conducted. Recommendations on the choice of materials and laboratory technological process of heat pipe manufacturing are presented. The heat pipe of 17 cm in size and 6 mm in diameter was manufactured. Distilled water was used as a filler. Studies of the temperature parameters of the manufactured heat pipe, with subsequent comparison of its characteristics with the characteristics of the heat pipe produced in series in large-scale production. Diagrams are constructed. In general, the use of heat pipes and sensors will improve the quality of secondary power sources with increased efficiency.
Keywords: heat pipe, heat transfer fluid, wick, power supply Введение
Источники вторичного электропитания применяются в различных энергетических системах с целью преобразования напряжения питания. Часто их мощность бывает значительна, и требуются определённые меры по отводу тепла от тепловыделяющих элементов. Один из методов, который применяют обычно в сочетании с радиатором и вентилятором, это отвод тепла из перегретой зоны с помощью тепловой трубы. Использование тепловой трубы в источнике вторичного электропитания с повышенным коэффициентом полезного действия (КПД) приобретает особое значение, так как снижение температуры полупроводниковых элементов в источнике позволяет увеличить эффективность их работы, избежать перегрева и увеличить КПД устройства в целом.
Тепловая труба (ТТ) — элемент системы охлаждения, принцип работы которого основан на явлениях фазовых превращений (кипение, испарение, конденсация) теплоносителя, помещенного в трубу. Иными словами, в закрытых трубках, выполненных, например, из теплопроводящего металла, находится легкокипящая жидкость [1]. За счет нагрева одной стороны (зона испарения) ТТ происходит кипение жидкости и затем ее испарение. Пар движется по транспортной зоне в сторону холодной стороны трубы (зона конденсации), где конденсируется, снова
превращаясь в жидкость и возвращаясь обратно в зону испарения по фитилю (рис. 1).
Капиллярной Полос/ль с Источник Оболочка структура теплоносителем СтОК
те \1\ ПЛ IX от IX ы / / 1корпус1 (фитиль) ¡(жидкостью) w \/ ш \/ ты \ А
////, /// ////. / /// //// //
1 J 1 \
/ / / ( \\\ г Л /
^_ _ | ]
V V/ - ////, //// ///у У
Зона испарения Транспортная зона Зона конденсации
Рис.1. Схематическое изображение базовой конструкции и принципа действия ТТ
Корпус тепловой трубы обеспечивает изоляцию рабочей жидкости от окружающей среды, поэтому является герметичным. Также корпус должен выдерживать перепады давлений между внутренней и внешней средами и обеспечивать подвод и отвод теплоты к рабочей жидкости и от неё. Корпуса изготавливаются из различных материалов, например, меди, сплавов алюминия, нержавеющей стали, керамики и т.д. [2].
Самой простой конструкцией фитиля является тонкая металлическая сетка в один или несколько слоев, размещенная на внутренней поверхности тепловой трубы [3].
В качестве рабочей жидкости могут быть использованы различные вещества в жидком состоянии, например аммиак, гелий, ацетон, вода, а также применяются некоторые металлы (серебро, свинец, индий и т.д.).
Некоторые виды жидкости указаны в табл.1.
Таблица 1
Виды жидкостей, используемые в тепловых трубах
Вещество Интервал рабочих температур, К
от до
Гелий 2 4
Вода 298 573
Этанол 273 403
Метанол 283 403
Аммиак 213 373
Ртуть 523 923
Натрий 873 1473
Индий 2000 3000
Комплекс мероприятий, предпринимаемых для увеличения КПД источников вторичного электропитания, состоит из схемотехнических, технологических и конструкторских, включающих в себя, кроме температурного контроля, наблюдение за электромагнитными полями, силой тока, напряжением, импульсными помехами, перегрузкой и пр. Например, датчики тока могут применяться для контроля силы тока или перегрузки силовых цепей, датчики магнитного поля могут быть применены для контроля уровня паразитного электромагнитного поля. В целом, использование ТТ и датчиков физических величин позволит повысить качество источников вторичного электропитания с повышенным КПД.
Выбор материалов
Наиболее важными факторами при выборе рабочей жидкости являются [4]:
1) высокая теплота парообразования для достижения максимального теплопереноса при минимальном расходе жидкости;
2) высокая теплопроводность для уменьшения перепада температуры по слою жидкости в испарителе, что снижает вероятность локального кипения на стенке трубы;
3) малая вязкость жидкости и пара для снижения сопротивления движению теплоносителя;
4) высокое поверхностное натяжение для эффективного действия капиллярной системы;
5) хорошая смачиваемость материала фитиля;
6) подходящая точка кипения, соответствующая выбранному диапазону рабочих температур.
Для выбора теплоносителя при изготовлении ТТ в лабораторных условиях к вышеперечисленным факторам также следует добавить: безопасность, малую стоимость, доступность. Главным критерием была выделена безопасность эксплуатации.
Таким образом, основываясь на вышеперечисленных критериях и необходимой рабочей температуре в диапазоне от комнатной (298 К или 24°С) до 473 К (200°С), в качестве теплоносителя была выбрана дистиллированная вода, показатели которой указаны в табл.2.
Таблица 2
Физико-химические показатели дистиллированной воды [5]
1. Массовая концентрация остатка после выпаривания, мг/дм3, не более 5
2. Массовая концентрация аммиака и аммонийных солей (МН4), мг/дм3, не более 0,02
3. Массовая концентрация нитратов (N03), мг/дм3, не более 0,2
4. Массовая концентрация сульфатов ^04), мг/дм3, не более 0,5
5. Массовая концентрация хлоридов (С1), мг/дм3, не более 0,02
6. Массовая концентрация алюминия (А1), мг/дм3, не более 0,05
7. Массовая концентрация железа ^е), мг/дм3, не более 0,05
8. Массовая концентрация кальция (Са), мг/дм3, не более 0,8
9. Массовая концентрация меди (Си), мг/дм3, не более 0,02
10. Массовая концентрация свинца (РЬ), мг/дм3, не более 0,05
11. Массовая концентрация цинка (2п), мг/дм3, не более 0,2
12. Массовая концентрация веществ, восстанавливающих КМп04 (О), мг/дм3, не более 0,08
13. рН воды 5,4-6,6
14. Удельная электрическая проводимость при 20 °С, См/м, не более 5*10-4
15. Плотность, р, кг/м3 977,8
16. Энтальпия воды, ^ кДж/кг 293
17. Удельная теплоемкость, Ср, Дж/(кгград) 4187
18. Коэффициент теплопроводности, X, Вт/(мград) 0,668
19. Коэффициент температуропроводности, а108, м2/с 16,3
20. Коэффициент динамической вязкости, д-106, Па с 406,1
21. Коэффициент кинематической вязкости, ^106, м2/с 0,415
22. Коэффициент объемного расширения воды, р-104, град-1 5,7
23. Коэффициент поверхностного натяжения, с104, Н/м 643,5
24. Число Прандтля, Рг 2,55
=
Рис.2. Структура изготавливаемой тепловой трубы
Выбор материала корпуса ТТ основан на критериях большой теплопроводности, малой стоимости, доступности. Одним из лучших материалов по критерию теплопроводности обладает медь. Для того чтобы изготовить в лабораторных условиях ТТ, были применены пустотелые медные трубы диаметром 6 мм, с толщиной внутренней стенки 0,75 мм. В качестве материала фитиля использовалась мелкая медная сетка с ячейкой 1^0,5 мм. Использовалась дистиллированная вода промышленного производства.
Эскиз структуры тепловой трубы представлен на рис.2.
Технология изготовления
Процесс изготовления тепловой трубы в лабораторных условиях состоит в следующем:
1. От заготовки отрезается медная труба длиной 170 мм.
2. С одной стороны труба зажимается гидравлическим прессом и запаивается твердым медным припоем.
3. Заготавливается медная сетка, путем отрезания необходимого размера, в зависимости от количества слоев сетки в конструкции фитиля.
4. Сетка скручивается в трубочку и помещается внутрь медной трубы.
5. Труба и сетка изнутри обезжириваются растворителем (напр., ацетоном или этиловым спиртом).
6. С помощью шприца внутрь трубы заливается определённый объем дистиллированной воды.
7. Вода в трубе замораживается в холодильнике.
8. Насосом внутри замороженной трубы создается вакуум, вторая сторона трубы зажимается гидравлическим прессом и запаивается твердым медным припоем.
9. Труба проверяется на стенде.
Для изготовления тепловой трубы использовалось оборудование: вакуумный насос ZENNY ZVP-2-75, пресс гидравлический ПГРс-70КВТ, сверлильный станок Bosch PBD 40, печь SAFTHERM STM-3-12, холодильник DEXP TF050D, газовая горелка, твердый припой ROLOT S94 Rothenberger 40094, флюс для пайки REXANT 09-3655.
Испытания изготовленной тепловой трубы.
Описание стенда
На рис.3 представлен лабораторный стенд для проведения исследования ТТ.
В состав измерительного стенда входили следующие приборы:
1) программируемый источник питания HMP4040 (HAMEGROHDE&SCHWARZ), рис.За;
2) два мультиметра с возможностью замера температуры MM 12011 Sturm, рис.Зб;
3) два нагрузочных транзистора IRFP150N, рис.Зв;
4) медный радиатор, рис.Зг;
5) теплопроводящая паста КПТ-8, рис.Зд;
6) охлаждение (вентилятор), рис.3 е;
7) подставка под подложку с трубой, рис.3ж;
8) пирометр фирмы «ADA»;
9) тепловизор фирмы «FLIR».
Блок схема стенда представлена на рис.4.
Рис.4. Блок схема измерительного стенда
Результаты испытаний
Для оценки качества изготовленной ТТ проводилось сравнение результатов измерений разных ТТ. Измерения выполнялись на изготовленной в лабора-
тории тепловой трубе, на тепловой трубе фирмы «ASUS» и на пустотелой медной трубе с одинаковыми линейными размерами.
Результаты измерений представлены в виде графиков на рис. 5-8.
Т,
°С-
50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 -0 -
0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 255 270 285 300 t,c Рис.5. Результаты измерений тепловой трубы производства компании «ASUS», где штриховая кривая — изменение температуры в зоне испарения, сплошная кривая — в зоне конденсации
Т,
°С
60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 255 270 285 300 te
Рис.6. Результаты измерений изготовленной тепловой трубы, где штриховая кривая — изменение температуры в зоне испарения, сплошная кривая — в зоне конденсации
Т.
20
15
10 5
0 1М|ФМ|1ММ1ММ1ММ1М||1ММ1ММ1ММ1ММ1ММ1ММ1ММ1ММ1ММ1ММ1ММ1ММ1ММ1ММ1М||1
О 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 255 270 285 300 1;, С
Рис.7. Результаты измерений пустотелой медной трубы, где штриховая кривая — изменение температуры в зоне испарения, сплошная кривая — в зоне конденсации
В,
°с -S
36 - —
О 15 30 45 60 75 90 105 120 335 150 165 180 195 210 225 240 255 270 285 300 it, С
Рис.8. График изменения перегревов, где сплошная кривая — ТТ фирмы «ASUS», штриховая кривая —изготовленная ТТ, точечная кривая — медная пустотелая труба. По оси абсцисс отложено время нагрева, по оси ординат — перегрев (разность температур) зоны конденсации относительно зоны испарения ТТ
Рис.9. Труба при комнатной температуре (20°С) Рис.10. Нагрев нагрузочных транзисторов (26°С)
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта №18-42-530001 р_а.
Рис.11. Нагрев трубы, зона конденсации (36°С)
С использованием тепловизора фирмы «FLIR» были сделаны фотографии нагрева тепловой трубы (рис.9-11).
Заключение
В результате исследований был разработан и изготовлен в лабораторных условиях прототип конструкции медной тепловой трубы с дистиллированной водой в качестве теплоносителя. Проведенные измерения показывают, что изготовленная в лабораторных условиях ТТ работает устойчиво. Выполнено сравнение характеристик разработанной ТТ и заводской ТТ фирмы «ASUS». Проведённые экспериментальные работы по изготовлению и измерению параметров ТТ позволят в будущем улучшить результаты, добиться более эффективной работы изготавливаемых в лабораторных условиях ТТ. В целом использование ТТ и датчиков физических величин, например, магнитоэлектрических датчиков тока [6], используемых для ограничения токовых перегрузок, позволит повысить качество источников вторичного электропитания с повышенным КПД.
Карачинов В.А. Защита РЭС в экстремальных условиях. Специальные устройства охлаждения: учеб. пособие. В.Новгород: НовГУ, 2007. 176 с.
Ивановский М.Н., Сорокин В.П., Ягодкин И.В. Физические основы тепловых труб. М.: Атомиздат, 1978. 256 с. Хайрнасов С.М., Применение тепловых труб в системах обеспечения тепловых режимов РЭА: Современное состояние и перспективы // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2015. №2-3. С.19-34. Москвин Ю.В., Филиппов Ю.А. Тепловые трубы // Теплофизика высоких температур. 1969. Т.7. №4. С.766-775. ГОСТ 6709-72. Вода дистиллированная. Технические условия.
Leontiev V.S., Petrov R.V., Solovev A.I. and Bichurin M.I. Magnetoelectric current sensor: miniaturization and perspective // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering (ISPCIET'2018). 2018. V.441. P.012027. doi:10.1088/1757-899X/441/1/012027.
References
Karachinov V.A. Zaschita RES v ekstremalnih usloviyah. Specialnie ustroistva ohlajdeniya. [Protection of electronic devices protection in extreme conditions. Special cooling devices]. Veliky Novgorod, NovSU Publ., 2007. 176 p. Ivanovskiy M.N., Sorokin V.P., Yagodkin I.V., Fizicheskie osnovy teplovyh trub [Physical basis of heatpipes]. Moscow, Atomizdat Publ., 1978, 272 p.
Khayrnasov S.M., Primenenie teplovykh trub v sistemakh obespecheniya teplovykh rezhimov REA: Sovremennoe sostoyanie i perspektivy [The use of heat pipes in thermal control system for electronics: current situation and prospects]. Technology and design in electronic equipment, 2015, no.2-3, pp.19-34.
Moskvin Yu.V., Filippov Yu.A. Teplovye truby [Heatpipes]. Teplofizika vysokih temperatur, 1969, vol.7, no.4, p.766-775. GOST 6709-72. Voda distillirovannaya. Tekhnicheskie us-loviya [Distilled water. Technical specifications]. Leontiev V.S., Petrov R.V., Solovev A.I. and Bichurin M.I. Magnetoelectric current sensor: miniaturization and perspective. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering (ISPCIET'2018). 2018, vol.441, p.012027. doi:10.1088/1757-899X/441/1/012027.
1.
2
3
4
5
6.
1.
2
3.
4.
5
6.
