Rury cieplne – Heat Pipes

Aby poprawić transfer energii cieplnej z chłodzonych układów do radiatora, stosuje się niekiedy urządzenia określane w branży jako ciepłowody, rurki cieplne lub z ang. „heat pipe”. Elementy te konstruowane są najczęściej z zamkniętych miedzianych rurek, które wypełnione są materiałem porowatym i czynnikiem chłodzącym. Czynnikiem tym może być na przykład skroplony amoniak, woda, freon lub etanol. Podgrzewanie jednego końca ciepłowodu powoduje odparowanie znajdującej się w nim cieczy, która w formie gazowej przemieszcza się do drugiego, zimniejszego końca, gdzie ulega skropleniu. Skroplony czynnik wraca następnie do ciepłego końca – spływając grawitacyjnie lub kapilarnie przesączając się przez materiał porowaty, znajdujący się wewnątrz rurki.

Heat Pipe’y charakteryzują się bardzo niską rezystancją cieplną dzięki bardzo dużemu ciepłu parowania i skraplania zastosowanych cieczy. Typowa rezystancja cieplna wynosi około 10-5 K/W na metr zastosowanej rurki i jest 250 razy mniejsza niż przy analogicznym elemencie wykonanym z czystej miedzi. Zakres temperatur pracy rur grzewczych zależy od rodzaju zamkniętej wewnątrz cieczy, a także od jej ciśnienia. Miedziano-wodne rurki grzewcze wykonane z miedzi z użyciem wody jako płynu roboczego, działają zwykle w zakresie temperatur od 20 do ponad 150°C.

Rury cieplne (heatpipe) stały się nieodzowną częścią nowoczesnych systemów chłodzenia. Dzięki wyjątkowo wysokiej przewodności cieplnej od 5 000 do 20 000 W/mK, są wydajniejszymi przewodnikami ciepła niż np. miedź i umożliwiają zdecentralizowane chłodzenie. Wszystkie miedziano-wodne rurki cieplne są zaprojektowane tak, aby przetrwać liczne cykle zamrażania-rozmrażania bez jakiejkolwiek degradacji. Zmniejszone ciśnienie wewnątrz rurki obniża znacznie temperaturę parowania.

Firma HALA posiada w ofercie zestawy 2-fazowe oparte na ciepłowodach (heat pipe) lub płaskich komorach parowych (w skrócie VC). Ich najważniejsze cechy to:

• Średnica zewnętrzna: od 2,0 mm do ponad 50 mm
• Struktura wewnętrzna: spiekana, siatkowa, rowkowa lub hybrydowa (spiekane rowki)
• Przekrój: okrągły, prostokątny, płaski
• Spłaszczanie: do 0,4 mm
• Długość: do 70 cm
• Geometria: prosta lub (wielokrotnie) gięta
• Technika łączenia: lutowane, pasowane na wcisk, klejenie epoksydowe
• Obróbka powierzchni: niklowanie lub cynowanie

Indywidualne zespoły heatpipe dla optymalnego zarządzania ciepłem

Wyżej wymienione moduły heatpipe firmy HALA można łączyć indywidualnie. Dzięki temu możemy tworzyć zespoły rurek cieplnych, które optymalnie pasują do określonej aplikacji. Oprócz rurek cieplnych HALA oferuje wiele możliwych do łączenia materiałów przewodzących ciepło.

Przykłady kształty:

Jak działa rura cieplna?

Rura cieplna to 2-fazowy przewodnik ciepła w postaci hermetycznie zamkniętego, rurowego metalowego korpusu, który przewodzi ciepło na duże odległości z niewielkimi stratami. Długie metalowe rurki znane są przede wszystkim z chłodnic procesorów, gdzie przenoszą ciepło z płyty bazowej na żeberka radiatora. Odbywa się to poprzez pochłanianie ciepła na jednym końcu rury cieplnej (parownik) i uwalnianie go do otoczenia na drugim końcu (skraplacz). Ciepło utajone wykorzystywane jest do transportu w części quasi-adiabatycznej, czyli parowania lub re-kondensacji.

Jak zbudowane są rurki cieplne?

Rurka cieplna składa się z trzech elementów: cienkościennej rurki, wkładu zwanego knotem oraz komory parowej, pojemnika. Jest ona wypełniona czynnikiem roboczym – płynnym lub gazowym, w zależności od zakresu temperatur pracy. Jeśli rurka cieplna nagrzewa się na jednym końcu, płynna część czynnika roboczego odparowuje. Tworzy to gradient ciśnienia, który przenosi parę na drugi – chłodny – koniec rurki cieplnej. Tam skrapla się i oddaje ciepło z wnętrza do ściany. Stamtąd ciepło jest uwalniane do radiatora lub do otoczenia. Czynnik roboczy jest teraz ponownie płynny i przepływa z powrotem do ciepłego końca rurki cieplnej z powodu grawitacji i sił kapilarnych. Tam cykl zaczyna się od nowa.

Ze względu na to, że zarówno para, jak i faza ciekła czynnika roboczego znajdują się wewnątrz rurki cieplnej, a więc w zamkniętej objętości, powstaje obszar mokrej pary. Różnice temperatur wzdłuż rury cieplnej są zatem bardzo małe (quasi-izotermiczne), tak że występuje tylko niski opór cieplny (delta T). Rura cieplna może zatem przenosić ciepło na większe odległości z bardzo małymi stratami. Sama rura jest zwykle wykonana z materiału o dobrej przewodności cieplnej, takiego jak miedź o wysokiej czystości. Jednak knot i czynnik roboczy są decydujące dla funkcjonowania rurki cieplnej i zostaną omówione bardziej szczegółowo poniżej.

Co znajduje się w przewodach cieplnych?

Jak opisano powyżej, wewnątrz rurki cieplnej znajduje się z jednej strony knot, a z drugiej czynnik roboczy, którego odparowanie sprawia, że rurka cieplna działa. Oba elementy mają decydujące znaczenie dla wydajności rurki cieplnej:

Knot przewodzący ciepło służy do wytwarzania sił kapilarnych. Są one niezbędne, aby po skropleniu czynnik roboczy powrócił do strony grzewczej rurki cieplnej. Położenie rurki cieplnej podczas pracy wpływa na typ i konstrukcję wewnętrznej struktury knota rurki cieplnej. W przypadku rurek cieplnych działających wbrew grawitacji, knot składa się zwykle ze spiekanych cząstek miedzi lub drobnoziarnistej siatki miedzianej. Ogólnie rzecz biorąc, im drobniejsza struktura, tym większe muszą być siły kapilarne. Proste podłużne rowki nadają się również do poziomych rur grzewczych.

Stosowany czynnik roboczy ma zasadnicze znaczenie dla funkcjonowania rurek cieplnych. Powinien charakteryzować się wysokim napięciem powierzchniowym i entalpią parowania, ale jednocześnie możliwie najniższą lepkością. Firma HALA zwykle pracuje z rurami cieplnymi wykorzystującymi jako czynnik roboczy wodę, której entalpia parowania jest bardzo wysoka i wynosi 40,66 kJ/mol. Do zastosowań niskotemperaturowych stosuje się amoniak, który charakteryzuje się bardzo wysoką entalpią parowania 23,35kJ/mol.

Rura cieplna a komora parowa: jakie są różnice i zalety?

Oprócz rurowych rurek cieplnych istnieją również płaskie rurki cieplne zwane komorami parowymi (VC). W przeciwieństwie do rurowych rurek cieplnych, płaskie komory parowe nie są wykorzystywane jako transportery ciepła, ale jako rozpraszacze ciepła.

Co to jest komora parowa?

Komora parowa działa na tej samej zasadzie co rura cieplna, tyle że jest płaska. Nie jest to zatem element rurowy, lecz płaski, który również odprowadza ciepło poprzez parowanie. Dlatego często nazywany jest płaską rurką cieplną. Jednak komory parowe mogą być również zbudowane z 2 pół skorup miedzianych, ściśle ze sobą połączonych, wewnątrz których znajdują się struktury spiekane i bazowe.

Ponieważ komory parowe mają bardzo dużą powierzchnię styku, nazywane są rozpraszaczami ciepła izotermizującymi ciepło. Komory parowe są stosowane na przykład w notebookach do rozprowadzania ciepła odpadowego, które jest generowane jako gorący punkt termiczny w małym chipie, na radiator o dużej powierzchni.

Jak działa komora parowa?

Funkcjonowanie komory parowej tylko nieznacznie różni się od klasycznej rurki cieplnej. Główną różnicą jest większa powierzchnia styku, która zapewnia, że VC może mieć więcej bezpośrednich punktów styku ze źródłami ciepła typu hot spot. Oznacza to, że ciepło wytwarzane w określonych punktach może być rozprowadzane jednorodnie na większym obszarze, a radiator jest również podłączony przez znacznie więcej punktów styku.

Komory parowe są popularne w zastosowaniach takich jak laptopy. Jednak przez lata ze względu na koszty stosowano tu również klasyczne rurki cieplne. To, czy lepiej sprawdzi się komora parowa, czy „klasyczna” rurka cieplna, zależy nie tylko od zastosowania, ale także w dużej mierze od wymaganego wspornika.

Rozwiązaniem pośrednim jest kilka rurek cieplnych osadzonych w metalowej płycie wykonanej z aluminium lub miedzi, które razem z metalem tworzą powierzchnię rozpraszającą ciepło.

Jak działają radiatory z rurkami cieplnymi?

Zasada działania rurki cieplnej została już wyjaśniona powyżej: jest to bardzo szybki zamknięty przewodnik ciepła i może przewodzić ciepło na duże odległości z bardzo małymi stratami. Aby to zadziałało, należy upewnić się, że na jednym końcu rurki cieplnej znajduje się wydajny radiator. Zwykle jest to urządzenie chłodzące w postaci radiatora bez wentylatora lub aktywnie z wentylatorem lub układem chłodzenia cieczą, który jest podłączony do źródła ciepła za pomocą rurki cieplnej.

Mówiąc prościej, rurki cieplne są połączonymi radiatorami jako mały, samowystarczalny system zarządzania ciepłem, który w praktyce jest uzupełniany o dalsze komponenty zarządzania ciepłem w celu uzyskania optymalnego połączenia.

Obszary zastosowań. Gdzie stosowane są radiatory z rurkami cieplnymi?

Dzięki różnorodności konstrukcji rurki cieplne znajdują szerokie zastosowanie:

• Motoryzacja (np. reflektory LED, układ napędowy, akumulatory do pojazdów elektrycznych, e-mobilność).
• Przemysł(np. notebooki przemysłowe, wysokowydajne komputery i procesory, serwery, karty graficzne, gry, produkty IoT, systemy kamer, wysokowydajne diody LED)
• Zasilanie (np. przetwornice napięcia, zasilacze)
• Elektronika użytkowa
• Obrona, wojsko i lotnictwo

Głównym powodem powszechnego stosowania rurek cieplnych jest możliwości dopasowania ich konstrukcji do aplikacji. Na przykład klasyczne rurki cieplne można wygiąć, dzięki czemu narożniki i krawędzie nie stanowią problemu. Mogą być również produkowane z kanciastym lub spłaszczonym przekrojem poprzecznym, dzięki czemu mogą być również stosowane jako radiatory z rurkami cieplnymi z bezpośrednim kontaktem. Jeśli są produkowane w szczególnie małych rozmiarach do zastosowań, takich jak smartfony, konsole podręczne lub banki energii, nazywane są nano-rurkami cieplnymi. Jednak w tych zastosowaniach coraz częściej stosuje się bardzo cienkie komory parowe o grubości 0,5 mm i mniejszej. W bardziej złożonych systemach komory parowe i rurki cieplne można również łączyć jako rozwiązania hybrydowe w celu zdecentralizowanego chłodzenia.

Specjalną konstrukcją są cylindryczne rurki cieplne, tzw. kolumny cieplne z wypełnieniem ze spieku, które mają na tyle dużą średnicę, że ciepło może być doprowadzane bezpośrednio do podstawy, a radiator jest łączony wokół cylindra jako stos żeber lub element wytłaczany. Ze względu na ich dużą objętość mogą być transportowane straty ciepła znacznie przekraczające 100 watów.

Szczególnym przypadkiem są wysokotemperaturowe rurki cieplne, które przenoszą ciepło do 850°C. Są one stosowane na przykład w urządzeniach do zgazowania biomasy lub formowania wtryskowego. Jako czynnik roboczy jest tutaj zwykle używany sód.

Co odróżnia rurki cieplne od innych systemów chłodzenia?

Przede wszystkim rura cieplna nie jest, ściśle mówiąc, systemem chłodzenia. Rura cieplna jest częścią systemu chłodzenia, jeśli zapewni się, że na jednym końcu rury cieplnej znajduje się radiator, do którego może być przenoszone ciepło. Jeśli tak nie jest, rura po prostu się nagrzewa, a ciepło nie jest przewodzone – w końcu nie można go uwolnić. Rura cieplna działa zatem tylko wtedy, gdy jest prawidłowo zainstalowana iw najlepszym razie jest częścią systemu chłodzenia i zespołu, ale sama w sobie nie jest.

System chłodzenia – lub system zarządzania ciepłem – to system zaprojektowany w celu zapobiegania przegrzaniu aplikacji, które zwykle działają elektronicznie i/lub mechanicznie. W tym celu rozpraszane ciepło jest odprowadzane z miejsca pochodzenia, na przykład za pomocą rurek cieplnych, i doprowadzane do radiatora. W ten sposób komponent mocy pozostaje w temperaturze roboczej i może pracować optymalnie.

Podczas korzystania z rur cieplnych należy zauważyć, że są to systemy zamknięte. Przestrzeganie podanego zakresu temperatur jest zatem niezbędne – w przeciwnym razie rura cieplna może ulec odkształceniu z powodu wysokiego ciśnienia wewnętrznego. Ze względu na swój kształt okrągłe rurki cieplne są mniej wrażliwe na temperaturę (do ponad 200°C) niż niezbrojone płaskie rurki cieplne lub komory parowe (do 110°C w zależności od geometrii). Aby rurka cieplna mogła działać optymalnie, musi odpowiadać warunkom danego zastosowania. Indywidualne dopasowanie projektu do aplikacji zapobiega również stosowaniu zbyt skomplikowanego rozwiązania i marnowaniu pieniędzy. Oprócz rurek cieplnych, w układach chłodzenia należy stosować materiały termoprzewodzące typu gap filler, folie przewodzące ciepło lub materiały zmieniające fazę, tak aby jak najlepiej odprowadzać rozproszone ciepło do parownika. Jaki jest najlepszy wybór dla aplikacji w każdym przypadku zależy od wielu czynników, które wymieniliśmy poniżej.

Projektowanie systemu zarządzania ciepłem z heat pipe.

HALA oferuje indywidualne konstrukcje heatpipe’ów: rurowe, o przekroju kwadratowym lub spłaszczonym oraz komory parowe (VC). Aby dobrać odpowiednią rurkę cieplną do swojej aplikacji, należy wziąć pod uwagę następujące czynniki:

1. Moc strat i rodzaj źródła ciepła
2. Rodzaj odprowadzania ciepła (radiator)
3. Kontakt ze źródłem ciepła
4. Pozycjonowanie i lokalizacja rurki cieplnej

Oprócz tego oczywiście istnieją zwykłe warunki brzegowe związane z projektem, takie jak specyfikacje budżetowe (od projektu do kosztów), możliwości produkcyjne (od projektu do produkcji) oraz wielkość produkcji w ramach projektu.

Aby znaleźć optymalne rozwiązanie z rurami cieplnymi dla swojego projektu, biorąc pod uwagę wszystkie czynniki, konieczne jest systematyczne postępowanie: ponieważ zarządzanie ciepłem nie kończy się na jednej rurze cieplnej, ale wymaga kompleksowego systemu, w którym każdy szczegół jest odpowiedni.

Dlatego wszystkie wyżej wymienione zespoły rurek cieplnych można łączyć indywidualnie. W naszej ofercie znajdują się również uzupełniające je materiały przewodzące ciepło, takie jak folie termoprzewodzące, które poprawiają kontakt.

Najlepiej skontaktuj się z nami bezpośrednio – w każdej chwili możemy Ci bezpłatnie doradzić.