Płytki Cieplne: Przenoszenie Ciepła Zmianą Stanu Skropiny, Nie Kondukcją

Rurociąg przemieszczający ciepło, a nie tylko go przewodzi

Solidny miedzowy przewód dobrze przewodzi ciepło, ale wciąż jest to przewodzenie: ciepło rozprzestrzenia się wzdłuż gradientu temperatury z szybkością określaną przez współczynnik przewodzenia cieplnego materiału, około 400 W/(m·K) dla miedzi. Rurociąg przepływowy to zamknięta, próżniowa rura częściowo wypełniona płynem roboczym i wyłożona matowym materiałem, który przenosi ciepło poprzez zmianę stanu skupienia – noś ciepło ukryte jako para zamiast rozprzestrzeniać ciepło rozumne w postaci stałej przez solidny materiał. W rezultacie osiąga się efektywną przewodność cieplną poprzeczną rzędu kiludziesiątek tysięcy W/(m·K), jeden do dwóch orderów wielkości wyższą niż miedziany przewód, w urządzeniu bez ruchomych części i bez zewnętrznego zasilania.

Cykl: parowanie, transport, skraplanie, powrót

Na końcu powodującym odparowywanie, ciepło podgrzewa ciecz roboczą nasiąkniętą wkładem; ciepło właściwe parowania tego pary pochłania dużą ilość energii dla niewielkiego wzrostu temperatury. Ten par ten jest teraz nieco wyższego ciśnienia niż chłodniejszy koniec, więc prawie swobodnie płynie wzdłuż otwartej rdzenia rurki do kondensatora, gdzie oddaje swoje ciepło właściwe do tego, co chłodzi ten koniec i wraca do stanu ciekłego. Ciekło to musi wrócić do powodującego odparowanie, aby zamknąć pętlę, a w przypadku poziomej rurki lub gdy powodujące odparowanie jest powyżej kondensatora, nie można polegać na grawitacji – dlatego wkład robi to zamiast tego za pomocą działania kapilarnego.

Kapilarny pompowanie: patyk jako pompa

Patyk – prosiany proszek metaliczny, rowki lub drobna siatka – jest strukturą porowatą o małym efektywnym promieniu wewnętrznym r. Powierzchniowe napięcie na granicy cieplno-paramowej w tych porach generuje ciśnienie kapilarne, które ciągnie płyn z powrotem do skraplacza bez zewnętrznej pompy:

ΔP_kapilarn = około 2σ·cos(θ) / r_eff σ = napięcie powierzchniowe czynnika roboczego θ = kąt kapania (kąt kontaktu), ≈0 dla dobrze nawilżonego patyka r_eff = efektywny promień wewnętrzny struktury patyka Wymaganie operacyjne: ΔP_kapilarn ≥ ΔP_cieczy + ΔP_paru + ΔP_grawitacji Nierówność to cała przestrzeń robocza ciepłowodowego. Jeśli ciśnienie kapilarne, jakie może wygenerować patyk, jest przekraczane przez sumę strat związanych z lepkością cieczy, strat spowodowanych przepływem pary oraz jakiejkolwiek negatywnej głowy grawitacyjnej, patyk wysycha w skraplaczu i ciepłowód osiąga swój limit kapilarny – najczęstszy tryb awarii. Cieńsze patyki generują większe ciśnienie kapilarne, ale również większy opór lepkości dla przepływu cieczy, więc projekt patyka jest bezpośrednim kompromisem między tymi dwoma czynnikami.

ΔP_capillary ≈ 2σ·cos(θ) / r_eff

σ    = surface tension of the working fluid
θ    = wetting (contact) angle, ≈0 for a well-wetted wick
r_eff = effective pore radius of the wick structure

Operating requirement:  ΔP_capillary  ≥  ΔP_liquid + ΔP_vapour + ΔP_gravity

Inne ograniczenia pracy

Ograniczenie kapilarnie jest zwykle najbardziej restrykcyjne, ale trzy inne mogą dominować w zależności od temperatury i geometrii. Ograniczenie akustyczne występuje przy bardzo niskiej gęstości pary (blisko punktu zamarzania cieczy), gdy prędkość pary zbliża się do prędkości dźwiękowej w danym medium, a przepływ pary jest zablokowany, ograniczając wydajność niezależnie od gradientu temperatury. Ograniczenie entrainmentu występuje, gdy szybki przepływ pary rozdziela krople z filmu cieplnego pod wpływem ruchu płynu, w przeciwnym kierunku niż ruch płynu. Ograniczenie wrzenia występuje przy wysokim strumieniu ciepła, kiedy wrzące się pęcherzyki pary wewnątrz struktury tworzą blokadę dla dopływu cieczy do powierzchni parownika – analogia do krytycznego strumienia ciepła w wrzeniu w otwartym naczyniu.

Wybór płynu roboczego

Płyn musi być ciekły w całym zakresie temperatur pracy i charakteryzować się wysoką ciepło właściwą, dużą powierzchnią tensjometryczną oraz niską lepkością – promując transport pary i pompowanie kapilarne przy minimalizacji strat wewnętrznych. Woda jest płynem roboczym w pobliżu temperatury pokojowej i zakresach chłodzenia elektroniki (0–200°C) ze względu na połączenie ciepła właściwego i napięcia powierzchniowego, które trudno przebić; amoniak i metanol obsługują niższe zakresy temperatur; ciekły sodu i inne metale alkaliczne rozszerzają zastosowanie w węzłach cieplnych do setek lub ponad tysiąc stopni dla zastosowań kosmicznych i jądrowych.

Frequently asked questions

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Heat Pipe i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.