Тепловые тарелки

[14 марта 2018]
 Владимир Смолянский, «ПК ИК-технологии», vsmolyanskij@yandex.ru
     
   В статье рассматривается возможность конструирования компактных радиаторов для отвода тепла от сосредоточенных источников энергии с использованием электромагнитных средств перемешивания теплоносителя путем формирования направленных потоков теплоносителя на охлаждаемый элемент. Эта задача относится, в первую очередь, к охлаждению мощных светодиодов, COB-матриц, лазеров, процессоров с целью уменьшения массогабаритных характеристик, обеспечения влагостойкости, пылезащищенности и низких уровней шума.

Проблемы охлаждения

       Задачи охлаждения электронных компонентов, в т. ч. светодиодов, несмотря на длительную предысторию, и по сей день не теряют своей актуальности. При разработке практически любой системы требуется сократить выделяемое тепло и решить проблему его отвода. Устройства охлаждения громоздки и массивны, их возможности ограничены существенным тепловым сопротивлением между охлаждаемым объектом и окружающей средой. Особенно актуален отвод тепла от устройств с высокой плотностью тепловыделения – высокомощных светодиодов, лазеров, процессоров, которые становятся все мощнее.
      Возможности существующих методов отвода тепла ограничены.
    Пассивное (конвективное) охлаждение [1] является простейшим способом отвода тепла с помощью массивных и габаритных радиаторов.
     Активное воздушное охлаждение [2] с помощью вентиляторов используется часто. Вентиляторы позволяют в два–три раза уменьшить габариты и массу охлаждающих устройств. Вместе с тем, при этом необходимо решать задачи снижения шума, защиты от пыли и засорений, надежности вентиляторов.
    Жидкостное охлаждение [3] – один из наиболее эффективных способов отвода больших тепловых потоков. Однако оно сопряжено с использованием громоздких конструкций, наличием насосов, помп, трубопроводов, необходимость обеспечить совместимость конструкционных материалов с теплоносителями.
    Тепловые трубки, термосифоны, контурные тепловые трубки [4] – средства, в которых охлаждение обеспечивается испарением теплоносителя и конденсацией. Тепловые трубки обладают рядом недостатков, к которым можно отнести незначительность массы активного теплоносителя, ограничение производительности, локальный характер теплопередачи от охлаждаемого объекта к трубке и от трубки к радиатору, узкий температурный диапазон эффективной работы.
     Ряд сравнительно новых направлений (магнитно-калорийный эффект, лазерное охлаждение, материалы с экстремальными значениями теплопроводности) еще не успел получить распространение.
       Для охлаждения требуется уменьшить габариты и массу радиаторов, обеспечить их компактность, автономность, отказаться от трубопроводов, отвести большой объем тепла, увеличить стойкость к влаге и пыли, снизить уровень шума, уменьшить тепловое сопротивление конструкции (снижение температуры светодиодных элементов), повысить уровень надежности и добиться приемлемых экономических показателей.       Среди предлагаемых способов охлаждения наше внимание привлекло перемешивание теплоносителя, которое до настоящего времени редко использовалось для повышения теплопередачи. Так, например, в [5] делается попытка перемещения жидкости в полости охладителя при помощи электрической помпы, расположенной внутри полости радиатора. Однако такое решение увеличивает габариты радиатора, создает проблемы герметизации электрических средств.Попытка решения указанных выше задач предпринята в [6], где рассматривается конструкция радиатора с перемешиванием теплоносителя внутри герметичной полости при помощи вращающегося магнитного поля, а также специальные элементы конструкции, обеспечивающие направленность потока теплоносителя на охлаждаемые элементы устройства и снижение переходных тепловых сопротивлений. Далее такие конструкции мы будем называть тепловыми тарелками. 

Тепловые тарелки

     Под тепловой тарелкой в рассматриваемых случаях понимается радиатор с герметичной полостью, частично заполненной жидким или газообразным теплоносителем, который приводится в движение внешним воздействием для выравнивания температуры между горячими и холодными частями поверхности радиатора [6].
           Тепловая тарелка (см. рис. 1) содержит: полый радиатор, наполненный жидким,или газообразным теплоносителем, промежуточный диск, разделяющий полость радиатора на две части.

Рис.1.jpg

Рис. 1. Состав тепловой тарелки: 1 – электродвигатель; 2 – ведущее колесо с магнитами; 3 – верхняя часть радиатора; 4 – ротор с магнитами; 5 – промежуточный диск; 6 – ижняя часть радиатора; 7 – светодиодная матрица.

   В первой части полости радиатора размещен ротор, предназначенный для перемещения теплоносителя, в наружной поверхности второй части полости радиатора установлен охлаждаемый объект (светодиодная матрица). Вне радиатора расположено устройство, создающее вращающееся магнитное поле и обеспечивающее вращение ротора. Устройство, создающее вращающееся магнитное поле, может состоять из электродвигателя, на оси которого установлено ведущее колесо с радиально расположенными постоянными магнитами (см. позиции 1–2 на рис. 1).
     При вращении ведущего колеса магниты создают вращающееся магнитное поле, которое предназначено для вращения ротора, оснащенного, подобно ведущему колесу, радиально расположенными постоянными магнитами. Ведущее колесо и ротор с магнитами образуют магнитную муфту, обеспечивающую передачу вращательного момента без разгерметизации полости радиатора. Вращающийся ротор, являющийся, по существу, центробежным насосом, создает поток теплоносителя, направленный к периферии полости радиатора. Ротор должен обеспечить циркуляцию и перемешивание теплоносителя, выравнивание температуры в разных частях радиатора. Радиатор тепловой тарелки выполняется из материала, не препятствующего воздействию магнитного поля на ротор, например из латуни, аустенитной нержавеющей стали или алюминия, который хорошо проводят тепло. Тонкие стенки немагнитного теплопроводящего материала радиатора обеспечивают малое тепловое сопротивление оболочки радиатора.
      Важным элементом конструкции является промежуточный диск (см. рис. 2) с периферийными и центральными отверстиями. Периферийные отверстия обеспечивают переход теплоносителя в нижнюю часть полости, где располагается греющийся элемент, а центральные отверстия – возврат теплоносителя к центробежному ротору.
Рис.2.jpg

      Светодиодная матрица (см. рис. 1, 3)  устанавливается снаружи радиатора на его поверхности или в отверстии радиатора для непосредственного соприкосновения с теплоносителем. 

Рис.3.jpg
 
 Рис. 3. Общий вид тепловой тарелки в сборе

В последнем случае можно уменьшить тепловое сопротивление конструкции за счет исключения элементов теплового сопротивления станки радиатора, прокладки, теплопроводной пасты. Применение электродвигателей с ведущим колесом (см. рис. 1–2), оснащенным постоянными магнитами, позволяет простыми методами реализовать механизм действия тепловой тарелки. Желательно устранить в механизме трущиеся детали.
    Вращающееся магнитное поле может быть создано неподвижной системой соленоидов, включенных в цепи двух-трехфазного переменного напряжения. Пример конструкции такого устройства показан в [7]. Состав тепловой тарелки с устройством на соленоидах показан на рисунке 4.

Рис.4.jpg
Рис. 4. Общий вид конструкции тепловой тарелки с электромагнитной муфтой: 1 – крышка; 2 – сердечник (магнитопровод); 3 – катушки соленоидов; 4 – верхняя часть радиатора; 5 – ротор с магнитами; 6 –промежуточный диск; 7 – верхняя часть радиатора; 8 – светодиодная матрица

Особенности действия тепвовой тарелки 

  В результате центробежного действия ротора, увеличивающего давление теплоносителя на периферийную часть радиатора и снижающего давление в центре, образуется циркулирующий и вращающийся турбулентный поток теплоносителя, переносящий тепло с горячих частей радиатора на холодные. Затраты энергии на передвижение теплоносителя невелики. Основная энергия при этом тратится на трение между теплоносителем и стенками радиатора, а некоторая часть – на внутреннее трение между струями жидкости. (Этот вопрос выходит за рамки данной статьи и подлежит в дальнейшем изучению и уточнению).
      Вращающийся поток теплоносителя в нижней части полости радиатора, отделенной промежуточным диском, направлен к ее центру и благодаря перепаду давлений втягивается в центральные отверстия промежуточного диска. В соответствии с принципом Бернулли скорость потока вблизи центра нижней части полости радиатора возрастает, т. к. уменьшается сечение потока. Это способствует интенсивному охлаждению части радиатора в центре полости. Вращающиеся лопасти центробежного ротора направляют порции теплоносителя к периферии полости радиатора, придавая образующемуся потоку турбулентное вращательное движение. Этот процесс вызывает смешение по-разному нагретых частей потока теплоносителя. Далее вращающийся поток теплоносителя перемещается к центру нижней части полости, сечение потока уменьшается по мере приближения к центру, а скорость потока увеличивается (закон Бернулли для несжимаемой жидкости). Вблизи центра полости радиатора и центрального отверстия промежуточного диска поток еще раз меняет направление, угловая скорость (закрутка) его увеличивается пропорционально уменьшения момента вращения. Движение теплоносителя напоминает вращающееся торнадо. Трудно представить себе лучшие условия для смешивания горячих струй с холодными и для охлаждения вблизи места смешения. В модели на рисунке 5, выполненной в соответствии с рисунками 1–2, используется стакан (диаметр: 12 см; высота: 4 см) с водой массой 200 мл. 

Модель.jpg
Электродвигатель 
 
Ведущее колесо 
 
Ротор с магнитами
Промежуточный диск
Индикаторный порошок 

Рис. 5. Модель устройства с вращающимся жидким теплоносителем (фотография)

Адрес клипа: 
https://www.facebook.com/Модель-продукта-Охлаждение-вращающимся-теплоносителем-935286383315628/?modal=admin_todo_tour

      В модели установлен электродвигатель мощностью 4 Вт; на дне стакана находится индикаторный порошок. При включении электродвигателя жидкость начинает вращаться, индикаторный порошок стягивается к центру с образованием конуса и переходит в верхнюю часть полости. Этот процесс иллюстрируется в видеоклипе [12].

Тепловое сопротивление тарелки

      Тепловое сопротивление тарелки  Rт = R1 + R2, где R1 – тепловое сопротивление оболочки (радиатора); R2 – тепловое сопротивление потока жидкости между охлаждаемым источником тепла и радиатором.

R1 = h/(Sλ), (1)
где λ – теплопроводность материала оболочки, S – площадь теплопроводящей оболочки; h – толщина оболочки.
R2 = 1/(γmcN), (2)
где γ – коэффициент смешивания горячих и теплых струй теплоносителя (этот коэффициент подлежит дальнейшему уточнению и определению); m – масса теплоносителя; с – теплоемкость теплоносителя; N – количество оборотов теплоносителя за единицу времени (значение N может быть дробным или целым числом). Полное тепловое сопротивление равно:
Rт = h/(Sλ) + 1/(γmcN). (3)
      Для примера рассмотрим тепловую тарелку со следующими размерами: диаметр: 12 см; высота: 2 см; толщина стенки: 0,1–0,2 см; материал: аустенитная нержавеющая стать с теплопроводностью 20 Вт/(м•K); теплоноситель – вода. Для этой конструкции R1 составит пренебрежимо малую величину 2•10–4 К/Вт. Объем полости радиатора при этом составит около 200 см3, масса – 200 г. Теплоемкость воды с = 4,2 Дж/(г•К); коэффициент смешения γ примем равным 0,7 при числе оборотов теплоносителя в секунду равном единице. В этих условиях тепловое сопротивление R2 составит 1,8•10–3 К/Вт. Итого: Rт = R1 + R2 составит для взятого примера 2,0•10–3 К/Вт. Такой малый порядок теплового сопротивления характерен для проточного жидкостного охлаждения.   
        Схема на рисунке 6 подчеркивает, что при использовании тепловой тарелки удается существенно снизить температуру охлаждаемого объекта.

Реализация тепловой тарелки. Технические трудности 

       Для создания тепловой тарелки необходимо решить следующие основные задачи: создание герметичного тонкостенного теплопроводящего радиатора из немагнитного материала; конструирование ротора, управляемого магнитным полем; выбор подходящего теплоносителя; конструирование устройства, обеспечивающего вращающееся магнитное поле; установка ротора в полости радиатора, обеспечивающей его вращение; размещение греющегося объекта на поверхности радиатора. Указанные задачи можно решить с помощью имеющихся материалов и производственных технологий. Так, радиатор тепловой тарелки можно выполнить из алюминия, латуни или аустенитной немагнитной стали. В конструкции ротора можно использовать постоянные неодимовые магниты [7] с соответствующей максимальной рабочей температурой. Подшипники скольжения, обеспечивающие работу ротора тепловой тарелки, в таких случаях можно выполнить из фторопласта и воды – материала, который образует с жидкостью скользящую пару. Такие детали могут работать с любой смазкой [8], а при достаточном отводе тепла – без смазки [9]. В качестве теплоносителей можно выбрать газообразные и жидкие вещества – воздух, воду, этиленгликоль в смеси с водой, антифризы [10], минеральные масла и другие вещества. Устройство для вращения магнитного поля можно выполнить на основе маломощного электродвигателя с ведущим колесом с расположенными на нем неодиевыми магнитами (см. рис. 1). В альтернативном варианте устройства (см. рис. 4) вместо них можно задействовать соленоиды [11], выполненные в виде статора электродвигателя. Вращение магнитного поля осуществляется обычным для асинхронных двигателей подключением соленоидов к многофазному источнику питания или электронной схемой, переключающей соленоиды при питании от источника постоянного напряжения. Ось ротора во избежание биений при вращении следует совместить с центром вращения магнитного поля. Греющийся объект на поверхности радиатора можно установить при  помощи пайки, герметика или клея. В первую очередь, речь идет о размещении светодиодных матриц, или модулей COB (Chip on board – монтаж кристаллов на плату), выполненных на керамической либо металлической подложке, которые могут перекрывать отверстие радиатора тарелки (см. позицию 6 на рис. 1). В то же время, при конструировании тепловых тарелок имеется ряд сложностей. При конструировании тонкостенного радиатора должно быть предусмотрено частичное наполнение его полости, учитывающее термическое расширение теплоносителя. Кроме того, необходимо принять меры, исключающие попадание в полость радиатора микрофлоры, бактерий, грибков и т. д. Герметизация полости радиатора должна быть выполнена по технологиям, близким к технологиям консервирования. Неодимовые или другие магниты для ротора и ведущего колеса (в случае применения электродвигателей) выбираются с учетом предельных рабочих температур. Например, максимальная рабочая температура применения магнитов, связанная со значением точки Кюри, для неодимовых магнитов находится в диапазоне 80–220°C в зависимости от марки материала [7]. Выбор теплоносителей связан и с рабочим температурным интервалом, и с агрессивностью выбранного теплоносителя по отношении к используемым конструкционным материалам. Особо тщательно следует отнестись к механической установке ротора. Это единственная подвижная часть внутри радиатора с альтернативным устройством вращения магнитного поля. В простом решении по установке ротора предусматривается, например, подшипник скольжения, в котором ось ротора удерживается с достаточной прочностью и подвижностью. Решение задачи облегчается тем, что вращение ротора происходит в жидкой среде. Перспективным вариантом можно считать использование фторопласта-4 для создания подшипника и втулки [8–9].

Рис.5.jpg

а                                         б

     Рис.6.  Тепловая схема обычного радиатора (а) и тепловой тарелки (б) 

Варианты тепловых тарелок. Области применения

      Реализации тепловых тарелок могут быть разнообразными. Разнообразие достигается (в основном) за счет разной мощности и размеров радиатора, материалов радиатора, выбора теплоносителя, схемы и конструкции устройств, создающих вращающееся магнитное поле, магнитных материалов, элементов конструкции. Крайне малое тепловое сопротивление тепловой тарелки сразу же ставит вопрос об отводе тепла от поверхности радиатора. К очевидным вариантам относится обеспечение обычной конвекции, активного воздушного охлаждения, жидкостного охлаждения и другие способы. В качестве теплоносителей применяются жидкие и газообразные вещества, можно использовать и материалы с фазовым переходом состояния. Наиболее простые варианты сводятся к оснащению тепловых тарелок ребрами для конвективного отвода тепла, или к применению вентиляторов для обдува тепловой тарелки либо соединенных с ней ребер. Для отвода значительных тепловых мощностей целесообразно применять и вторую ступень жидкостного охлаждения. Тепловые тарелки могут использоваться в самых разных областях. В светотехнике эти тарелки можно применить в прожекторах с мощными светодиодными матрицами, COB-матрицами и другими видами светодиодов. На наш взгляд, применять их целесообразно при мощностях от сотни ватт до нескольких киловатт в наружном, дорожном, уличном, спортивном, архитектурном освещении, а также в освещении крупных объектов, во всех видах транспорта, в горных выработках, карьерах и т. д. Полезный эффект заключается в уменьшении габаритов и массы, обеспечении портативности, снижении температуры светодиодного модуля прожекторов. Применение тепловых тарелок в мощных лазерных установках позволяет уменьшить массогабаритные показатели и повысить надежность. В компьютерной технике применение тепловых тарелок позволяет перейти на более высокий класс мощностей, уменьшить массогабаритные характеристики, увеличить стойкость к пыли и загрязнениям. При использовании электромагнитных муфт (см. рис. 4) и жидкого теплоносителя можно существенно снизить уровень шума, который обычно сопровождает применение вентиляторов в воздушной среде, и снять ограничения на используемые мощности. 

Выводы 

1.  Описанное устройство, именуемое тепловой тарелкой, использует для передачи тепла вращающуюся турбулентную и направленную массу теплоносителя. Как видно из формул (1–3), тепловое сопротивление таких конструкций крайне мало, как и относительная энергия для раскрутки теплоносителя. Таким образом, появляется возможность конструировать радиаторы большой мощности, используя жидкие теплоносители и тонкие теплопроводные оболочки.
2. Применение в тепловой тарелке магнитного управления раскруткой теплоносителя позволяет одновременно решить вопросы герметизации устройства, защиты от пыли и влаги составных частей конструкции, а также уменьшить интенсивность шума.
3. Промежуточный диск с системой периферийных и центральных отверстий, разделяющий полость радиатора на две части, позволяет организовать циркуляцию теплоносителя таким образом, что в центре радиатора образуется место, активно омываемое вращающимся и ускоряющимся потоком теплоносителя. Это место является оптимальным для размещения греющегося активного электронного объекта.
4. Помещение греющегося объекта в область оптимального охлаждения так, что сторона объекта непосредственно омывается теплоносителем, дополнительно снижает тепловое сопротивление между охлаждаемым объектом и теплоотдающей поверхностью радиатора.
5. Очевидные преимущества описанного в статье метода отвода тепла над многими другими решениями позволяют решить задачи миниатюризации, компактности, портативности, повышения надежности и долговечности.
6. При проектировании тепловых тарелок разработчик может столкнуться с необходимостью решить ряд задач по: конструированию тонкостенных сосудов из немагнитных, но теплопроводящих материалов; обеспечению герметизации; учету температурного расширения теплоносителя; совместимости материалов, созданию устройств, обеспечивающих вращающееся магнитное поле; выбору подходящих магнитов и теплоносителей; обеспечению надежного и длительного вращения ротора с магнитами; работе подшипников или втулок в среде теплоносителя и т. д.
7. Тепловые тарелки доступны для разработки, перспективны для построения мощных прожекторов и других устройств, в которых необходимо миниатюризировать и облегчить конструкции при больших уровнях тепловой мощности.

=======================================================================

Литература

1. www.led-heatsink.com.
2. www.cooliance.com/NA/Products/LEDHeatsinks/LED-Coolers-For-Citizen-Arrays.html.
3. www.aavid.eu/product-group/hydrosink.
4. https://npostk.ru/product-catalog.html.
5. Патент СШа 8.820.976 Advanced cooling method and device for LED lighting.
6. Устройство активного охлаждения прожектора. (Заявка на патент рФ № 2017120762)

7.  ГОСТ-Р52956-7-2008. Материалы магнитотвердые спеченные на основе  сплава неодим-железо-бор.
8. www.ftoroplast.com.ru.
9. www.ftoroplastmsk.ru/interesnyestati/ftoropla stipodshipnikiskoljeniya.jdx.

 
10. ГОСт 159–52, Жидкость охлаждающая  незамерзающая.
 
11. Патент СШа 6.517.231. Liquid stirrer with magnetic coupling.
 
12. https://goo.gl/dfMiyx.























комментарии (0)

Вход в систему Регистрация →
Забыли пароль?