Несколько лет назад, я заинтересовался системами охлаждения по технологии Контурные Тепловые Трубы (КТТ). Они обладают значительно меньшим тепловым сопротивлением, чем обычные тепловые трубки, могут работать на дальние расстояния и не имеют сильного снижения производительности в зависимости от ориентации. Тогда меня смутил то ли аммиак в качестве теплоносителя, то ли материалы из стали, то ли аэро-космическое применение. Все изменилось, когда я наткнулся на видео про «сухую воду» и решил вернуться к КТТ, разобраться подробнее.
Меня зовут Александр – я любитель компактных ПК. Поэтому речь пойдет о дизайне низкопрофильного кулера по технологии КТТ. Мне удалось найти два любопытных материала на которые я (в основном) опирался при разработке дизайна. Первый, в журнале «Электроника» от 2017г №6, за авторством Ю. Майданика – одним из изобретателей этой технологии. Там про теорию и практические примеры. Второй, за авторством Patrik Nemec на ресурсе intechopen.com. Там есть очень интересные результаты практических экспериментов в поисках истины. Далее, я буду ссылаться на эти две статьи.
Принцип работы КТТ
Капиллярный насос. Пористая структура Фитиля внутри Испарителя поглощает поступающую жидкость и перекачивает ее к Теплосъемнику, создавая силу капиллярного давления и пассивно перемещая жидкость внутри системы.
Испарение. Жидкость испаряется Теплосъемником, который находится в контакте с источником тепла. Через Пароотводные каналы Фитиля, Пар по Паропроводу устремляется в сторону конденсатора.
Конденсация. В конденсаторе, из-за разницы температур, Пар снова конденсируется в жидкость. Затем жидкость возвращается обратно в Испаритель.
День сурка. Пока тепло подается на Теплосъемник, а конденсатор имеет более низкую температуру чем источник тепла – этот процесс продолжается бесконечно. Система очень похожа на комплект водяного охлаждения «все в одном». Только вместо помпы – Испаритель.
Испаритель
Как крыльчатка в помпе водяного охлаждения, так и в Испарителе, Фитиль является главным элементом прокачки жидкости. Что будет, если край кусочка сахара окунуть в горячий чай? Все верно – он мгновенно заполнится водой. Именно так работает капиллярное давление. Для разных жидкостей нужна своя оптимальная капиллярная структура Фитиля. Основными параметрами капиллярной структуры являются ее пористость и эффективный радиус пор. Пористость, это сколько жидкости он может в себя вместить, а радиус пор определяет размер самих частиц, из которого спечен Фитиль. Для этого могут быть использованы порошки из металлов и их сплавов, равно как и композитные материалы – и это опять же зависит от применяемой жидкости.
В своей работе Patrik Nemec (раздел 4) на конкретных примерах исследовал зависимость эффективности Испарителя от пористости и радиуса пор Фитиля. Так же, там описаны условия для его запекания. В результате экспериментов было установлено, что оптимальной капиллярной структурой для воды в качестве теплоносителя является Фитиль из медного порошка с размером зерен 100мкм и пористостью 55%. Спекался Фитиль при температуре 950°C в течение 30мин.
В статье Ю. Майданика на стр.126 описан эксперимент с КТТ, где использовался цилиндрический Испаритель диаметром 10мм с длиной активной зоны испарения 40мм и конденсатором, охлаждаемым проточной водой. В данном эксперименте удалось отвести до 300W тепловой энергии. Я экстраполировал указанный Испаритель на горизонтальную плоскость и использовал полученные размеры для Фитиля. Они практически идеально подошли в размеры обычного теплосъемника (башмака) от кулера CPU.
Основные характеристики Испарителя:
Материал – медь
Размер Фитиля – 35х30х3мм (спеченный медный порошок 100мкм)
Кол-во Пароотводных каналов – 8 (1х1х27мм каждый)
Размер Теплосъемника, контактирующего с источником тепла – 40х38мм
Крепления для разных сокетов CPU – стандартные
Габаритные размеры – 58х38х12мм
Предполагаемая производительность – 250W+
Конденсатор
Еще одно преимущество КТТ, это возможность, равномерно распределить трубки охлаждения по всей площади Конденсатора, тем самым повысив эффективность охлаждения. При разработке дизайна я использовал два симметричных змеевидных контура длиной 460мм каждый. Как мне кажется, это позволит веселее прокачивать жидкость в отличии от одного контура, длиной почти в метр.
На рисунке показаны два варианта конденсатора. Вариант А – змеевидного типа, Б – коллекторного. Так же, можно все 10 трубок объединить в один коллектор в одном контуре. Что лучше – пока не понятно, но можно узнать экспериментально.
Основные характеристики Конденсатора:
Материал трубок – медь
Внутренний диаметр трубок – 2.2мм
Длина контуров конденсации – 2х460мм
Паропровод – 2х40мм
Конденсатопровод – 2х70мм
Материал ламелей охлаждения – алюминий
Общая площадь ламелей охлаждения (с двух сторон) – 1580кв.см
Поддержка вентиляторов охлаждения – 92х92х15мм, 92х92х25мм
Клипсы крепления вентиляторов – стандартные
Габаритные размеры – 94х94х19.5мм
Предполагаемая производительность – 120W+
Теплоноситель
Как упоминалось ранее, в качестве теплоносителя можно использовать дистиллированную воду. На мой взгляд, более перспективно использовать так называемую «сухую воду». К примеру – «3M Novec 649 Engineered Fluid». У этой жидкости почти в четыре раза лучшая удельная теплоемкость чем у воды. Она в два раза менее вязкая и закипает уже при температуре 49°C (1атм), а замерзает при -108°C. Она (от слова совсем) не взаимодействует с медью, алюминием, оловом и другими металлами. Эта жидкость не проводит электричество. Она нетоксична в столь малых кол-вах, хотя пить ее конечно же нельзя.
В своей работе Patrik Nemec (раздел 4.4) пришел к выводу, что оптимальное кол-во жидкости для его испытательного стенда составило 60% от внутреннего объема всей системы. На этот параметр влияют как длина Паропроводных, так и Кондесатопроводных каналов. Поэтому, оптимальное кол-во жидкости лучше установить экспериментально.
Мысли вслух
Подозреваю, что у Контурных Тепловых Труб есть потенциал создания более эффективных кулеров для настольных ПК, по сравнению с существующими решениями на базе тепловых трубок. Если удасться поднять эффективность на 20-25%, то это будет довольно значимым результатом. При этом сама конструкция ненамного сложнее, обычных кулеров. А фраза "Аэро-космические технологии в вашем ПК" - звучит очень заманчиво.
Использованные ресурсы:
Ю.Майданик. "Контурные тепловые трубы – высокоэффективные теплопередающие устройства для систем охлаждения электроники". Журнал «Электроника» от 2017г №6.
Patrik Nemec "Porous Structures in Heat Pipes" на ресурсе intechopen.com.
Elvis Liu из компании ID-Cooling (помощь в разработке радиатора охлаждения).
Канал Thoisoi на YouTube (видео про "сухую воду").
