Современная техника, а особенно её электронно-вычислительная часть, зачастую является синонимом слова «тепловыделение».
С этим борются с той или иной степенью успешности, и одним из широко распространённых решений являются всем известные теплоотводы, обычно снабжённые радиаторами.
Но, как выясняется, с ними тоже не всё так просто, и между радиаторами одного типа и другого может лежать настоящая пропасть, несмотря на то что формально рассматриваемые типы относятся к одной и той же категории «радиаторы»…
Для начала следует сказать, что под собственно «радиатором» в технике понимается устройство, предназначенное для передачи тепла от одной среды другой, и радиаторы появились далеко не вчера — одним из самых первых радиаторов принято считать «гипокауст» (hypocaust), появившийся ещё в Древнем Риме и предназначенный для согревания пола и стен помещений в домах богатых горожан.
Устроена эта система была следующим образом: затапливалась печь, расположенная ниже уровня пола, где сам пол помещения был несколько приподнят на столбах (pilae), сложенных из кирпичей.
Таким образом, под полом здания образовывался своеобразный «подвал», который наполняли продукты сгорания из печи, прогревая пол.
Далее продукты сгорания проходили через черепичные или глиняные дымоходы, располагавшиеся в стенах дома и имевшие выходы под крышей — такой проход дыма сквозь стены прогревал ещё и их, то есть мы здесь видим максимально эффективное использование печного тепла, когда им обогревались и стены, и пол:
Воссозданную модель работы системы можно увидеть, например, на видео ниже с 1:00:
Радиаторы обычно передают тепло с помощью конвекции и теплового излучения.
Концепция обогрева/охлаждения с помощью радиаторов весьма широко распространена и применяется практически повсеместно: от автомобилей до микроэлектроники.
Не будет секретом почти ни для кого, кто когда-либо имел дело с радиаторами, особенно самыми недорогими, что зачастую приходится иметь дело с их типом, выполненным в виде массива металла — алюминия или меди, имеющего контактную площадку и некое оребрение, где передача тепла от охлаждаемого объекта происходит через контакт с этой площадкой с дальнейшим переносом тепла за счёт высокой теплопроводности материала радиатора как такового (собственно, почему там и используются алюминий или медь).
Тем не менее это не единственно возможное исполнение — скажем, по примеру тех же автомобильных радиаторов, мы знаем, что может быть и более сложное исполнение — с протеканием теплоносителя (в случае авто это смесь на водной основе).
На этом познания в области радиаторов у большинства заканчиваются. :-)
Тем не менее, что интересно, сама система радиаторного охлаждения может иметь как минимум ещё и третье исполнение — с фазовым переходом!
И это для нас самый занятный вариант как минимум потому, что он редко обсуждается, редко изготавливается самостоятельно, да и вообще мало кто имеет с ним дело!
Итак, что же это такое: мы видели по предыдущему варианту, что радиаторы могут быть выполнены в виде конструкции с протеканием теплоносителя внутри.
Как в основе своей функционирует такой вариант?
Обычно это герметичная система, полностью залитая теплоносителем, который, нагреваясь от охлаждаемого объекта, перемещается по системе принудительно (с помощью насоса(ов)) или за счёт простой конвекции, перенося тепло туда, где оно может быть утилизировано (читай «удалено из системы»).
Забавный познавательный факт: в ранних авто, относящихся к заре автомобилестроения, включая 1920-е годы, у большинства недорогих моделей стояли именно «термосифонные» радиаторные системы охлаждения, то есть такие, где вода циркулировала самотёком: вода нагревалась в кожухе охлаждения двигателя, в результате приобретала меньшую плотность и «всплывала» вверх, к радиатору охлаждения (то есть речь идёт об обычной конвекции), без использования каких-либо нагнетательных насосов.
В качестве такого «утилизатора» как раз обычно и выступает радиатор, омываемый или обдуваемый окружающей средой — также принудительно или естественным образом.
То есть мы видим, что в такого рода системе теплоноситель просто перемещается из одного места системы в другое, нагреваясь до некоторой степени, иногда даже кардинально выше температуры кипения, но замкнутость системы и повышенное давление не дают ему вскипать*.
*Например, известно, что использующийся в радиаторной системе охлаждения двигателя автомобиля антифриз может потенциально быть нагрет (в зависимости от типа) вплоть до примерно 135°C, однако из за повышенного давления в системе (в 1-2 атмосферы) его температура кипения также повышается до примерно +150°С. Могу несколько ошибиться в цифрах, но факт остаётся: повышенное давление не даёт охлаждающей жидкости закипать.
Но тут мы должны задаться вопросом: а так ли уж плохо, если охлаждающая жидкость будет кипеть?
Вовсе нет: и именно на этом принципе был создан новый тип систем охлаждения, обладающий высокой эффективностью и чья история берёт начало ещё со времён паровых двигателей — «капиллярные системы охлаждения».
Принято считать, что, по ряду мнений, первым прообразом этих капиллярных систем являлась «трубка Перкинса» — теплообменник, ставший новой эволюционной ступенью развития паровых машин. Если до появления этой трубки паропроизводительность машин была достаточно низкой, то с вводом её в обиход производство пара вышло на иной, практически промышленный (потоковый) уровень!
Принцип действия трубки был прост: в ней находилась вода, где в одной части трубки она нагревалась пламенем, испарялась и в виде пара перемещалась в другой конец трубки, где происходила конденсация пара, а охлаждённая вода возвращалась обратно в зону нагрева (в качестве альтернативы мог быть использован простой выброс отработанного пара в атмосферу, а трубка Перкинса применялась исключительно как высокоэффективный парообразователь).
Принципиальную схему такой системы можно увидеть на картинке ниже:
В своё время, я делал хорошую картинку, которая наглядно показывает эволюцию источника пара у паровых систем, где трубка Перкинса (или, если быть точнее, то массив трубок Перкинса) является венцом развития парообразователей:
В современном мире в паровых системах трубка Перкинса может использоваться таким же образом, как и в эпоху пара, однако в качестве альтернативы зачастую она применяется в виде простого охладителя, чтобы подвести давление измеряемой среды к измерительному устройству, например, манометру.
Шли годы, и технические системы требовали всё более компактного и эффективного охлаждения, и поэтому одному из инженеров пришла в голову идея: а может, вспомнить принцип трубок Перкинса и как-то применить его в актуальных задачах?
Тем более что это повторное внимание к ним было не случайно: на тот момент (1940-е–1970-е годы) шло активное развитие атомных технологий, в том числе рассматривались варианты атомных реакторов и для космических аппаратов, где такие системы могли быть полезны для отвода тепла от активной зоны реактора.
И тут мы как раз должны обратиться к тому, почему капиллярные системы так называются: дело в том, что в подобных системах есть трубки, предназначенные для движения пара — с одной стороны, и для движения жидкости — с другой стороны.
Трубки обычно выполняются таким образом, чтобы это встречное движение не мешало друг другу — поэтому стенки трубок покрываются специальным образом, например пористой структурой из спечённого медного порошка:
В качестве альтернативы стенки могут покрываться мелкими бороздками (канавками) или сеткой:
В литературе это покрытие обычно фигурирует под названием «фитиль», весьма прозрачно намекая на исторические корни: в самом начале работ над такими системами охлаждения во время экспериментов действительно использовались тканые (льняные) материалы, которые затем были заменены на более долговечные металлические или стеклотканевые сетки, менее подверженные деградации с течением времени.
Таким образом получается, что у такого рода трубок центральный проход свободен для движения пара, который перемещается от нагретого конца трубки к её холодному концу, в то время как сконденсированная жидкость может спокойно стекать по стенкам трубки в сторону нагретого конца.
Причем здесь слово «стекает» будет не совсем уместно, так как именно в этом суть и преимущество таких трубок, потому что силы поверхностного натяжения перемещают жидкость по пористым стенкам вне зависимости от положения системы в пространстве. И именно поэтому такие системы и рассматриваются как весьма перспективные для охлаждения ядерных реакторов в условиях невесомости, так как капиллярные системы не зависят от гравитационных сил.
Капиллярные системы охлаждения принципиально отличаются от других типов систем охлаждения именно тем, что описано выше: фазовый переход жидкостей (нагрев — испарение — охлаждение — конденсация) позволяет организовать весьма эффективную систему теплоотвода. Скажем, если для простоты рассмотрения взять монолитный алюминиевый радиатор и принять его эффективность за 100%, то аналогичный, но медный радиатор будет показывать эффективность уже примерно в 200%, в то время как при использов��нии капиллярной системы эффективность «зашкалит» и может доходить даже до десятков тысяч процентов!
Причина такой высокой эффективности кроется в том, что, если говорить самыми простыми словами, парообразование требует больших затрат энергии, то есть энергия для этого процесса забирается у окружающей среды, что в итоге приводит к понижению её температуры.
Кроме того, пар с очень большой скоростью перемещается из горячего конца трубки в её холодный конец, очень быстро унося с собой тепло.
В результате совокупного действия этих двух явлений и происходит быстрое и весьма эффективное охлаждение.
Условия парообразования в трубке должны быть подогнаны таким образом, чтобы:
жидкий теплоноситель успевал испаряться;
холодный конец был достаточно холодным, чтобы он смог перевести парообразный теплоноситель обратно в жидкую форму.
Список выше выглядит несколько банально и а-ля «капитан Очевидность» :-D, но это значит просто то, что трубка может эффективно работать только в довольно узком диапазоне температур, что явным образом ограничивает её применение.
То есть её нельзя «недогреть», равно как и «перегреть» — так как оба условия будут одинаково вредны и помешают ей реализовать весь заложенный потенциал…
В качестве одного из самых простых и эффективных теплоносителей может применяться деионизированная вода (т.е. очищенная от ионов растворённых солей металлов с целью избежать потенциального корродирования элементов конструкции).
Почему вода? Потому что это один из самых эффективных «потребителей» тепла среди жидкостей, которое требуется для её испарения.
В качестве альтернатив могут применяться и иные жидкости, например «сухая вода», с целью устранения риска катастрофического отказа электронных систем, при протечке радиатора, так как она не проводит ток.
Как было уже чуть выше сказано, главное — правильная настройка температурного диапазона работы: касательно воды, это достигается понижением рабочего давления в трубке*.
*В своё время, был у меня бытовой «вакуумный аппарат», купленный в хозмаге.
Вкратце: струя воды, проносясь сквозь верхнюю перекладину Т-образной трубки, высасывала воздух из нижнего ответвления, изначально находившегося под атмосферным давлением — другими словами, применялся простой «струйный насос».
В итоге у меня вода кипела при комнатной температуре! :-)
И можно было делать всякие интересные вещи, например сгущёнку самостоятельного изготовления без температурной обработки…
Но выглядело, конечно, занятно: с понижением давления в трёхлитровой стеклянной банке вода закипала и кипела всё сильнее. И всё это — без какого-либо нагрева, прямо при комнатной температуре… :-)
Понятное дело, одной сгущёнкой не обошлось, была и одна легковоспламеняющаяся жидкость… :-B
Нечто подобное применяется и в тепловых трубках, где давление понижается ниже нормального атмосферного с целью возможности закипания воды уже примерно при 50°C.
В качестве альтернативного пути, чтобы не сталкиваться с необходимостью понижения давления в трубках, могут использоваться легкокипящие жидкости, такие как ацетон, метанол, этанол, — впрочем, их эффективность будет в разы меньше, чем у воды.
Таким образом, среди наиболее широко использующихся преобладают именно вода и инженерные жидкости наподобие «сухой воды».
Однако перечень используемых теплоносителей не ограничивается только ими, поэтому могут использоваться, например, также аммиак и пропилен.
Несмотря на все преимущества, распространённость «тепловых трубок» (а именно такое название зачастую носят капиллярные трубки) ограничивается относительно высокой себестоимостью их производства, которая, по некоторым оценкам, превосходит себестоимость монолитных систем охлаждения (например, обычных алюминиевых радиаторов) вплоть до десяти раз. А так как понижение себестоимости является важнейшим фактором конкурентоспособности, такая разница существенно снижает распространённость капиллярных систем как минимум для масс-маркета.
Заинтересовавшиеся могут ознакомиться с одним из вариантов организации капиллярной системы охлаждения компьютерных компонентов, например здесь.
© 2026 ООО «МТ ФИНАНС»
