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").
Комментарии (25)
old_merman
15.08.2023 10:38+1А в чём отличие КТТ от обычных, лет уже 20 применяемых в кулерах, тепловых трубок? Потому что изображённая схема - она понятная, рабочая, но на мой взгляд - это самая обычная тепловая трубка, причём из ранних разработок, где рабочее тело возвращалось в зону нагрева гравитацией, а не капиллярным эффектом проложенного по длине трубки фитиля, и, соответственно, критичная к ориентации.
В статье Ю. Майданика акцента на отличиях КТТ от обычных тепловых трубок я тоже обнаружить не сумел; может быть, Вы поясните?
woodoodm Автор
15.08.2023 10:38Тепловые трубки замкнуты сами в себе, поэтому у них высокое тепловое сопротивление и очевидный предел теплопередачи. Здесь система работает по контуру с полным разделением источника тепла и конденсатора. Так же, можно наблюдать практически линейную зависимость от рассеиваемой мощности / температуры, которое и не снилось тепловым трубкам. В КТТ влияние гравитации незначительно влияют на термоперенос, потому как фитиль имеет высоту в несколько мм, в отличии от тепловых трубок, в которых нужно прокачать всю ее длину.
С другой стороны, я с вами в одной лодке, потому как не понятно, почему эта технология активно не использовалась до сих пор. Возможно здесь есть подводный камень поболее всех ее преимуществ.old_merman
15.08.2023 10:38Спасибо, стало понятнее!
В одном предложении я бы сформулировал так: отличие КТТ от обычных тепловых трубок - в наличии замкнутого контура, по которому в процессе работы происходит постоянное однонаправленное перемещение теплоносителя, вызванное разницей температур в разных частях этого контура.
Выглядит как красивая идея, интересно почему до сих пор не взяли на вооружение.
Bedal
15.08.2023 10:38Для тупых: разница в выделенном конденсаторе, так? Тогда, забывая про чудеса фитиля и испарителя, задаёмся вопросом: с какой стати жидкость в конденсаторе пойдёт назад, к испарителю, а не останется в трубке (смачивание, гравитация...), закупорив её?
Про чудо-жидкость: низкая теплота парообразования (88-95 против 2300 у воды), конечно, увеличивает интенсивность процесса, но где данные про вчетверо большую теплоёмкость? Почему ни в спецификации от 3М, ни в быстродоступных справочниках теплоёмкость вообще не упоминается? Ведь, учитывая, что вода всегда считалась самым теплоёмким веществом - это ведь на сенсацию тянет, по меньшей мере.
Upd:
Удельная теплоемкость CF3CF2C(O)CF(CF3)2 в жидкой фазе 1,102 кДж/кг°C
Удельная теплоёмкость воды — 4,180 кДж/кг°C
Не вчетверо выше, как написано в восторге, а вчетверо ниже. Уфф, школьные знания спасены, аварийная лампочка "не бывает" правильно мне в мозг посветила.
не понятно, почему эта технология активно не использовалась до сих пор.
Потому, что тепловые трубки можно производить на довольно простом оборудовании в огромных количествах по мизерной себестоимости, а описанное в посте - уже изделие из разнородных составляющих, да с процессами сборки?
old_merman
15.08.2023 10:38Для тупых: разница в выделенном конденсаторе, так?
Попробую объяснить, как сам понял: принципиальное отличие КТТ в том, что теплоноситель циркулирует (под действием разницы давлений) по кольцевому контуру, постепенно охлаждаясь, при этом более горячий теплоноситель нигде не контактирует с уже остывшим, а передаёт тепло только наружу через стенки трубки. Обычная же тепловая трубка является заглушённой трубой, где горячий теплоноситель в газовой фазе движется (так же под действием разности давлений) от горячего конца к холодному, НО одновременно в этой же трубе навстречу ему по фитилю "кродёться" под действием капиллярных сил остывший сконденсированный теплоноситель в жидкой фазе, и эти встречные потоки естественно, обмениваются теплом - что снижает общую эффективность трубки.
Bedal
15.08.2023 10:38да, теплообмен внутри трубки будет. Но вот насчёт разницы давлений - "ядерный реактор условно не показан". Вот трубка выходит, в ней газ. Вот где-то дальше он конденсируется в жидкость.
Если диаметр трубки мал - жидкость закупорит её за счёт поверхностного натяжения и, поскольку это те же силы, что создают давление в фитиле - никуда эту пробку не продавит. Если же диаметр трубки велик, то с какой стати жидкости двигаться? Она распределится по стенкам и будет пропускать газ по центру трубки. Опять не получается подача.
Выходит - подача осуществляется только за счёт того, что вещество образует на стенках сплошной жидкий слой, который касается фитиля, впитывается и тянет за счёт всё того же поверхностного натяжения жидкость к фильтру. То есть никакая "разность давлений" жидкость не толкает, но - тянет. Однако эти силы довольно малы, так что зависимость от гравитации (то есть ориентации системы) всё же будет, и сильная. Стоит по любой причине сплошному слою жидкости на стенках трубки прерваться, и "оторвавшаяся" жидкость уже будет иметь хорошие шансы закупорить трубку. Видимо, расчёт на то, что теплота парообразования очень мала, и жидкость будет образовываться интенсивно. Если, конечно, "на улице" тепло - иначе может и "заклинить". В отличие, кстати, от обычных тепловых трубок, у которых ни этой проблемы, ни зависимости от гравитации нет.
Специально оговорюсь: я не пытаюсь критиковать контурные трубки, а только лишь стараюсь понять принцип работы. Потому как в посте буквально всё (включая остальные мои замечания) подано неправильно. Так, из рекламок надёргано.
woodoodm Автор
15.08.2023 10:38Как говориться, я ничего не покупаю и не продаю. Статья написана под эгидой "Мнение". Мне, как и вам немного неуютно от недопонимания этой технологии.
На мой взгляд мы недооцениваем силы капиллярного давления. На странице 123-124, описана формула и говориться капилляре, который может развивать давление в несколько десятков kPa. Да же, если взять за основу 50kPa, то это уже 0.5 от атмосферного. Мне кажется, что этого вполне достаточно. Кстати, там же есть график потери производительности горизонтального и вертикального расположений.
SuperTEHb
15.08.2023 10:38Что значит "закупорит трубку"? Осмелюсь предположить, что вы представляете себе условную трубку капельницы, где некий объём жидкости полностью перекрыл сечение, но не занял весь объём. То есть эдакий полосатик получился вода-воздух-вода-воздух... Если это так, то в тепловых трубках всё немного отличается от такого мысленного (или реального) эксперимента: там нет воздуха. То есть только рабочая жидкость и её насыщенные пары. В такой системе все "пузырьки" очень охотно схлопываются конденсируясь. Там две фазы одного вещества, которые охотно друг в друга переходят.
С остальными вопросами согласен.
woodoodm Автор
15.08.2023 10:38Вот. Одним сомнением и у меня стало меньше. Спасибо за разъяснение по пузырям и пробкам.
Bedal
15.08.2023 10:38Про жидкость и пары - ясно даже и ежу, только это ничего не меняет. Точнее, делает только хуже, потому что пары жидкости в состоянии, близком к конденсации, принципиально не могут создать повышенное давление.
Пробка - это полное перекрытие просвета трубки жидкостью с газом по обе стороны. Без сплошного слоя жидкости до впитывающего слоя, потому что, если слой жидкости "дотягивается" до фитиля, то силами связи в жидкости всё будет втягиваться в фильтр, проблем не будет.
Со стороны газа давление не может "продавить" пробку по той простой причине, что увеличение давления будет приводить к конденсации, так что давления выше насыщающего давления паров быть не может. И далеко не факт, что это давление окажется выше, чем силы сцепления жидкости с поверхностью трубки, силы поверхностного натяжения и - гравитация.
Таким образом, зависимость от вертикальной ориентации будет. Возможно, в варианте "всё в порядке, пока всё в порядке". И остановится, если почему-либо возникнет пробка (например, от встряхивания при землетрясении).
SuperTEHb
15.08.2023 10:38Вот оно и будет конденсироваться и продавливаться в ту сторону, где холоднее. Давление-то можно считать одинаковым по всему внутреннему объёму. А силы "сцепления жидкости с поверхностью трубки" уравновешены с обеих сторон пробки.
Как ещё один вариант решения можно выбрать материал и размер трубки такими, чтобы такая ситуация и вовсе не возникала. Или даже как-то поиграться геометрией трубки типа разного сечения или разной формой сечения. Но, честно говоря, не вижу особого смысла. И так должно работать.
Остаётся гравитация. При такой конструкции она должна помогать попадать жидкости в зону испарения, а не мешать этому процессу.
woodoodm Автор
15.08.2023 10:38Похоже, что и при вертикальном положении - гравитация тоже в помощь (на картинке). Вот при перевернутом вверх тормашками - скорее всего получим сухой фитиль. Тогда засада с запуском бульбулятора.
woodoodm Автор
15.08.2023 10:38Удельная теплоемкость CF3CF2C(O)CF(CF3)2 в жидкой фазе 1,102 кДж/кг°C
Удельная теплоёмкость воды — 4,180 кДж/кг°C
Не вчетверо выше, как написано в восторге, а вчетверо ниже. Уфф, школьные знания спасены, аварийная лампочка "не бывает" правильно мне в мозг посветила.
Удельная теплоемкость, означает сколько энегрии нужно потратить, что бы определенный объем жидкости разогреть выше на 1°C. Для разогрева воды нужно потратить в 4 раза больше энергии.
Про сборку да, согласен. Она сложнее из за ручных операций, но не на много.Bedal
15.08.2023 10:38Удельная теплоемкость, означает сколько энегрии нужно потратить, что бы определенный объем жидкости разогреть выше на 1°C. Для разогрева воды нужно потратить в 4 раза больше энергии.
С чего бы это объём, где Вы такое определение взяли? По массе нужно считать. В любом случае то, что "Для разогрева воды нужно потратить в 4 раза больше энергии" означает, что теплоёмкость воды вчетверо выше.
Она сложнее из за ручных операций, но не на много.
Для производства - в разы. Разные компоненты с отдельным производством - против примитивной трубки с автоматическим сплющиванием концов.
woodoodm Автор
15.08.2023 10:38В любом случае то, что "Для разогрева воды нужно потратить в 4 раза больше энергии" означает, что теплоёмкость воды вчетверо выше.
Если вы внимательно прочитаете, то я не писал выше, или ниже. Это ваше. Я написал лучше, что в данном случае так и есть.
Для производства - в разы. Разные компоненты с отдельным производством - против примитивной трубки с автоматическим сплющиванием концов.
А вот это мое любимое... Позвольте уточнить: последние 11 лет живу в ЮВА. Несколько лет жил и работал в КНР. Познакомился с несколькими десятками различных фабрик там же. Три из них - довольно крупные сборщики систем охлаждения. С одной из них сотрудничаю до сих пор. И если вы видели процесс распределения и запекания порошка в трубке, то должны понимать, что это более сложный процесс, нежели запекание плоского фитиля в матрицах по несколько десятков штук за раз.
Насадка ламелей охлаждения так же, чуть проще потому как не нужны особые крепежи для уже загнутых трубок обычных кулеров. Нет запрессовки готового радиатора в башмак и его дальнейшей полировки (некоторые производители забивают на это, поэтому у них башмак неровный).
Здесь есть доп. операции по герметизации переходных отверстий контура, но как мне подсказали, это можно делать оловянно-серебряными паяльными прокладками. Это один из вариантов. Учитывая сколько стоит рабочий день сборщика - ну так себе усложнение и удорожание. Так, что повторюсь - не на много сложнее.
Bedal
15.08.2023 10:38Я написал лучше
неаккуратно в целом пост написан. Понимаю радость неофита, но - неаккуратно.
если вы видели процесс распределения и запекания порошка в трубке
процесс автоматического распределения и запекания дёшев и быстр, но увидеть ничего при этом нельзя. Видимо, вы о работе с высокой долей ручного труда - тогда верно, гораздо проще с плоскостью работать.
safari2012
15.08.2023 10:38-1| Она нетоксична в столь малых кол-вах, хотя пить ее конечно же нельзя
помнится один аэрокосмический (в прошлом) деятель топил таксу в подобной жидкости, которую ему потом пришлось приютить :)
atd
15.08.2023 10:38В теории это всё интересно. Но где я могу купить/заказать кулер с такими трубками?
woodoodm Автор
15.08.2023 10:38Вот! Это мое основное сомнение в данной технологии. Все выглядит как торт, но только для аэро-космоса и используют. Есть разработки для серверных стоек, как в РФ так и за рубежом. Опять же, не массово.
SuperTEHb
Что помешает теплоносителю пойти в другую сторону? Фитиль работает в обе стороны, никаких клапанов нет.
В данном случае всё же стоит смотреть на удельную теплоту парообразования. Фазовый переход же.
woodoodm Автор
Теплоноситель испаряется в нижней части фитиля у контакта с теплосъемником, а пар выходит через пароотводные каналы. Фитиль засасывает жидкость в освободившееся пространство.
SuperTEHb
Кажется, сообразил. То есть это конструктивно так сделано, что одна половина фитиля условно горячая, а вторая холодная?
woodoodm Автор
Да. То же самое в тепловых трубках происходит. В зоне испарения с фитиля испаряется жидкость и через полую середину трубки устремляется в зону конденсации. А освободившееся пространство заполняется фитилем из конденсата.
BlackPanther
Обычная теплотрубка возвращает жидкость по длинному фитилю, тут же жидкость из конденсатора должна стекать под действием гравитации, так как в возвратных трубках фитиля нет. Так что чувствительность к ориентации будет выше, чем у обычной теплотрубки. В системах на аммиаке используется абсорбция для прокачки хладагента, используется аммиак, так как он хорошо абсорбируется обычной водой. И эти системы также чувствительны к ориентации. Кстати помпы без движущихся частей тоже существуют и работают эффективнее капиллярного фитиля. Да и обычная Laing D5 работает у меня в контуре уже лет 10 и пока дохнуть не собирается, контур отводит 600+ ватт
woodoodm Автор
Поделитесь пожалуйста ссылкой. Очень интересно. Спасибо!