Книги по строительству и ремонту

Тепловые трубы

Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Охлаждение элементов электронного оборудования

В настоящее время, по-видимому, наиболее широко тепловые трубы используются для охлаждения элементов электронного оборудования, таких как транзисторы или другие полупроводниковые устройства, а также интегральных модулей.

Прежде чем рассматривать некоторые специальные примеры, удобно описать в общих чертах возможности применения тепловых труб в этой области. Как указывалось в § 7-1, тепловая труба обладает четырьмя основными свойствами. Из них применительно к рассматриваемой задаче наиболее значимыми являются; пространственное разделение источника и стока теплоты, выравнивание температуры и способность к регулированию температуры. Если речь идет об охлаждении элементов электронного оборудования в космосе (см. § 7-4), то последнее свойство является наиболее существенным. 212

 Теперь можно перейти   к рассмотрению   геометрии системы. Их удобно разделить на три основные категории,  которые представляют  различные типы тепловых труб:

1)         трубчатую;

2)         плоскую пластинчатую;

3)         систему с непосредственным контактом.

7-3-1. Трубчатые тепловые трубы. Тепловые трубы трубчатой формы (с круглым, овальным, прямоугольным или иным поперечными сечениями) выполняют две основные функции:

1)         передачу теплоты к удаленной точке;

2)         обеспечение компактного стока теплоты.

 7-2. Применение трубчатой тепловой трубы для передачи теплоты стоку,  расположенному  на некотором удалении от  охлаждаемого устройства.

При использовании тепловой трубы в качестве среды, передающей теплоту между двумя изолированными точками, становятся очевидными некоторые технические решения. Можно соединить конденсатор тепловой трубы со следующими элементами:

1)         с твердым стоком теплоты (7-2);

2)         с отдельной частью устройства или сборки;

3)         с другой тепловой трубой;

4)  со стенкой модуля, в котором находятся охлаждаемый элемент или элементы.

В тех случаях, когда требуется свести к минимуму размер и массу устройств, почти изотермический режим работы тепловой трубы может быть использован для повышения температуры ребер или развитых поверхностей других типов. В результате этого передача теплоты к среде, выполняющей роль окончательного стока теплоты (обычно этой средой служит воздух), увеличивается. За счет этого можно повысить мощность устройства или снизить массу и размеры металлического стока теплоты. Существуют два возможных способа применения тепловой трубы в этих целях:

1)         разместить охлаждаемый элемент непосредственно на тепловой трубе;

2)         разместить     охлаждаемый    элемент    на    плате, внутрь которой вставлены тепловые трубы.

7-3-2. Плоские тепловые трубы. Вторым основным типом тепловых труб, который, вероятно, наиболее всего подходит для охлаждения электронного оборудования, является плоская тепловая труба. Для охлаждения устройств очень большой мощности этот тип тепловой трубы в ближайшем будущем вряд ли будет использоваться, однако целесообразность применения подобных труб для выравнивания температур и охлаждения относительно небольших полупроводников и транзисторных модулей не вызывает сомнения, так же и их использование для охлаждения интегральных модулей. Подводя итог, можно сказать, что плоские тепловые трубы могут выполнять следующие функции:

1)         выравнивать     температуру     многокомпонентных сборок (7-3);

2)         охлаждать многокомпонентные сборки;

3)         сдваивать  (располагать друг около друга)  стенки модуля или монтажные платы.

7-3-3. Системы с непосредственным контактом. Одной из основных проблем, возникающих при соединении тепловых труб с электронными устройствами, является крепление этих устройств к трубе и сведение к минимуму контактного термического сопротивления. Были предложены и запатентованы в Англии (см. приложение 6) два способа решения этой задачи

Первый был разработан фирмой Marconi Co Ltd (7-4). Оно представляет собой облегающую охлаждаемое изделие тепловую трубу, или, если говорить более точно, пластину, которая может быть плотно прижата к выделяющим теплоту деталям, обеспечивая минимальное термическое сопротивление между изделием и фитилем. Тепловая труба выполняется без собственного корпуса, с резервуаром, содержащим рабочую жидкость для подпитки фитилей, покрывающих охлаждаемые детали. В этом варианте отдельные модули должны Представлять собой герметичные ячейки, каждая из которых для отвода теплоты обеспечивается устройством, размещенным снаружи.

7-3-4. Особые случаи применения. Набор тепловых труб, используемых в электронике, довольно разнообразен. Некоторые из труб, используемые для охлаждения интегральных схем, имеют толщину 1 и ширину 7 мм [7-3], поперечное сечение других составляет 25X12 мм. Если первые могут передавать мощность 12,5 Вт, то последние 150 Вт.

Примером   охлаждения   интегральных   схем   с   помощью  тепловых  труб,  заделанных  в  плоскую  плату, может служить конструкция, разработанная General Electric Company (GEC) — США [7-2]. В этого типа модулях критическими в тепловом отношении элементами были: крепление кристалликов микросхем (чипов) и охлаждаемая воздухом поверхность теплообменника. Был проведен ряд экспериментов с различными вариантами крепления чипов. Анализ суммарных тепловых характеристик систем показал, что в случае охлаждения воздухом или водой могут быть отведены тепловые потоки до 4,4 Вт/см2. При охлаждении воздухом термическое сопротивление цепи переход — окружающая среда составляло 0,48 К/Вт, а в водоохлаждаемых системах оно снижалось до 0,39 К/Вт. На 7-6 показана подобная система охлаждения с цилиндрическими тепловыми трубами.

Если охлаждаемые элементы могут оказаться под высоким электрическим потенциалом, то возникает необходимость в электрической изоляции тепловой трубы. В этом случае стенка, фитиль и рабочая жидкость должны быть неэлектропроводными. На 7-7 показан один из возможных вариантов решения этой задачи, при этом могут использоваться стекло, фитили из керамических волокон и такие рабочие жидкости, как выпускаемый Imperial Smelting Co Ltd флутек.

Тепловые трубы могут использоваться для охлаждения отдельных деталей, а также и для отвода теплоты только от небольшой части электронного устройства, например клистрона, лампы с бегущей волной, коллектора и т.. п. В дополнение к их использованию в целях охлаждения оборудования на земле и в космосе тепловые трубы применяются также и в авиационном радиооборудовании. В последнем случае основным сдерживающим фактором применения тепловых труб является ускорение, испытываемое трубами во время маневров самолета, которое может существенно сказаться на рабочих характеристиках тепловых труб.

Все большее число компаний продает или изготовляет тепловые трубы (см. приложение 4), в значительной степени предназначенные для охлаждения деталей и узлов электронных устройств. Зачастую эти трубы изготовляются заодно с монтажными платами и имеют ореб-ренные конденсаторы. На 7-8 приведены типичные характеристики таких устройств.