Урало-Сибирская научно-практическая конференция

Контурные тепловые трубы – высокоэффективные теплопередающие устройства для систем терморегулирования

Ю.Ф. Майданик, Р.Г. Судаков

Институт теплофизики Уральского отделения РАН
620016 Екатеринбург, ул. Амундсена, 106
e-mail: maidanik@etel.ru 

Выделение избыточного тепла является одним из наиболее характерных и распространенных процессов, сопровождающих работу различных технических объектов. Во многих случаях это тепло является вредным и его необходимо отводить. Существуют также и обратные ситуации, когда тепло надо подводить к объекту для обеспечения его работоспособности. Там и здесь речь идет о тепловом регулировании. Научно-технические задачи, связанные с тепловым регулированием, приобретают экстремально сложный характер в условиях, когда разность температур между источником и стоком тепла невелика в сочетании с сильными ограничениями по габаритам и массе при одновременно жестких требованиях к надежности и рабочему ресурсу. В связи с этим большие и во многом оправданные надежды возлагались на высокоэффективные теплопередающие устройства, которые получили название «тепловая труба». 

Действительно, тепловые трубы обладают уникальной совокупностью весьма ценных эксплуатационных свойств таких, например, как сверхвысокая теплопроводность, на три порядка превышающая теплопроводность меди, отсутствие механически подвижных частей и потребности в дополнительной энергии, отличные массогабаритные характеристики и высокая надежность, которые во многих случаях делают их практически незаменимыми.

Тепловые трубы нашли успешное применение во многих областях современной техники. В частности, без этих устройств практически не мыслимы сейчас системы терморегулирования космических аппаратов. Они широко используются также и в наземных условиях для охлаждения теплонапряженных компонентов различных электронных устройств и компьютерной техники, в атомной энергетике, в промышленных теплообменниках и системах кондиционирования, в медицине, пищевой промышленности и даже для борьбы с обледенением на опасных участках дорог. Однако, несмотря на свои возможности, обычные тепловые трубы уже не в состоянии справиться с растущими требованиями, которые выдвигают новые технологии. В связи с этим были созданы значительно более эффективные и универсальные теплопередающие устройства, которые получили название «контурная тепловая труба». Мировой приоритет и лидерство в этой области принадлежат уральским ученым. 

Контурные тепловые трубы (КТТ) обладают существенными преимуществами по сравнению с другими устройствами аналогичного назначения. Они способны эффективно работать при любой ориентации в гравитационном поле и в условиях невесомости, имеют более высокую теплопередающую способность, значительно легче адаптируются к различным условиям размещения и эксплуатации, допускают широкие возможности для разнообразных конструктивных воплощений. В настоящее время созданы устройства от миниатюрных с массой менее 10г и мощностью 30Вт до весьма протяженных с расстоянием теплопереноса более 20м и мощностью около 2Квт.

Основной областью применения КТТ до сегодняшнего дня является космическая техника. Эти устройства, наряду с обычными тепловыми трубами, успешно используются в системах терморегулирования как российских, так и зарубежных космических аппаратов. Вместе с тем, можно назвать лишь отдельные примеры применения КТТ в наземных условиях, в частности, для охлаждения квантово-электронных преобразователей в аппаратуре волоконно-оптической связи, а также для охлаждения мощных электрических контактов в электролизных ваннах. Такой диспаритет между космической и наземной сферами использования КТТ связан, не в последнюю очередь, с тем, что технология изготовления этих устройств является весьма наукоемкой и требует достаточно высокой культуры производства.     

Последние разработки Института теплофизики, направленные на создание миниатюрных КТТ, обладающих большой мощностью и низким термическим сопротивлением, открывают новую и весьма обширную нишу для использования этих устройств в компьютерной технике. Речь идет, прежде всего, об охлаждении центральных процессоров мобильных компьютеров, быстродействие и рассеиваемая тепловая мощность которых стремительно растут. Интерес к этим разработкам уже проявили японские, тайваньские и корейские компании, связанные с производством электроники. Вопрос об использовании контурных тепловых труб в других областях наземной техники также остается вполне актуальным.