В НовГУ создали уникальную технологию защиты электроники от перегрева

Учёные НовГУ придумали, как сделать систему охлаждения для электроники, которая не боится тряски и наклонов. Разработка актуальна для бортовых компьютеров самолётов, дронов, поездов, ноутбуков. Раньше такие системы могли работать только в строго определённом положении, а теперь смогут работать в любом. В основе – новый принцип работы тепловых труб в системах охлаждения радиоаппаратуры. Осуществлять теплообмен в них предлагается за счёт электроосмоса. Ноу-хау разработки — она может применяться в движущейся и переносной технике. Это позволит решить ключевую проблему тепловых труб — их зависимость от гравитации.

Что такое тепловые трубы и для чего они нужны

Миниатюризация радиоэлектронной аппаратуры, энергетических установок и прочих инженерных разработок приводят к высокому удельному энерговыделению, что требует применения систем принудительного охлаждения. Так как эти системы обладают высоким тепловыделением, они могут перегреться и выйти из строя. Чтобы этого не случилось, нужны инженерные решения по отводу тепла от наиболее горячих участков. Один из методов теплоотвода — использование тепловой трубы.

— Труба представляет собой герметичный корпус из теплопроводящего материала: меди, алюминия, керамики, — рассказал один из авторов разработки, доцент кафедры проектирования и технологии радиоаппаратуры НовГУ Юрий Килиба. — На внутренней поверхности корпуса размещён фитиль — пористая структура. Он обеспечивает перемещение жидкости по трубе. Из трубы откачивают воздух и заливают жидкий теплоноситель. Для работы электроники оптимальные теплоносители — это аммиак, вода, спирты и ацетон. Участок, который нагревается — это зона испарения. В этой зоне жидкость под действием тепла испаряется с поверхности фитиля, образуя пар. Из-за разности давлений пар поднимается наверх — в зону конденсации, где остывает, снова превращается в жидкость и стекает обратно по фитилю в зону испарения.

Проблема гравитации

Тепловые трубы — широко распространённая технология. Первыми сферами их применения были военная и космическая техника, но сейчас они используются в самых разных приборах. Например, медно-водяные тепловые трубки часто используются в ноутбуках, они имеют небольшую длину, а капиллярное давление фитильной структуры позволяет противодействовать силе тяжести.

— Главная проблема классических тепловых труб в том, что зона конденсации всегда должна быть выше зоны испарения, — пояснил Юрий Килиба. — В ином случае нагреваться будет пустая зона сверху — поэтому жидкость внизу не сможет нагреться и превратиться в пар. Циркуляция теплоносителя остановится, и никакого теплообмена не получится. Для стационарных приборов это несущественно. Нет этой проблемы и в космической сфере — в космосе нет гравитации. А вот, например, для самолётов это критически важный вопрос — удерживать воздушное судно в строго горизонтальном положении на протяжении всего полёта затруднительно. Значит, нужно найти способ сделать тепловую трубу «гравитационно независимой», чтобы она могла функционировать в любом положении.

Решение проблемы

Гравитационнно независимые тепловые трубы востребованы в переносной аппаратуре и аппаратуре, размещаемой на любых транспортных средствах, где отсутствует гарантия «правильного» положения в пространстве. Решение, которое предлагают учёные НовГУ — присоединить к обычной тепловой трубе насос, работающий на основе электрического осмоса. Так называется явление, при котором жидкость под воздействием тока может проходить через любые пористые структуры — например, керамику, стекловолокно, оксиды металлов. Электроосмос широко используется в химии, медицине, геофизике, энергетике. Его преимущества — отсутствие движущихся частей, простота реализации и эксплуатации, надёжность.

— Мы изготовили модель насоса из двух электродов и пористого полипропилена с диаметром пор 5 микрометров, — рассказал Юрий Килиба. — Насос крепится к корпусу трубы снаружи, при этом к пористому материалу подведена трубка, через которую из тепловой трубы поступает жидкость. Допустим, труба наклоняется в «неправильное» положение — нагревается верхняя часть, а жидкость остаётся снизу. Классическая тепловая труба в такой ситуации перестанет работать. Но, если к её нижней части подвести электроосмотический насос, всё поменяется. Холодная жидкость будет по маленькой трубке поступать к пористому материалу и пропитывать его. А затем, благодаря осмосу, электрический заряд «вытолкнет» жидкость наверх, где она остудит горячую зону.

Напряжение может подаваться на насос постоянно — это избавит от необходимости отслеживать положение тепловой трубы в пространстве. При этом, если жидкость не будет поступать в пористый материал, не будет и потребления тока. Экономическая выгода разработки ещё и в том, что в таком насосе отсутствуют движущиеся элементы, за счет чего он практически не подвержен износу и может быть сделан из дешёвых материалов.

 В дальнейшем тепловые трубы с электроосмотическим насосом планируется улучшить, объединив их с кольцевой системой охлаждения. В этой новой системе будут отдельные трубки для жидкости и пара. В испарителе и конденсаторе будет специальная структура, которая нужна не для перемещения жидкости, а для того, чтобы жидкость испарялась и конденсировалась быстрее, благодаря увеличенной площади поверхности.

Исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда.

Обзор разработки сделан при грантовой поддержке Минобрнауки России, в рамках Десятилетия науки и технологий.

Фото: Дмитрий Колосов, 99px.ru.