где λ – теплопроводность материала оболочки,S – площадь теплопроводя- щей оболочки; h – толщина оболочки.
где γ – коэффициент смешивания го- рячих и теплых струй теплоносителя
Для примера рассмотрим тепловую тарелку со следующими размерами: диаметр: 12 см; высота: 2 см; толщина стенки: 0,1–0,2 см; материал: аусте- нитная нержавеющая стать с тепло- проводностью 20 Вт/(м•K); теплоно- ситель – вода. Для этой конструкции R1 составит пренебрежимо малую величину 2•10–4К/Вт.Объем полости радиатора при этом составит около 200 см3, масса – 200 г.
Теплоемкость воды с = 4,2 Дж/(г•К); коэффициент смешения γ примем рав- ным 0,7 при числе оборотов тепло- носителя в секунду равном единице. В этих условиях тепловое сопротивле- ниеR2 составит 1,8•10–3К/Вт.
Итого: Rт = R1 + R2 составит для взятого примера 2,0•10–3 К/Вт.Такой малый порядок теплового сопротив- ления характерен для проточного жидкостного охлаждения.
Схема на рисунке 6 подчеркива- ет, что при использовании тепло- вой тарелки удается существенно снизить температуру охлаждаемо- го объекта.
Реализация тепловой тарелки. Технические трудности
Для создания тепловой тарелки необходимо решить следующие ос- новные задачи:
— создание герметичного тонкостен- ного теплопроводящего радиатора из немагнитного материала;
— конструирование ротора, управ- ляемого магнитным полем;
— выбор подходящего теплоноси- теля;
— конструирование устройства, обе- спечивающего вращающееся маг- нитное поле;
— установка ротора в полости ра- диатора, обеспечивающей его вращение;
Рис. 6. а) тепловая схема обычного радиатора и б) тепловой тарелки
|
— размещение греющегося объекта на поверхности радиатора.
Указанные задачи можно решить с помощью имеющихся материалов и производственных технологий. Так, радиатор тепловой тарелки можно вы- полнить из алюминия, латуни или ау- стенитной немагнитной стали. В кон- струкции ротора можно использовать постоянные неодимовые магниты [7] с соответствующей максимальной рабочей температурой. Подшипники скольжения, обеспечивающие работу ротора тепловой тарелки, в таких слу- чаях можно выполнить из фторопла- ста и воды – материала, который об- разует с жидкостью скользящую пару. Такие детали могут работать с любой смазкой [8], а при хорошем теплооб- разовании – без смазки [9].
В качестве теплоносителей можно выбрать газообразные и жидкие ве- щества – воздух, воду, этиленгликоль в смеси с водой, антифризы [10], ми- неральные масла и другие вещества. Устройство для вращения магнит- ного поля можно выполнить на основе маломощного электродвигателя с веду- щим колесом с расположенными на нем неодиевыми магнитами (см. рис. 1). В альтернативном варианте устройства (см. рис. 4) вместо них можно задей- ствовать соленоиды [11], выполненные в виде статора электродвигателя. Вра- щение магнитного поля осуществляется обычным для асинхронных двигателей подключением соленоидов к многофаз- ному источнику питания или электрон- ной схемой, переключающей соленоиды при питании от источника постоянного напряжения. Ось ротора во избежание биений при вращении следует совме- стить с центром вращения магнитного
поля.
Греющийся объект на поверхно- сти радиатора можно установить при помощи пайки, герметика или клея. В первую очередь, речь идет о раз- мещении светодиодных матриц, или модулейCOB (Chip on board – монтаж кристаллов на плату), выполненных на керамической либо металлической подложке, которые могут перекрывать отверстие радиатора тарелки (см. по- зицию 6 на рис. 1).
В то же время, при конструирова- нии тепловых тарелок имеется ряд сложностей.
При конструировании тонкостен- ного радиатора должно быть пред- усмотрено частичное наполнение его полости, учитывающее терми- ческое расширение теплоносителя. Кроме того, необходимо принять меры, исключающие попадание в полость радиатора микрофлоры, бактерий, грибков и т. д. Гермети- зация полости радиатора должна быть выполнена по технологиям, близким к технологиям консерви- рования.
Неодимовые или другие магниты для ротора и ведущего колеса (в слу- чае применения электродвигателей) выбираются с учетом предельных рабочих температур. Например, мак- симальная рабочая температура при- менения магнитов, связанная со зна- чением точки Кюри, для неодимовых магнитов находится в диапазоне 80–220°C в зависимости от марки материала [7].
Выбор теплоносителей связан и с рабочим температурным интерва- лом, и с агрессивностью выбранного теплоносителя по отношении к ис- пользуемым конструкционным мате- риалам.
Особо тщательно следует отнестись к механической установке ротора. Это единственная подвижная часть внутри радиатора с альтернативным устрой- ством вращения магнитного поля. В простом решении по установке ротора предусматривается, например, подшип- ник скольжения, в котором ось ротора удерживается с достаточной прочно- стью и подвижностью. Решение задачи облегчается тем, что вращение ротора происходит в жидкой среде. Перспек- тивным вариантом можно считать ис- пользование фторопласта-4 для созда- ния подшипника и втулки [8–9].
Варианты тепловых тарелок. Области применения
Реализации тепловых тарелок мо- гут быть разнообразными. Разнообра- зие достигается (в основном) за счет разной мощности и размеров радиа- тора, материалов радиатора, выбора теплоносителя, схемы и конструкции устройств, создающих вращающееся магнитное поле, магнитных материа- лов, элементов конструкции.
Крайне малое тепловое сопротивле- ние тепловой тарелки сразу же ставит вопрос о том, как отвести тепло от по- верхности радиатора. К очевидным ва- риантам относится обеспечение обыч- ной конвекции, активного воздушного охлаждения, жидкостного охлаждения и другие способы. В качестве теплоно- сителей применяются жидкие и газоо- бразные вещества, можно использовать и материалы с фазовым переходом со- стояния. Наиболее простые варианты сводятся к оснащению тепловых таре- лок ребрами для конвективного отвода тепла, или к применению вентиляторов для обдува тепловой тарелки либо со- единенных с ней ребер. Для отвода зна- чительных тепловых мощностей целе- сообразно применять и вторую ступень жидкостного охлаждения.
Тепловые тарелки могут использо- ваться в самых разных областях.
В светотехнике эти тарелки можно применить в прожекторах с мощны- ми светодиодными матрицами, COB- матрицами и другими видами свето- диодов. На наш взгляд, применять их целесообразно при мощностях от сотен ватт до нескольких киловатт в наруж- ном, дорожном, уличном, спортивном, архитектурном освещении, а также в освещении крупных объектов, во всех
видах транспорта, в горных выработ- ках, карьерах и т. д. Полезный эффект заключается в уменьшении габаритов и массы, обеспечении портативности, снижении температуры светодиодного модуля прожекторов.
Применение тепловых тарелок в мощных лазерных установках по- зволяет уменьшить массогабаритные показатели и повысить надежность.
В компьютерной технике приме- нение тепловых тарелок позволяет перейти на более высокий класс мощ- ностей, уменьшить массогабаритные характеристики, увеличить стойкость к пыли и загрязнениям. При исполь- зовании электромагнитных муфт (см. рис. 4) и жидкого теплоносителя можно существенно снизить уровень шума, который обычно сопровождает применение вентиляторов в воздуш- ной среде, и снять ограничения на ис- пользуемые мощности.
Выводы
1. Описанное устройство, именуемое тепловой тарелкой, использует для передачи тепла вращающуюся тур- булентную и направленную массу теплоносителя. Как видно из фор- мул (1–3), тепловое сопротивление таких конструкций крайне мало, как и относительная энергия для раскрутки теплоносителя. Таким образом, появляется возможность конструировать радиаторы боль- шой мощности, используя жидкие теплоносители и тонкие теплопро- водные оболочки.
2. Применение в тепловой тарел- ке магнитного управления рас- круткой теплоносителя позволяет одновременно решить вопросы герметизации устройства, защиты от пыли и влаги составных частей конструкции, а также уменьшить интенсивность шума.
3. Промежуточный диск с системой периферийных и центральных от- верстий, разделяющий полость ра- диатора на две части, позволяет организовать циркуляцию теплоно- сителя таким образом, что в центре радиатора образуется место, актив- но омываемое вращающимся и уско- ряющимся потоком теплоносителя. Это место является оптимальным для размещения греющегося актив- ного электронного объекта.
4. Помещение греющегося объекта в область оптимального охлажде- ния так, что сторона объекта непо- средственно омывается теплоно- сителем, дополнительно снижает тепловое сопротивление между охлаждаемым объектом и теплоот- дающей поверхностью радиатора.
5. Очевидные преимущества описан- ного в статье метода отвода тепла над многими другими решениями позволяют решить задачи миниа- тюризации, компактности, порта- тивности, повышения надежности и долговечности.
6.При проектировании тепловых таре- лок разработчик может столкнуться с необходимостью решить ряд за- дач по: конструированию тонко- стенных сосудов из немагнитных, но теплопроводящих материалов; обеспечению герметизации; учету температурного расширения тепло- носителя; совместимости материа- лов, созданию устройств, обеспечи- вающих вращающееся магнитное поле; выбору подходящих магнитов и теплоносителей; обеспечению на- дежного и длительного вращения ротора с магнитами; работе под- шипников или втулок в среде те- плоносителя и т. д.
7. Тепловые тарелки доступны для разработки, перспективны для построения мощных прожекторов и других устройств, в которых необ- ходимо миниатюризировать и об- легчить конструкции при больших уровнях тепловой мощности.
Литература
4. https://npostk.ru/product-catalog.html.
5. Патент СШа 8.820.976 Advanced cooling method and device for LED lighting.
6. устройство активного охлаждения прожек- тора.(Заявка на патент рФ № 2017120762)
7. ГОСт р 52956–2008. Материалы магнитот- вердые спеченные на основе сплава неодим- железо-бор.
stipodshipnikiskoljeniya.jdx.
10. ГОСт 159–52, Жидкость охлаждающая незамерзающая.
11. Патент СШа 6.517.231. Liquid stirrer with magnetic coupling.