Испарительная камера в системе охлаждения: Испарительная камера в системе охлаждения — как работает и её эффективность. Отличие от тепловых трубок.

Испарительная камера в системе охлаждения — как работает и её эффективность. Отличие от тепловых трубок.

Испарительная камера (тепловая камера, vapor chamber cooling system — eng.) — часть системы охлаждения, предназначенная для отвода и распределения тепла по радиатору. Обладает высокой эффективностью и применяется исключительно в топовых системах охлаждения видеокарт и процессоров.

Принцип действия, или как испарительная камера работает?

Принцип работы очень схож с тепловыми трубками, но эффективность и скорость переноса тепла намного лучше и эффективнее. Основывается на эффекте, что при увеличении температуры и уменьшении давления, вода испаряется значительно быстрее. При данном испарении, вода высвобождает и отдаёт тепловую энергию в пар и тем самым, та часть, что осталась жидкая — значительно охлаждается потеряв тепловую энергию.

Этот процесс можно сравнить с потоотделением, когда вы перегреваетесь и потеете, то ваша кожа, при испарении пота охлаждается, приводя температуру тела в норму. На самом деле, испаряется лишь часть пота, отдавая тепло в воздух, остальная же часть охлаждается давая вам прохладу.

Тепловые трубки тоже используют эффект «испарительного охлаждения», но их теплоноситель вынужден двигаться только в одну сторону, по одному кругу. В испарительных камерах, теплоноситель может двигаться во всех направлениях. Можно представить испарительную камеру как широкую плоскую тепловую трубку в которой теплоноситель не ограничен определённым кольцом и может проходить под давлением, через все слои беспрепятственно.

Тепловая камера состоит из нескольких слоёв: транспортирующий, испарительный и конденсирующий. Все эти слои сделаны из материала с миллионами капилляров, по которым двигается вода или пар.

Вода нагревается в транспортирующем слое, растёт давление и она движется в слой испарительный, где испаряется. Пар под давлением движется в конденсирующий слой, где отдаёт энергию радиаторам и при отсутствии источника тепла, пар снова превращается в охлаждённую жидкость, а она свою очередь по капиллярам выдавливается в транспортный слой. Далее действие начинается сначала.

Кроме всего прочего, в испарительной камере специально понижено давление для того, чтобы жидкость начинала кипеть гораздо раньше достижения 100 градусов по Цельсию. В испарительной камере, процесс кипения воды, начинается уже с 50 градусов.

Испарительная камера, позволяет уменьшить площадь оребрения радиатора в сравнении с тепловыми трубками, сохранив при этом ту же самую эффективность.

Существуют и гибридные вариации радиаторов с тепловыми трубками и испарительными камерами, например Cooler Master TPC 812, представленный на CES 2012.

Скорее всего за такими системами будущее, так как они эффективнее обычных тепловых трубок и покрывают большую площадь радиатора, при этом не так мешая прохождению воздушного потока. К тому же эффективность передачи тепла значительно выше благодаря лучшей циркуляции жидкости по всей ширине испарительной камеры.

Cooler Master создаст систему охлаждения с очень тонкой испарительной камерой для смартфонов, планшетов и ноутбуков

испарительных камер | Преимущества и ограничения

Стандартные тепловые трубы передают тепло только вдоль оси тепловой трубы, поэтому они лучше всего подходят для охлаждения дискретных источников тепла. Испарительные камеры или пластины с высокой проводимостью (HiK™) используются для сбора тепла от источников большей площади и либо распределения тепла, либо его направления на холодный рельс для охлаждения. Испарительные камеры обычно используются для приложений с высоким тепловым потоком или когда требуется настоящее двумерное распределение. Недорогие пластины HiK™ используются, когда требуется только высокая проводимость в заданном направлении.

Испарительная камера представляет собой плоскую тепловую трубу, которая может распространять тепло в двух измерениях. Они обычно используются, когда большие мощности и тепловые потоки применяются к относительно небольшой площади испарителя. Во время работы подводимое к испарителю тепло приводит к испарению жидкости внутри фитиля испарителя. Затем пар течет по камере, создавая изотермический рассеиватель тепла. Затем пар конденсируется на поверхностях конденсатора, где тепло отводится принудительной конвекцией, естественной конвекцией или жидкостным охлаждением. Затем капиллярные силы в фитиле возвращают конденсат в испаритель. Обратите внимание, что большинство испарительных камер нечувствительны к силе тяжести и будут работать в перевернутом положении, когда испаритель находится над конденсатором.

Рис. 1. Типичные компоненты испарительной камеры (сверху вниз): 1. Блок ребер, 2. Испаритель испарительной камеры, 3. Крышка испарительной камеры.

Одним из преимуществ испарительных камер является то, что они могут использоваться в качестве преобразователей теплового потока, охлаждая большой тепловой поток от электронного чипа или лазерного диода и преобразуя его в меньший тепловой поток, который можно отводить естественной или принудительной конвекцией .

На рис. 1 ниже показаны компоненты типичной камеры паров воды/меди. Испарительная камера имеет ряд медных опор для поддержки верхней крышки при температуре ниже 100°C (когда давление в испарительной камере ниже атмосферного). Инновационные ребра, показанные на рисунке 2, используются для отвода тепла за счет принудительной конвекции.

Фитили были разработаны для паровых камер с высоким тепловым потоком, которые могут отводить до 2000 Вт на 4 см ² или 700 Вт на 1 см ² . Пример одного из таких фитилей показан на рис. 2. Как показано на рис. 3, фитили обеспечивают охлаждение с высоким тепловым потоком при очень низком термическом сопротивлении.

Рисунок 2. Специально разработанные фитили испарительной камеры могут отводить 2000 Вт на 4 см ² или 700 Вт на 1 см ²

-см2/Вт.

Основная разница между параметрической камерой и точечной тепловой трубкой только в переводе паров. тепло в одном измерении. Пластины HiK™ имеют меньшую теплопроводность и стоимость, а также распределяют тепло в 1,5 измерениях. Плотность паровых камер примерно в 2,3 раза выше, чем у пластины HiK™, но их эффективная теплопроводность в 10–100 раз выше.

Рисунок 4. (а) Типичные испарительные камеры. (b) Внутреннее устройство паровой камеры. (c) Испарительная камера с оболочкой DBC для прямого крепления к кристаллу лазерных чипов с поверхностным излучением с вертикальным резонатором.

Испарительная камера Преимущества и ограничения

В таблице 1 представлены основные преимущества и недостатки испарительных камер. Преимущества испарительных камер заключаются в том, что они изотермические до 1-2°C, могут использоваться для охлаждения нескольких компонентов, могут быть сделаны толщиной до 3 мм и имеют низкое тепловое сопротивление. Тепловые потоки для стандартных фитилей аналогичны тепловым трубкам, но могут быть значительно увеличены за счет усовершенствований фитиля.

В дополнение к стандартным ограничениям тепловых трубок, два основных ограничения заключаются в том, что испарительные камеры имеют более высокую стоимость по сравнению с пластинами HiK™, и их нельзя использовать в качестве конструктивных элементов. Максимальная температура для стандартных испарительных камер составляет 105°C, так как лицевые листы имеют тенденцию изгибаться, когда давление воды выше атмосферного. Это может быть увеличено до 150 ° C с помощью специально разработанных испарительных камер, но это гарантируется только тогда, когда тепловой поток достаточно высок, чтобы оправдать повышенную стоимость.

Наконец, другие двухфазные устройства могут иметь поверхности ввода и вывода тепла с любой ориентацией друг относительно друга. Напротив, испаритель и конденсатор испарительной камеры всегда параллельны либо в плоскости, либо на противоположных сторонах испарительной камеры.

Таблица 1. Преимущества и ограничения испарительных камер

Параметры выбора испарительной камеры

Испарительные камеры лучше всего подходят для:

• Очень высокие тепловые потоки, до 750 Вт/см ²
• Трансформация потока в тонкой структуре
• Очень однородные температурные профили

Критерии выбора приведены в таблице 2. Важно помнить о том, что испарительные камеры обладают теми же преимуществами, что и тепловые трубы: высокая эффективная теплопроводность, пассивная работа, способность работать с очень высокими тепловыми потоками и могут использоваться для прямое крепление матрицы с помощью AlN DBC.

Таблица 2. Критерии выбора испарительной камеры

16

Дополнительная информация о том, когда следует использовать тепловые трубки, пластины HiK™, испарительные камеры и кондуктивное охлаждение:

Что такое испарительное охлаждение | Baltimore Aircoil

Охлаждение за счет испарения является естественным явлением. Самый распространенный пример, с которым мы все сталкиваемся, — это пот или пот. Когда пот испаряется, он поглощает тепло, чтобы охладить ваше тело.

Принцип, лежащий в основе испарительного охлаждения, заключается в том, что вода должна нагреваться, чтобы перейти из жидкости в пар. Когда происходит испарение, это тепло отбирается у воды, которая остается в жидком состоянии, в результате чего жидкость становится более холодной.

Системы испарительного охлаждения используют тот же принцип, что и потоотделение, для обеспечения охлаждения машин и зданий. Градирня представляет собой устройство отвода тепла, которое выбрасывает теплый воздух из градирни в атмосферу за счет охлаждения воды. В отрасли HVAC термин «градирня» используется для описания оборудования для отвода тепла как с открытым, так и с закрытым контуром.

В системе HVAC тепло вырабатывается солнечными лучами, падающими на здание, компьютеры и людей. Тепло забирается в воздухообрабатывающих агрегатах, которые косвенно связаны с хладагентом через несколько теплообменников. Под действием тепла хладагент из жидкого состояния превращается в пар. Вода градирни циркулирует через теплообменник, в котором пары хладагента конденсируются, а тепло передается воде. Целью градирен является охлаждение теплой воды, возвращающейся из теплообменника, для повторного использования. В открытой градирне теплая обратная вода из теплообменника распыляется на «заливку». Наполнитель обеспечивает площадь поверхности для улучшения теплопередачи между водой и воздухом, заставляя часть воды испаряться. Затем эта холодная вода возвращается к началу процесса, чтобы поглотить больше тепла от теплообменника.

В градирне замкнутого цикла для охлаждения используется холодная вода или раствор этиленгликоля или пропиленгликоля. В отличие от открытой градирни, жидкость, используемая для охлаждения, заключена в змеевик и не подвергается непосредственному воздействию воздуха. Холодная вода рециркулирует снаружи змеевика, который содержит жидкость, нагретую в процессе. Во время работы тепло передается от жидкости через змеевик распыляемой воде, а затем в атмосферу по мере испарения части воды. Затем холодная жидкость в змеевике возвращается к началу процесса для повторного использования в процессе.

Тонна кондиционера — это отказ от 12 000 BTUH. Тонна градирни фактически отбрасывает около 15 000 BTUH из-за теплового эквивалента энергии, необходимой для привода компрессора чиллера. Тонна градирни определяется как отвод тепла при охлаждении 3 галлонов в минуту воды, поступающей с температурой 95°F и выходящей из градирни с температурой 85°F, при температуре на входе по влажному термометру 78°F, что составляет 15 000 BTUH. ниже показано соотношение между водой и воздухом при их прохождении через градирню. Кривая показывает падение температуры воды (точки от А до В) и повышение температуры воздуха по влажному термометру (точки от С до D) в соответствующих проходах через градирню.

Изображение

С точки зрения теплопередачи на производительность градирни при охлаждении заданного количества воды влияет только температура поступающего воздуха по влажному термометру.