Оглавление

Оглавление 4

Глава 1 пористые проницаемые материалы для капиллярного транспорта

1. Тепловые трубы с аксиальными канавками, актуальные направления повышения характеристик

Т

а)б)

Рисунок 1.1 – Вид капиллярно-пористой структуры из спеченной медной сетки (а) и SEM-фото спеченной медной сетки (б)

епловые трубы с аксиальными канавками (ТТАК) в настоящее время успешно применяются для термической стабилизации космической аппаратуры. Аксиальные канавки обеспечивают транспорт жидкости-теплоносителя в зону испарения, а также способствуют повышению интенсивности теплообмена при испарении и конденсации. Детальные аналитические и экспериментальные исследования процесса испарения теплоносителя в ТТАК, [4, 5] позволили установить, что термическое сопротивление низкотемпературной ТТАК в основном зависит от толщины пленки жидкости в зоне конденсации и испарения. Наиболее интенсивная теплопередача происходит в области испарителя с наименьшей толщиной пленки жидкости, в свою очередь толщина пленки зависит от формы аксиальных канавок и в значительной степени определяется микронеровностями на их поверхности. Авторы [4, 5] установили, что глубокие и узкие прямоугольные канавки обеспечивают наибольшую скорость циркуляции жидкости, наименьшее термическое сопротивление в испарителе и конденсаторе и обеспечивают максимальную теплопередающую способность в зоне испарения до 145 Вт/cм2. Кроме того, теоретический анализ работы ТТАК с пористым слоем на поверхности канавок показал, что такие ТТАК должны обладать большей теплопередающей способностью при различной ориентации в поле гравитации.

В полной мере этот вывод получил подтверждение в дальнейших работах по совершенствованию ТТАК. Так, в [17] был исследован процесс кипения теплоносителя – дистиллированной воды на пористой поверхности испарителя из спеченной медной сетки (рисунок 1.1). Спекание проводили при температуре 1030 °C в газовой смеси 75 % N2 и 25 % H2 в течение 2 ч. Было установлено, что процесс кипения на поверхности капиллярно-пористой структуры сильно зависит от ее геометрических параметров, поскольку теплоперенос осуществляется от источника тепла через пористую структуру к жидкости. Кроме того, капиллярно-пористая структура осуществляет разделение потоков жидкости и пара. Авторы [17] у

Рисунок 1.2 − Потоки пара и жидкости в капиллярно-пористой структуре

становили, что в низкотемпературных процессах теплопередачи процесс кипения с пористых поверхностей с высокой теплопроводностью осуществляется более интенсивно, чем с гладких, за счет увеличения поверхности зарождения пузырьков пара, разделения противоположно направленных потоков жидкости и пара и более интенсивного взаимодействия между пузырьками пара, как это показано на рисунке 1.2. Результаты проведенных экспериментов показали, что процесс кипения в тонких пористых покрытиях позволяет обеспечивать теплопередачу до 210 Вт/cм2 при значительно более низких значениях перегрева, чем для гладких поверхностей.

Д

а)

б)

Рисунок 1.3 − Вид испарителя AGHP с капиллярной структурой из спеченного медного порошка (а) и вид пористой структуры (б)

ля стабильного функционирования современной радиоэлектронной аппаратуры необходимо обеспечить теплопередачу не менее 100 Вт/cм2. Авторы [18] испытали испаритель ТТАК размером 30×30×15 мм с канавками прямоугольной формы (рисунок 1.3), состоящий из медной подложки с напеченным медным порошком. Спекание проводили при 1030 °C в среде смеси азота и водорода, теплоноситель – дистиллированная вода. Ранее авторы [19] предложили схему локального испарения с пористой поверхности капиллярной структуры, согласно которой (рисунок 1.4, а) процесс испарения включает несколько стадий: начальная; конвекция и образование пузырьков пара (A); испарение тонкого слоя жидкости (В) и сушка (С). В результате процесса испарения радиус мениска жидкости в поре уменьшается, соответственно увеличивается капиллярное давление, под действием которого жидкость подается в зону испарения.

Э

а) б)

Рисунок 1.4 – Схема локального процесса испарения (а) и эволюция внешней части канавок испарителя с увеличением тепловой нагрузки (б)

кспериментальные исследования, проведенные в [20], показали также, что с ростом тепловой нагрузки конфигурацию канавок следует корректировать, как это показано на рисунок 1.4, б. Такое расширение устья канавки увеличивает эффективную поверхность испарения и, следовательно, повышает теплопередающую способность испарителя. Исследованная в [18] ТТАК с медным пористым испарителем обеспечивает теплопередачу до 450 Вт при температуре ниже 100 °C и термическом сопротивлении не выше 0,033 °C/Вт.

В [21] капиллярно-пористая структура на поверхности канавок ТТАК также получена спеканием медного порошка на медном испарителе размером 25,4×25,4×6,4 мм, содержащем двенадцать прямоугольных каналов с гидравлическим диаметром 1,7 мм (рисунок 1.5). Установлено, что пористый слой на канавках обеспечивает более стабильную работу испарителя, снижает величину температурного перепада с 6 °С для испарителя без пористой структуры до 1 °С при наличии капиллярно-пористой структуры и обеспечивает увеличение теплопередающей способности испарителя в 2,5–2,7 раза.

Б

Рисунок 1.5 – Вид спеченного слоя на медном испарителе ТТАК

ольшой интерес представляют публикации результатов испытания тепловых труб, испарители которых содержат не аксиальные канавки, а систему микростержней, выполненных по различным технологиям. Так, в [22] приведены результаты испытания миниатюрной тепловой трубы с медным испарителем, капиллярно-пористая структура которого выполнена в виде системы микростержней (столбчатых кристаллитов) на медной подложке с применением технологий локализованного электрохимического осаждения и микроскопических устройств, таких как интегральные схемы. С целью увеличения гидрофильности поверхности микростержней и капиллярно-транспортных свойств структуры поверхность стержней подвергали обработке методом управляемого химического окисления с образованием на их поверхности наноструктурного CuO. Диаметр микростержней (рисунок 1.6) составил 30…100 мкм, расстояние между ними 65…115 мкм, высота 30…120 мкм. Авторы отмечают, что полученный материал обладает высокой поверхностью на границе с теплоносителем, однако имеет низкую проницаемость для жидкости.

Т

а) б)

Рисунок 1.6 − СЭМ-фото капиллярно-пористых структур, содержащих систему медных микростержней на подложке (а) и наноструктура на поверхности микростержня (б)

Рисунок 1.7 − Схема работы миниатюрной тепловой трубы

ермическая стабилизация силовых полупроводниковых устройств является предметом интенсивных исследований последнего десятилетия. Многочисленные исследования посвящены разработке и изучению миниатюрных тепловых труб, которые могут быть легко совмещены с компактными электронными системами. Схема работы тепловой трубы приведена на рисунке 1.7. Большинство миниатюрных тепловых труб содержат аксиальные канавки или сетки, которые выполняют функцию капиллярно-пористой структуры. Вследствие ограниченных капиллярно-транспортных способностей таких систем их теплопередающая способность часто не превышает 100 Вт/cм2 и очень чувствительна к ориентации в поле гравитационных сил. Более высокой теплопередающей способностью обладают тепловые трубы с капиллярно-пористой структурой, выполненной из спеченного металлического порошка. Однако возможности методов порошковой металлургии ограничены свойствами подложки испарителя, а теплопередающая способность спеченных грубодисперсных систем – порошков также часто ограничена из-за небольших поверхностей контакта спеченного порошка и теплоносителя. При выборе материала капиллярно-пористой структуры предпочтение часто отдают меди вследствие ее высокой теплопроводности и отработанной технологии спекания и припекания порошкового слоя к медной подложке, несмотря на невысокие капиллярно-транспортные свойства такой пористой системы.

Исследованиями функционирования испарителей миниатюрных двухфазных тепловых труб различного назначения и конструкции установлено, что основными причинами, ограничивающими теплопередающую способность испарителей, являются:

• низкая транспортная способность капиллярной структуры в виде канавок, необходимая для перемещения жидкости из зоны конденсации в зону испарения;

• низкая теплопроводность капиллярно-пористой структуры, необходимая для подвода тепла в зону испарения теплоносителя;

• низкие гидрофильные свойства капиллярной структуры, которые необходимы для формирования устойчивой тонкой пленки теплоносителя, испарение которой и обеспечивает высокую эффективность теплоотвода.

В качестве капиллярной структуры в миниатюрных тепловых трубах в настоящее время используют систему аксиальных канавок, спеченный порошок меди, металлические волокна или сетку, а также различные комбинации материалов и конструктивных приемов. Ни один из приведенных выше примеров реализации испарителя не позволяет обеспечить все выше перечисленные требования одновременно. Так, спеченный медный порошок обеспечивает необходимую проницаемость, но не обеспечивает гидрофильные свойства. Капиллярно-пористая структура, содержащая наноструктуру, например, на основе высокодисперсных оксидных систем, обладает высокими гидрофильными свойствами, но имеет очень низкую проницаемость и теплопроводность. С целью реализации всех выше перечисленных свойств капиллярно-пористой структуры и получения максимально возможной теплопередающей способности тепловой трубы в [6, 7] проведен анализ недостатков капиллярно-пористых структур различных конструкций и разработана математическая модель пористого тела, позволяющая рассчитать значения капиллярного давления, проницаемости, а также прогнозировать формирование и испарение тонкой пленки теплоносителя в нанопорах капиллярно-пористой структуры. Установлено, что капиллярно-пористая структура из спеченных частиц обладает самой большой проницаемостью для теплоносителя, а также обеспечивает тонкопленочное испарение, если обладает гидрофильными свойствами. С помощью простых теоретических моделей и оценочных расчетов показано, что теплопередающие свойства капиллярно-пористой структуры могут существенно повыситься в случае формирования бипористой структры путем осаждения на поверхность спеченного материала слоя наночастиц, формирующих систему нанопор. Показано, что одним из возможных вариантов формирования такой пористой композиции является выращивание на поверхности спеченных частиц меди с высокой проницаемостью (K~10-10 м2) слоя углеродных нанотрубок или нановолокон. Капиллярно-пористая структура осуществляет подвод жидкости в зону испарения, а система нанопор на поверхности капиллярно-пористой структуры обеспечивает не только высокое капиллярное давление в капиллярно-пористой структуре, но и формирование устойчивой тонкой пленки теплоносителя (рисунок 1.8) и, следовательно, более интенсивное парообразование. Кроме того, наноструктура на основе углеродных нанотрубок и нановолокон существенно снижает термическое сопротивление капиллярно-пористой структуры, что в совокупности должно существенно повысить теплопередающую способность испарителя.

А

Рисунок 1.8 − Схема формирования тонкой пленки жидкости в капиллярно-пористой структуре

а) б)

Рисунок 1.9 − СЭМ-фото системы микростержней Ti (а) и наноструктуры (б) поверхности микростержня

вторы [23] разработали испаритель миниатюрной тепловой трубына основе титана размером 30×30 мм×600 мкм. Титановую фольгу обрабатывали методом сухого травления с последующим соединением листов фольги между собой и с компактной подложкой методом лазерной сварки. Процесс получения микростержней Ti достаточно сложный и включает ряд операций, начиная с травления титановой подложки индуктивно-связанной плазмой, источником которой является электромагнитная индукция в среде газовой смеси Ar/Cl2, и заканчивая окислением в 30 % растворе перекиси водорода при 83 °C. Общая толщина устройства – менее 1 мм, толщина титановой подложки – 250 мкм, толщина гидрофильной подложки – комбинации Ti и TiO2 – 50 мкм, высота паровой камеры – 100 мкм. Капиллярно-пористый материал представляет собой систему микростержней титана диаметром 5 мкм, высотой 50 мкм при расстоянии между центрами микростержней 10 мкм (рисунок 1.9). Микростержни оксидированы для формирования наноструктуры с характерным размером наночастиц ~200 нм (рисунок 1.9, б). В качестве теплоносителя использовали дистиллированную воду. Под действием тепла, подведенного к испарительной части, происходит испарение воды и перемещение водяного пара в конденсатор, откуда через капиллярно-пористую структуру она опять перемещается в испаритель. Проведенные испытания показали, что миниатюрная тепловая труба обеспечивает эффективную теплопроводность 350 Вт/м·K при тепловой нагрузке 7,2 Вт и температуре 105,4 °C.

Рисунок 1.11 − СЭМ-фото структуры спеченного медного испарителя, покрытого слоем углеродных нанотрубок толщиной 0,5 мм

В

Рисунок 1.10 – Вид испарителя из спеченного медного порошка толщиной 1,5 мм (а) и теплоотделителя в сборе (б)

ряде публикации приведены результаты испытания миниатюрных тепловых труб с испарителями, содержащими композиционную капиллярно-пористую структуру из спеченного медного порошка, покрытого наночастицами различного состава. Авторы[8] разработали и испытали двухфазную миниатюрную тепловую трубу, предназначенную для охлаждения силовых лазеров, мощных фотодиодов и различных силовых полупроводниковых устройств. Капиллярно-пористая структура испарителя (рисунок 1.10) получали спеканием порошка меди со средним размером частиц 50 мкм на очищенной от оксида медной подложке при 950 °C в атмосфере (25) аргона. На поверхность спеченных частиц термохимическим методом из паровой фазы наносили тонкий наноструктурный слой углеродных нанотрубок толщиной 0,5 мм (рисунок 1.11).

Углеродные нанотрубки имели длину 20−25 мкм и диаметр 50−100 нм. Результаты исследований показали, что испаритель обладает теплопередающей способностью не менее 8,5 Вт/мм2 (теплоноситель − дистиллированная вода). Слой из углеродных нанотрубок позволяет существенно повысить гидрофильные свойства капиллярно-пористой структуры испарителя и снизить его термическое сопротивление на 20−37 % по сравнению с пористым материалом, не содержащим слоя нанотрубок. Были проведены также сравнительные испытания такого же испарителя, но с капиллярно-пористой структурой из медной сетки, которую закрепляли на подготовленной медной подложке методом диффузионной сварки. Установлено, что теплопередающая способность такого испарителя не превышает 2 Вт/мм2.

В

а)

б)

Рисунок 1.12 − СЭМ-фото композиционной капиллярно-пористой структуры

[24] процесс теплопередачи исследован на медных испарителях с капиллярно-пористой структурой из спеченного медного порошка с тонким слоем углеродных нанотрубок, теплоносители –HFE–7300 и деионизированная вода. Слой углеродных нанотрубок нанесен из паровой фазы химическим методом в среде H2 и CH4. Для сравнения проведен процесс теплопередачи с плоской медной поверхности, с капиллярно-пористой структуры из спеченного медного порошка, а также с капиллярно-пористой структурой из спеченного медного порошка, покрытого слоем углеродных нанотрубок. Последний композит, имеющий высокую удельную поверхность, содержащий нанопоры и транспортные поры, обеспечил самую высокую скорость испарения для обоих теплоносителей.

Исследования, проведенные авторами [25], также позволили установить, что объединение микро- и наноструктуры в конструкции капиллярно-пористой структуре способствует ускорению процесса испарения теплоносителя. Проницаемый нанопористый слой на поверхности спеченных частиц медного порошка синтезирован в виде системы углеродных нанотрубок, которая существенно повысила гидрофильные свойства капиллярно-пористой структуры испарителя, в котором роль теплоносителя выполняла дистиллированная вода. Детальные исследования структуры с помощью СЭМ показали, что толщина наноструктурного слоя на поверхности частиц меди составляет несколько десятков нанометров (рисунок 1.12, а). Качественный тест показал хорошие гидрофильные свойства поверхностного слоя, поскольку при испытании капля воды моментально впитывалась углеродной наноструктурой. Структура наносистемы сформирована произвольно расположенными нанотрубками, между которыми расположены сообщающиеся между собой нанопоры (рисунок 1.12, б). Такая структура на поверхности спеченного порошка меди увеличивает поверхность теплопередачи на границе между капиллярно-пористой структурой и жидкостью при одновременно обеспечении большого количества центров парообразования. Таким образом, сочетание методов порошковой металлургии и нанотехнологий позволяет создать композиционную капиллярно-пористую структуру, которая имеет высокую теплопроводность, проницаемость, гидрофильные свойства, способствует формированию тонкой пленки жидкости и тем самым обеспечивает высокую скорость испарения и интенсивность теплопередачи.

В

Рисунок 1.13 – Вид алюминиевых профилей с аксиальными канавками

настоящее время ТТАК успешно применяют для термической стабилизации космической аппаратуры по схеме естественной, нерегулируемой передачи тепловой мощности с более высокого температурного уровня на низкий. Это обеспечивается отбором тепловой мощности, выделяемой аппаратурой, от ее посадочных мест на термоплатах (панелях), передачей этой мощности на радиационный теплообменник с последующим отводом ее в окружающее пространство [1, 2]. В качестве корпусов ТТАК используют профили специальной конструкции (рисунок 1.13 [26]), изготовленные из алюминиевых сплавов методом экструзии, который обеспечивает высокую точность параметров по длине трубы. В качестве теплоносителя применяют хладоны, пропилен, аммиак, азот, кислород, аргон, щелочные металлы, воду и др. Как правило, в ТТАК для космической техники используется аммиак высокой чистоты.

В [2] приведены конструктивные размеры алюминиевых профилей с различной конфигурацией канавок, на базе которых в ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина» разработаны и исследованы несколько ТТАК. Главные усилия исследователей направлены на улучшение транспортных характеристик ТТАК и увеличение теплопередающей способности. В настоящее время выполнение условия передачи теплового потока вплоть до Q = 300 Вт может быть достигнуто согласно [2] только путем увеличения числа тепловых труб.

Дальнейшее усовершенствование ТТАК возможно за счет нанесения на поверхность канавок тонкого слоя пористой структуры. Эксперименты, проведенные в [27] показали, что процесс теплообмена в испарителе ТТАК с пористым покрытием существенно интенсивнее по сравнению с аналогичным процессом в ТТАК без пористого покрытия. Авторы [28−30] для получения капиллярно-пористой структуры ТТАК предложили использовать оксид алюминия, который химически пассивен при контакте с большинством теплоносителей, таких как, например, аммиак, вода, пропилен, ацетон, а также спирты, включая этанол, метанол и т.п. В указанных выше публикациях впервые проанализированы и обобщенны результаты исследований структурных, теплофизических, капиллярно-транспортных и прочностных свойств капиллярно-пористой структуры на основе оксида алюминия. Для формирования капиллярно-пористой структуры использовали порошки оксида алюминия со средним размером частиц 5 мкм и 0,5 мкм, спеченные на воздухе. Коэффициент проницаемости спеченного материала составил (0,3–0,7)·10-13 м2, коэффициент теплопроводности 1,2–2,1 Вт/м·К, размер пор, определенный методом ртутной порометрии, 4−6 мкм, пористость 60−65 %. Механическая прочность спеченного материала при сжатии в зависимости от пористости в диапазоне пористости капиллярно-пористой структуры 55−75 % для спеченных образцов диаметром 12 мм и высотой 12 мм составила 9...24 МПа для порошка со средним размером частиц 5 мкм и 18...27 MПa для порошка со средним размером частиц 0,5 мкм. Авторы [28−30] не приводят режимов спекания, а также не указывают каким образом капиллярно-пористая структура размещена в корпусе ТТ, однако сама идея формирования ее на основе оксида алюминия является очень интересной.

На основании изложенного представляется очевидным, что одним из перспективных направлений работ в материаловедческом плане, ставящих целью совершенствование характеристик ТТ, является развитие теоретических представлений о создании композиционных материалов с заданной бипористой структурой, включающей наноразмерную составляющую, что вполне соответствует современным тенденциям, и соответствующих технологий получения таких материалов. При этом существующие сведения об опыте применения алюминиевых профилей для производства капиллярно-пористой структуры ТТАК, о перспективности оксида алюминия для изготовления капиллярно-пористых структур позволяют предположить, что совмещение указанных конкретных материалов в единое конструктивное целое может оказаться удачным сочетанием для ряда конструкций ТТ. Рост требований к сокращению материалоемкости, стоимости, к снижению массовых характеристик ТТ влечет необходимость оптимизации состава бипористых материалов и технологий их получения.