Теплопроводящие трубки

Теплопроводящая трубка представляет собой полую медную трубку, которая в вакуумной среде заполняется жидкостью и запаивается с обеих сторон. Эта жидкость переносит тепло от одного края трубки к другому с более высокой скоростью, чем если бы тепло распространялось через медь, материал, имеющий и очень высокую теплопроводность. Чаще всего в качестве рабочего тела, то есть, жидкости, заполняющей трубку, применяются спирты, ацетон или аммиак.

При нагревании жидкость, находящаяся внутри трубки, испаряется, и её пары перемещается в более холодную часть трубки, где они отдают тепло в окружающую среду (или радиатору) и конденсируются. Сконденсированная жидкость стекает обратно, в горячую часть теплопроводящей трубки, и цикл повторяется заново. Термическое сопротивление трубки очень низкое – от 0.002 до 0.01 C/W на один миллиметр длины, и оно обратно пропорционально переносимой через трубку тепловой мощности. То есть, чем больше рассеиваемая источником тепла мощность, тем меньше термическое сопротивление трубки, и тем эффективнее она будет работать. Внутри теплопроводящая трубка, обычно, имеет пористую структуру, за счёт чего жидкость по ней может двигаться в любом направлении - горизонтальном и вертикальном. В последнее время теплоотводящие трубки используются в кулерах для ноутбуков, в кулерах для видеокарт и центральных процессоров.

Теплоотводящие трубки выгодно использовать в тех случаях, когда надо эффективно перенести тепло на расстояние. Например, распределить между двумя радиаторами одного кулера или же равномерно распределить по поверхности одного радиатора.

Основная задача тепловой трубки – максимально быстро передать тепло с одного конца на другое. Как правило, тепловая трубка изготавливается из меди; внутри нее легкокипящая жидкость. Внутри трубки (в той части, которая наиболее приближена к источнику тепла) жидкость испаряется, поглощая тепло. А на другом конце трубки жидкость конденсируется, при условии если к трубке подсоединен какой-либо радиатор (рис.1.4). Иными словами, "тепловая трубка" предназначена исключительно для передачи тепла, но сама по себе охладить процессор (или другой источник тепла) не в состоянии.

Рис.1.4. Тепловая трубка с радиатором

Конструкция радиатора: на полностью медном основании установлено более двух десятков медных ребер. А для более быстрой теплопередачи в основание радиатора встроено три "тепловых" трубки.

При этом, каждое ребро соприкасается с трубкой довольно обширной площадью. Для этого отверстия в ребрах имеют специальные "лепестки", которые плотно охватывают трубку. Кроме того, между "трубкой" и "лепестком" есть небольшой слой термоинтерфейса, что также способствует теплопередаче.

Углеродные нанотрубки

Представители Fujitsu Laboratories сообщили об успехах, которых им удалось добиться при использовании углеродных нанотрубок в качестве средства теплоотвода для полупроводниковых микросхем. Крошечные трубки в перспективе могут прийти на смену металлическим радиаторам усилителей базовых станций сотовой телефонии следующего поколения. Аналогичная технология со временем, возможно, найдет применение и в наиболее распространенных больших интегральных схемах или процессорных чипах.

Углеродные нанотрубки представляют собой полые цилиндры, образованные атомами углерода (рис.1.5). По ним можно передавать большой ток, их электрическое сопротивление по сравнению с медными проводниками очень мало, а в сравнении с алмазами они обладают низким термическим сопротивлением.

Рис.1.5. Углеродные нанотрубки

Мощные усилители базовых станций сотовой телефонной связи построены на основе транзисторов, смонтированных на металлических блоках, которые служат для отвода лишнего тепла. При такой компоновке транзисторы располагаются над платой, а следовательно они должны подключаться к плате с помощью кабельного соединения, но это приводит к росту индуктивности и снижает мощность усилителя. Новые сотовые телефонные системы работают на увеличенной частоте и им нужен более высокий коэффициент усиления, поэтому кабель может стать узким местом.

Возможное решение заключается в том, чтобы перевернуть микросхему и соединить транзисторы с маленькими металлическими контактами на печатной плате. Это позволит конструкторам избавиться от кабеля, но подобная компоновка не слишком удачна с точки зрения отвода тепла.

Для того чтобы преодолеть трудности, связанные с ростом индуктивности и с выделением тепла, инженеры Fujitsu предложили использовать углеродные нанотрубки, которые обладают хорошими характеристиками и с точки зрения электропроводности, и с позиций теплоотвода.

Из углеродных нанотрубок можно выстраивать достаточно точные конструкции, и инженеры Fujitsu спроектировали шаблон, соответствующий схеме размещения транзисторов. Шаблон включает в себя группы нанотрубок, называемые «контактными площадками», которые в поперечнике имеют около 10 микрон, а в высоту не более 15 микрон.

В результате по сравнению с традиционным усилителем с кабельными соединениями, работающим на частоте более 3 ГГц, получается выигрыш примерно в 2 децибела, причем здесь можно добиться еще более значительной оптимизации.