Отдел Информационно-вычислительного моделирования

Эффективный отвод тепла от элементов электронной аппаратуры остается важной составляющей в работе многих электронных устройств. В условиях постоянно растущих требований к мощности и компактности электронной аппаратуры космического аппарата задача эффективного отвода тепла становится настоящим вызовом и требует применения кардинально новых решений. Одним из таких решений является использование гипертеплопроводящих конструкций, способных передавать тепло более чем на порядок эффективнее традиционных материалов.

Совместными усилиями Института вычислительного моделирования СО РАН (г. Красноярск), Уральского электрохимического комбината (г. Новоуральск) и АО «ИСС» им. академика М. Ф. Решетнева» (г. Железногорск) были разработаны гипертеплопроводящие панели, обладающие эффективной теплопроводностью превышающей теплопроводность алюминия более чем в 50 раз. Внешне такие панели представляют собой плоские металлические пластины толщиной 2 мм и размерами до 100 x 350 мм. Форма панелей может быть разнообразной: прямоугольная, Г-образная или Т образная (рис. 1).

Рисунок 1 – Образцы гипертеплопроводящие панелей: Т-образная секция (ГТПС) (слева), плоские пластины (справа)

Разработанные теплопередающие устройства могут быть использованы как чрезвычайно эффективные основания для монтажа радиоэлектронной аппаратуры с точки зрения теплопереноса. При этом такие панели способны работать как трансформаторы тепла, позволяющие «растаскивать» тепловую энергию от миниатюрных, но мощных процессоров, транзисторов и других тепловыделяющих элементов.

На рис. 2 и 3 показаны результаты экспериментов по измерению эффективной теплопроводности Т-образной пластины. При тепловой нагрузке 50 Вт на длине ~100 мм вдоль пластины толщиной ~2 мм перепад температуры не превышает 1-2 °C. Это означает, что эффективность переноса тепла у таких пластин на 1-2 порядка превышает теплопроводность алюминия.

Рисунок 2 – Эксперимент по измерению эффективной теплопроводности ГТПС. Схема расположения источника тепла и области отвода тепла (слева), измеренное распределение температуры при мощности 50 Вт — термограмма (справа)

Рисунок 3 – Измеренный продольный профиль температуры для ГТПС при мощности нагревателя 50 Вт (для сравнения на графике штриховыми линиями показаны распределения температур для обычных пластин из алюминия и меди)

Разработка гипертеплопроводящих панелей, в первую очередь, проводилась для использования их на борту космических аппаратов, где электронная аппаратура работает в условиях безвоздушного пространства и отвод тепла особенно затруднен. Задача обеспечения теплового режима космического аппарата является одной из важнейших задач, определяющих успешную работу всего устройства. Для многолетней бесперебойной работы каждый элемент аппаратуры должен постоянно функционировать в требуемом температурном диапазоне. При этом возможности используемой системы отвода тепла и терморегулирования во многом определяют массу, габариты и характеристики всего космического аппарата.

Использование разработанных гипертеплопроводящих панелей в конструкции космического аппарата позволяет изменить идеологию отвода тепла и значительно повысить эффективность системы терморегулирования. Аппаратура становится более энергоемкой и компактной. Например, традиционно на борту космического аппарата в качестве основания под радиоэлектронные тепловыделяющие элементы использовались алюминиевые пластины. Обычная их замена на гипертеплопроводящие панели аналогичного размера позволяет снизить перепад температуры вдоль панели на порядок при существенном увеличении мощности аппаратуры.

Рисунок 4 – Блок бортовой аппаратуры со встроенными ГТПС

На рис. 4 показан пример блока бортовой аппаратуры, в котором в алюминиевую рамку встроены Т-образные гипертеплопроводящие секции. На рис. 5 можно видеть сравнение температурных полей для обычного алюминиевого основания и усовершенствованного основания с использованием гипертеплопроводящих секций. Перепад температуры при использовании гипертеплопроводящих конструкций снижается в несколько раз.

Рисунок 5 – Сравнение температурных полей для блока бортовой радиоэлектронной аппаратуры с использованием ГТПС с обычной алюминиевой конструкцией

Разработанные гипертеплопроводящие панели – это, конечно же, не новый материал со сверхвысокой теплопроводностью. Это компактное тепловое устройство, со сложной внутренней структурой. Идея использования таких тепловых устройств известна уже более полувека и называются они тепловые трубы.

Классические тепловые трубы представляют собой запаянную с обеих сторон герметичную трубу. На внутренней стенке трубы располагается фитиль, содержащей какой-либо жидкий теплоноситель. При нагреве одного из концов такой трубы жидкий теплоноситель начинает испаряться из фитиля и в виде пара перемещаться к противоположному концу, где конденсируется и снова впитывается в фитиль. За счет капиллярных сил фитиля, жидкость постоянно возвращается к месту подвода тепла. Основным замечательным свойством такого устройства является то, что для передачи большого количества тепла требуется очень маленький перепад температуры. Такая труба представляет внутри себя двухфазный тепловой контур, для работы которого не требуется никаких насосов, и вообще, движущихся частей (рис. 6). Для движения теплоносителя используется тепловая энергия, которая и передается тепловой трубой. Работа такого устройства очень надежна.

Рисунок 6 – Схема работы тепловой трубы

Гипертеплопроводящая панель работает по такому же принципу, как и тепловая труба. Внутри тонкой плоской панели находится пористый материал, выполняющий роль фитиля, заполненный жидким теплоносителем. В пористой структуре имеются каналы для движения пара (рис. 7). При этом внутренняя структура фитиля и каналов такова, что теплоноситель способен перемещаться в любом направлении вдоль всей плоскости панели, обеспечивая перенос тепла. Гипертеплопроводящая панель, по сути, является миниатюрной двухмерной плоской тепловой трубой.

Рисунок 7 – Внутренняя конструкция гипертеплопроводящей панели

Для создания гипертеплопроводящих панелей и дальнейшей работы с ними в Институте вычислительного моделирования СО РАН была создана математическая модель, описывающая процессы тепломассообмена внутри панели. На основе созданной модели был разработан программный комплекс «Гиперэмулятор» для проведения тепловых расчетов бортовой электронной аппаратуры, создаваемой с использованием гипертеплопроводящих конструкций для отвода тепла от электронных компонентов. Результаты вычислительного моделирования показали чрезвычайно высокую эффективность передачи тепла таким устройством. Численные расчеты позволили определить оптимальные параметры внутренней структуры панели: конфигурацию пористой среды, паровых каналов и другие характеристики.

Однако главной сложностью разработки гипертеплопроводящих панелей был поиск и освоение технологии изготовления. Основной трудностью является миниатюрность и плоская форма. Внутри очень тонкой пластины необходимо уместить фитиль с паровыми каналами, теплоноситель и, при этом, конструкция должна оставаться герметичной и прочной. С этой задачей успешно справился Уральский электрохимический комбинат. Экспериментальные исследования образцов гипертеплопроводящих панелей показали ожидаемые высокие характеристики. Разработанные устройства позволяют существенно повысить эффективность отвода тепла от бортовой аппаратуры космических аппаратов.

Несмотря на то, что гипертеплопроводящие панели разрабатывались для космического применения, они успешно могут быть использованы и в наземных приложениях. Следует заметить, что разработанные гипертеплопроводящие панели на сегодняшний день не имеют аналогов не только в России, но и по мировым меркам могут считаться передовой разработкой.

В настоящее время разработка внедрена и используется в штатных изделиях. Около двух десятков функционирующих на орбите спутников, созданных в АО «ИСС», оснащены высокоэффективной системой отвода тепла с использованием гипертеплопроводящих конструкций. Разработка позволила увеличить энергоемкость и надежность боровой аппаратуры, при этом улучшить массогабаритные параметры космических аппаратов.