Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU XỐP ỨNG DỤNG LÀM ỐNG NHIỆT 1. Ống nhiệt: Lịch sử hình thành và phát triển Năm 1942, R.Gauler là nhà khoa học đầu tiên đưa ra ý tưởng về ống nhiệt có cấu trúc mao dẫn nhằm ứng dụng cho hệ thống làm lạnh [8, 9]. Sau thời gian dài không ghi nhận các nghiên cứu về ống nhiệt, đến năm 1962, Trefethen đã tiếp tục có những nghiên cứu sâu về cấu tạo của ống nhiệt, dùng các ống sử dụng vật liệu xốp có cấu trúc mao dẫn để làm ống nhiệt cho các thiết bị trong lĩnh vực công nghiệp vũ trụ [10]. Tiếp theo đó, năm 1964, Grover và các cộng sự đã nghiên cứu và chế tạo được ống nhiệt đầu tiên tại phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos bang New Mexico, sử dụng lớp vỏ ngoài là thép không gỉ, chất lỏng làm việc là nước cho các ống nhiệt làm việc ở nhiệt độ thường và ống nhiệt sử dụng chất lỏng làm việc là kim loại lỏng Na cho các ống nhiệt làm việc ở nhiệt độ cao, lên đến 1100oK (827oC) [10, 11].
Mặc dù vậy, các nghiên cứu của Grover và cộng sự chủ yếu tập trung vào các kết quả thử nghiệm về khả năng truyền nhiệt của ống nhiệt, chưa chú ý nhiều đến việc phân tích lý thuyết về quá trình truyền nhiệt. Đến năm 1965, các nghiên cứu của Cotter đã làm rõ hơn cơ sở lý thuyết quá trình hoạt động của ống nhiệt [12]. Nhiều nghiên cứu tiếp theo về lý thuyết và thực nghiệm đã được tiến hành trong phòng thí nghiệm tại các nước có trình độ khoa học phát triển trên thế giới như Mỹ, Nhật, Anh, Pháp, Đức, Liên Xô,… Cho đến năm 1970, các sản phẩm ống nhiệt sử dụng vật liệu xốp có cấu trúc mao dẫn thương mại đầu tiên đã được các công ty của Nhật, Mỹ đưa ra thị trường [8]. Năm 1990, ống nhiệt bắt đầu được nghiên cứu ứng dụng để tản nhiệt cho các chip máy tính [13].
Từ đó, các nghiên cứu ứng dụng ống nhiệt trong tản nhiệt cho các thiết bị điện tử phát triển mạnh mẽ. Đến đầu những năm 2000, ống nhiệt đã được dùng đại trà trong máy tính để bàn và máy tính cá nhân [14]. Đến năm 2010, ống nhiệt bắt đầu được sử dụng để chế tạo bộ phận tản nhiệt cho đèn LED [15, 16] và đến năm 2013, ống nhiệt được sử dụng nhiều trong điện thoại thông minh [14]. luan an 6 Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, các thiết bị điện tử, viễn thông, công nghệ thông tin, … ngày càng phát triển theo hướng tối ưu hơn, kích thước nhỏ gọn, hiệu suất cao hơn do đó các nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu suất, thu nhỏ kích thước của ống nhiệt sử dụng trong các thiết bị vẫn liên tục được thực hiện tại nhiều quốc gia trên thế giới.1 là ví dụ ứng dụng ống nhiệt trong một số thiết bị điện tử hiện nay như máy tính cá nhân, đèn LED công suất cao hay điện thoại thông minh.
Một số ứng dụng của ống nhiệt trong a) máy tính, b) đèn LED và c) điện thoại thông minh. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của ống nhiệt Nguyên lý cơ bản nhất của ống nhiệt là sự chuyển pha lỏng - hơi của chất lỏng làm việc bên trong ống nhiệt [17]. Khi chất lỏng nhận được nhiệt từ nguồn sinh nhiệt sẽ hóa hơi, làm tăng áp suất hơi tại vùng sinh nhiệt (vùng hóa hơi). Hơi chất lỏng được đẩy về vùng ngưng tụ của ống nhiệt do sự chênh lệch áp suất.
Tại vùng này, hơi chất lỏng sẽ ngưng tụ do tiếp xúc với bộ phận làm mát và di chuyển ngược trở lại vùng hóa hơi do lực mao dẫn của lớp vật liệu xốp. Quá trình này được lặp lại liên tục khi ống nhiệt hoạt động. Hiệu suất của ống nhiệt phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có ẩn nhiệt hóa hơi của chất lỏng làm việc và lưu lượng của dòng chất lỏng từ vùng ngưng tụ về vùng hóa hơi. Theo nguyên lý hoạt động, các ống nhiệt được chia làm nhiều loại nhưng thông dụng và được sử dụng nhiều nhất là ống nhiệt trọng trường và ống nhiệt có cấu trúc mao dẫn do những ưu điểm trong tính năng sử dụng cũng như phương pháp chế tạo.
luan an 7 Dưới đây sẽ trình bày cơ bản về ống nhiệt trọng trường là cấu trúc ống nhiệt đơn giản nhất và ống nhiệt có cấu trúc mao dẫn. Ống nhiệt trọng trường Ống nhiệt trọng trường là ống nhiệt đầu tiên được nghiên cứu và sử dụng với cấu tạo rất đơn giản gồm một ống kim loại được bịt kín hai đầu, bên trong được hút chân không và chứa một lượng chất lỏng xác định như trên hình 1. Một đầu ống nhiệt sẽ tiếp xúc với nguồn sinh nhiệt (linh kiện hay chi tiết cần tản nhiệt). Nhiệt phát ra ở nguồn nhiệt sẽ làm chất lỏng (nước, cồn, …) ở trong phần đầu ống tiếp xúc với nguồn nhiệt hóa hơi, vùng này còn gọi là vùng hóa hơi và chuyển lên đầu còn lại của ống nhiệt, vùng này còn gọi là vùng ngưng tụ.
Tại vùng ngưng tụ, nhiệt độ của ống nhiệt thấp hơn do được làm mát bởi các kết cấu tản nhiệt bên ngoài như nước làm mát, cánh tản nhiệt, hơi nước bên trong ống nhiệt sẽ ngưng tụ và di chuyển ngược lại vùng hóa hơi thông qua lực trọng trường. Khả năng truyền nhiệt của ống nhiệt trọng trường rất tốt và quá trình chế tạo cũng đơn giản [18]. Tuy nhiên, nhược điểm của loại ống nhiệt trọng trường là đầu tiếp xúc với nguồn nhiệt phải luôn ở phía dưới để chất lỏng sau khi ngưng tụ sẽ di chuyển về vùng hóa hơi dưới tác dụng của lực trọng trường. Chính đặc điểm này làm hạn chế phạm vi ứng dụng của ống nhiệt trọng trường.
Để khắc phục nhược điểm trên, một số loại ống nhiệt khác nhau được nghiên cứu, phát triển như ống nhiệt ly tâm (sử dụng lực ly tâm), ống nhiệt điện trường (sử dụng lực điện trường) và ống nhiệt có cấu trúc mao dẫn, sử dụng lực mao dẫn để đưa chất lỏng từ vùng ngưng tụ về vùng hóa hơi. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của a) ống nhiệt trọng trường và b) ống nhiệt có cấu trúc mao dẫn [8]. Ống nhiệt có cấu trúc mao dẫn Sơ đồ đơn giản nhất của ống nhiệt có cấu trúc mao dẫn như trên hình 1. Đối với loại ống nhiệt này, nhiệt được cung cấp từ nguồn nhiệt sẽ dẫn qua lớp vỏ ống (bằng kim loại) và lớp vật liệu mao dẫn để làm hóa hơi chất lỏng bên trong ống.
Đây chính là quá trình chuyển pha của chất lỏng từ pha lỏng sang pha hơi. Sự tạo thành pha hơi tại vùng hóa hơi sẽ làm tăng áp suất hơi tại vùng này, tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa vùng hóa hơi và vùng ngưng tụ, từ đó gây ra một áp lực để đẩy hơi chất lỏng di chuyển bên trong ống di chuyển từ vùng hóa hơi qua vùng đoạn nhiệt đến vùng ngưng tụ. Tại vùng ngưng tụ, nhiệt được tản ra bên ngoài nhờ kết hợp với bộ phận tản nhiệt phụ trợ bên ngoài (cánh tản nhiệt, nước làm mát, quạt gió, …), khi đó hơi chất lỏng bên trong ống nhiệt sẽ ngưng tụ thành chất lỏng. Dưới tác dụng của sự chênh lệnh áp suất và lực mao dẫn được tạo bởi lớp vật liệu có cấu trúc mao dẫn sẽ có tác dụng đẩy dòng chất lỏng di chuyển từ vùng ngưng tụ quay lại vùng hóa hơi.
Quá trình khép kín này sẽ được tiếp tục trong thời gian dài nếu có một áp lực mao dẫn đủ lớn để điều khiển dòng chất lỏng quay trở về vùng hóa hơi. Một vài nghiên cứu trước đây cho thấy tùy thuộc vào thiết kế, cấu tạo ống nhiệt, chất lỏng làm việc trong ống,… mà độ dẫn nhiệt của ống nhiệt có thể khác nhau từ vài nghìn đến vài chục nghìn W/m.K, thậm chí hàng trăm nghìn W/m.1 cho thấy độ dẫn nhiệt của một số loại ống nhiệt khác nhau phụ thuộc kích thước, kiểu ống, chất lỏng làm việc cũng như kiểu mao dẫn. Độ dẫn nhiệt của một số loại ống nhiệt khác nhau. Chất Độ dẫn Tài liệu Kiểu ống Kiểu STT Kích thước ống lỏng làm nhiệt tham nhiệt mao dẫn việc (W/m.K) khảo Lưới 1 Đồng, ống 19,5x400 mm Nước 2.100 [20] đồng Bột đồng 200×7,8×1 mm 2 Đồng, phẳng Nước 6.700 [21] thiêu kết (L × W × H) Lưới 100×7,7×1,1 mm 3 Đồng, phẳng Nước 106.000 [22] đồng (L × W × H) Bột đồng 100×50×2 mm 4 Đồng, phẳng Nước 2.800 [23] thiêu kết (L × W × H) Lưới 200×26×1,5 mm 5 Nhôm, phẳng Acetone 32.000 [24] nhôm (L × W × H) 30×30×0,6 mm Ni tơ 6 Titan, phẳng Rãnh 350 [25] (L × W × H) lỏng luan an 9 Các bộ phận chính của ống nhiệt có cấu trúc mao dẫn sử dụng vật liệu xốp được mô tả trong hình 1.3 [26], gồm có vỏ ống (container), lớp vật liệu xốp có cấu trúc mao dẫn và chất lỏng làm việc trong ống.
Khi ống nhiệt hoạt động bình thường sẽ hình thành 3 vùng, vùng hóa hơi (tiếp xúc với nguồn sinh nhiệt, xuất hiện sự chuyển pha lỏng-hơi), vùng đoạn nhiệt (dòng hơi chất lỏng di chuyển về vùng ngưng tụ) và vùng ngưng tụ (tiếp xúc với bộ phận làm tản nhiệt phụ trợ, xuất hiện sự chuyển pha hơi - lỏng). Một ống nhiệt có thể sử dụng kết hợp cho nhiều nguồn nhiệt hoặc nhiều bộ phận tản nhiệt phụ trợ khác nhau để tăng hiệu quả hoạt động. Vùng đoạn nhiệt có thể có hoặc không tùy thuộc vào ứng dụng và thiết kế của ống nhiệt. Cấu tạo chi tiết các bộ phận chính của ống nhiệt được mô tả cụ thể dưới đây.
Sơ đồ cấu tạo và các vùng hoạt động của ống nhiệt có cấu trúc mao dẫn [26]. Vỏ ống nhiệt Vỏ ống nhiệt thường được chế tạo từ những ống kim loại có khả năng dẫn nhiệt tốt, dễ gia công và đặc biệt là có khả năng tương thích hóa học với nhiều loại chất lỏng làm việc trong ống. Một số kim loại được sử dụng phổ biến để chế tạo làm vỏ ống nhiệt như: đồng, nhôm, thép không gỉ, titan…[27]. Tùy vào lĩnh vực sử dụng, phạm vi nhiệt độ sử dụng sẽ lựa chọn vật liệu làm vỏ ống.
Ví dụ, thép không gỉ, titan thường được lựa chọn cho các ứng dụng chịu nhiệt độ cao, cần độ bền lớn như trong ngành hàng không vũ trụ. Đồng là kim loại được sử dụng phổ biến trong các ống nhiệt sử dụng để tản nhiệt cho các thiết bị điện, điện tử, … do đồng có độ dẫn nhiệt, tính dẻo cao, dễ gia công, chịu được tác dụng cơ học lớn và có khả năng tương thích với nhiều loại chất lỏng.