... чтобы тепловой контакт был получше. А зачем? По отношению к теплу процессы в технике можно разделить на три группы. Первая - превращение химической или атомной энергии в тепловую. Собственно, это ядро почти всей энергетики. Вторая группа - применение тепла и нагрева, и процессы, идущие при нагреве. Это почти вся металлургия, значительная часть машиностроения и химии. Третья группа - это процессы не собственно тепловые, но связанные с выделением тепла, а это все механические и процессы переработки информации, например, вся компьютерная сфера. Причем во всех ситуациях тепло надо передавать из одного места в другое. В первых двух - из одного определенного места в другое, а в третьем - из одного, где оно выделяется, в любое другое - лишь бы ничего не сгорело и не поплавилось.
Ключевое слово здесь - передавать тепло. Если речь идет об однородной среде, то вопрос решается относительно просто: любой нормальный инженер знает, у какого металла наивысшая теплопроводность при обычных температурах. А заглянув в справочники, он сориентируется и в криогенной ситуации, и с диэлектриками. Если же имеется в виду неоднородная среда, то все становится очень и очень сложно. Как только у нас появляются хотя бы два контактирующих тела, немедленно возникает вопрос - а что происходит на контакте? Все мы из обычного бытового опыта знаем, что с электрическими контактами проблемы возникают на каждом шагу и поэтому должны настороженно отнестись к контактам тепловым. А обойтись без них нельзя - в любом компьютере есть процессор и кулер, и это нынче знают не только инженеры прошлого века, но и даже студенты экономических специальностей "университетов".
Две особые области, о которых мы не будем говорить в этой заметке, но о которых для полноты картины надо упомянуть, это композиционные материалы и границы между твердым телом и не твердым, то есть жидким или газообразным. Это тоже границы и они есть во всех системах охлаждения, ибо в итоге тепло сбрасывается в окружающую среду, а именно - в атмосферу или в проточную воду. Потому что систем с охлаждением путем отвода тепла в почву кажется нет. Хотя они вполне могли бы и быть, но эффективность не будет велика - у почв низкая теплопроводность. Что же до композиционных материалов, то в них полно контактов между твердым и твердым, но проблема осложняется необходимостью учета геометрии фаз (матрицы, включений). Например, хорошо проводящие тепло нити могут сделать материал радикально анизотропным.
Итак, мы ограничиваемся рассмотрением контакта между двумя твердыми телами. И прежде всего, как и при рассмотрении электрического контакта, обратим внимание на шероховатость и на истинную геометрию контакта. Всякий знает, что стол, имеющий четыре ножки... вот-вот. Действительно, два абсолютно жестких тела, приведенные в контакт, соприкоснутся в трех точках. Реально это оказываются не точки, потому что тела не абсолютно жестки - они деформируются, и точки превращаются в контактные области. Количество которых зависит от размеров конкретных тел, характеристик шероховатости и свойств контактирующих тел. Понятно, что чем шероховатость меньше, тела больше и жесткость меньше, тем контактных областей будет больше, причем предсказать их количество трудно. Но общая их площадь определяется относительно легко - она равна нагрузке, деленной на упругость, точнее - на модуль Юнга (или предел пластичности, если материал потек).
В обычных ситуациях площадь контактных площадок (истинный контакт) оказывается много меньше общей площади контактирующих тел ("геометрической площади" контакта). Тепловое сопротивление, то есть перепад температуры на контакте при фиксированном потоке тепла, определяется именно этими маленькими площадками, через которые протискивается тепло. Совершенно аналогично тому, как электрическое сопротивление определяется этими же контактными пятнами. Зависимость теплового сопротивления контакта экспериментально исследовалась неоднократно, для разных материалов и в разных условиях, нет также недостатка в попытках расчета теплового поля в окрестности контакта и тем самым теплового сопротивления. Но пока нет теории или эмпирических формул, позволяющих надежно определить эту величину без эксперимента. Обычно считается, что теплопередача излучением отсутствует и воздух тепла не проводит. Окисные пленки, которые могут существенно повлиять на электрическое сопротивление, достаточно тонки, чтобы не влиять на передачу тепла. Тогда получается, что тепловое сопротивление определяется только площадью отдельных контактов, но она зависит от шероховатости поверхностей, причем сложным образом, поэтому в частности и не существует теории, дающей надежные результаты. Эмпирические и полуэмпирические формулы при правильном выборе подгоночных параметров дают ответы, расходящиеся с экспериментом лишь на 30 %-50 %, но для новых материалов никто не рискнет ими пользоваться без сравнения с экспериментом. А если эксперимент уже сделан, то ценность формул снижается (хотя и не становится равной нулю).
Большинство из нас знает, что такое клапан. Это такая вещь, которая в одну сторону пропускает газ или жидкость, а в другую - нет. Диод - полупроводниковый или вакуумный - в одну сторону пропускает, а в другую не пропускает электрический ток. Два контактирующих твердых тела, как это ни странно, в некоторых случаях в одну сторону пропускает тепло легче, чем в другую. Правда, отношение тепловых сопротивлений не достигает и полутора, на сам эффект представляется неожиданным.
Самая простая для понимания ситуация возникает, если хотя бы у одного из материалов теплопроводность зависит от температуры. Тогда теплопроводность всей сборки зависит от того, большая или меньшая температура на той стороне сборки, где находится этот материал. Эффект усиливается, если теплопроводности обоих материалов зависят от температуры, причем с ростом температуры одна растет, а другая уменьшается.
Другой источник несимметрии имеет место, если детали в сборке имеют существенно разные размеры, и в зависимости от того, на какой стороне сборки большая, а на какой - меньшая температура, сама зона контакта оказывается при большей или меньшей температуре. А ведь площадь контактных площадок нависит от теплового расширения материалов... В целом этот вопрос на данный момент исследован слабо. Но, как это чато бывает, Интернет полнится криками насчет японских ученых, которые создали тепловой диод, о будущих компьютерах, о демоне Максвелла во плоти и так далее. О тачании сапогов пишут те, кто ни печь пироги, ни писать не умеют. Кстати - тепловой диод с большой асимметрией можно очевидно создать на основе тепловой трубы, управляя потоком рабочего вещества. Но габариты и постоянная времени такого устройства никак не вяжутся с гордым словом "компьютер".
Особая ситуация складывается с тепловыми контактами в нанообласти. Отражение фононов (колебаний решетки, переносящих тепло) существует всегда, но оно мало заметно на фоне теплового сопротивления материала. В нанообласти, когда сами детали становятся "нанотонкими", это отражение начинает доминировать. В результате тепловое сопротивление становится зависящим не от толщины деталей, а от количества границ между деталями. А в микроэлектронике и нанотехнике встречаются конструкции из множества чередующихся слоев разных материалов, в частности, так называемые "сверхрешетки". В результате их тепловое сопротивление может оказаться намного больше ожидаемого. Может оно оказаться и меньше, но не поперек границ раздела, а вдоль - так как фононы могут успешно распространяться вдоль границы. Например, в некоторых ситуациях теплопроводность нанотрубок - что она как ни граница? - оказывается на порядок больше, чем у меди.
В нанообласти ситуация радикально осложняется тем, что вообще становится не вполне корректным понятие "температуры" (ансамбль слишком мал... как мы говорим студентам, у атома есть энергия, но нет температуры). Поэтому оказываются применимы только квантомеханические методы, метод молекулярной динамики и прочие страшные инструменты. И можно ждать еще более чем оригинальных результатов, например, тепловой сверхпроводимости, и не в жидком гелии, а в твердом теле.
В заключение спустимся с нанооблаков на грешную землю и зададим себе простой и понятный сугубо практический вопрос - как улучшить тепловой контакт. Разработчики аппаратуры, выбирая материал для деталей, обычно исходят из других соображений, но вот насчет качества обработки и наличия покрытий иногда поторговаться можно. Для лучшего теплового контакта желательно, чтобы поверхности были а) плоские, б) гладкие и в) не окисленные. Последнее наводит нас на правильную мысль о коррозионно-стойком покрытии, если предполагается пребывание в агрессивной среде. Далее, из вышесказанного следует, что для улучшения теплового контакта детали должны прижиматься друг к другу, как это и указано в названии статьи. В некоторых случаях, например в мощной полупроводниковой технике, усилие прижатия нормируется. Но как правило две детали не могут быть прижаты так, чтобы площадь истинного контакта сравнялась с геометрической - просто потому, что в этом случае детали почти наверняка разрушатся. Возникает естественное решение - заполнить зазор каким-то веществом, проводящим тепло. В мощной полупроводниковой технике применяют прокладки, например из индия. Но хоть это и мягкий металл, а сдавливать его двумя контактирующими деталями приходится настолько сильно, и эти детали должны быть металлическими. Между тем некоторые полупроводниковые приборы имеют керамический корпус - например, процессоры. Вещь это хрупкая и давить ею до пластической деформации индий никому и в голову не приходит.
В качестве заполнителя зазора между процессором и радиатором применяют теплопроводящие пасты, имеющие теплопроводность в 30-50 раз большую, чем у воздуха (увы, в 200-400 раз меньшую, чем у меди). Большинство паст состоит из кремнийорганического масла, в котором диспергированы частицы вещества с большей теплопроводностью (окиси цинка, нитрид алюминия). Разумеется, эти частицы должны быть меньше предполагаемой шероховатости сопрягаемых материалов (обычно несколько мкм), то есть во всяком случае, невидимы глазом. Паст таких много, в Интернете приводятся их параметры и, что гораздо важнее, результаты реальных экспериментов с ними - потому что по данным, которые сообщает изготовитель, не всегда удается понять, как именно будет работать паста в реальных условиях.
Если вы сами меняете радиатор или собираете компьютер, неминуемо возникает вопрос о выборе пасты. Первая рекомендация обычно состоит в том, чтобы не купить "осетрину второй свежести" - пасту с неравномерной окраской, странным запахом (!) или, что по очевидным причинам полный криминал - видимыми включениями. Вообще-то эти рекомендации носят почти универсальный характер... Технология применения всех паст достаточно "строга", и ее надо соблюдать, иначе вместо охлаждения можно получить перегрев. Например, некоторые пасты обретают свои замечательные свойства после довольно длительного процесса. Мне показались наиболее интересными эти два
источника: http://www.electrosad.ru/Ohlajd/Ti.htm и http://www.power-e.ru/2005_03_96.php
Фото 1
Процессор, радиатор снят, видны остатки термопасты
Фото 2
Тепловые трубы соединяют ребра радиатора и площадку для установки тиристор; тепловой контакт обеспечивает запрессовка
Фото 3
Транзисторы на радиаторе, видны изолирующие прокладки (слюда) и термопаста
Фото 4
Диоды на радиаторе, под правым изолирующая прокладка, под левым - термопаста. Правому хуже.
Фото 5
Диоды, рифление на корпусе предназначено для того, чтобы ребрышки врезались в материал радиатора, обеспечивая тепловой контакт
Фото 6
Транзисторы. Конус на корпусе - для обеспечения лучшего прилегания к радиатору
