Дослідження проникності металоволокнистих капілярних структур теплових труб для охолодження електроніки
The paper presents the experimental results on the permeability of metal felt capillary-porous structures with a fiber diameter of 10—50 μm at porosity values from 57% to 90% when the fluid filtration occurs along the felt plane. It is determined that the permeability depends on the geometric parame...
Gespeichert in:
| Datum: | 2020 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers
2020
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2020.3-4.47 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Technology and design in electronic equipment |
| Завантажити файл: |  |
Institution
Technology and design in electronic equipment| _version_ | 1869381608865267712 |
|---|---|
| author | Kravets, Vladimir Melnyk, Roman Chervoniuk, Andrii Shevel, Ievgen |
| author_facet | Kravets, Vladimir Melnyk, Roman Chervoniuk, Andrii Shevel, Ievgen |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Vladimir Kravets",
"institution": "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Kyiv, Ukraine"
},
{
"author": "Roman Melnyk",
"institution": "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Kyiv, Ukraine"
},
{
"author": "Andrii Chervoniuk",
"institution": "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Kyiv, Ukraine"
},
{
"author": "Ievgen Shevel",
"institution": "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Kyiv, Ukraine"
}
] |
| author_sort | Kravets, Vladimir |
| baseUrl_str | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-06-29T12:33:24Z |
| description | The paper presents the experimental results on the permeability of metal felt capillary-porous structures with a fiber diameter of 10—50 μm at porosity values from 57% to 90% when the fluid filtration occurs along the felt plane. It is determined that the permeability depends on the geometric parameters of the capillary structure (fiber diameter), porosity and direction of fluid filtration. In previous permeability studies, no attention was paid to the direction of fluid movement in the capillary structure. It was believed that the metal felt structure is isotropic and the permeability was studied for cross-fiber filtration. In reality, unlike regular capillary structures (powder), metal felt structures are anisotropic and their characteristics depend on the direction of fluid filtration. In heat pipes, the capillary structure fibers are mostly positioned parallel to the axis of the pipe, and thus the fluid moves from the condensation zone to the evaporation zone along the fibers.It was shown that at a porosity of 55—70%, the value of permeability does not depend on the direction of filtration. In the porosity range from 70% to 90%, error can exceed 50%. In this porosity range, the permeability value at cross-fiber filtration significantly exceeds the permeability value at longitudinal filtration.This proves that the calculation relations for determining the permeability coefficients of metal felt capillary-porous structures obtained for cross-fiber filtration cannot be used to calculate heat pipes.Analyzing the results and processing the obtained experimental data allowed proposing an empirical dependence that generalizes the data with an error of up to 20% in the whole range of the studied porosity values.The research results can be used to design heat pipes with maximum heat transfer characteristics for cooling electronics. |
| doi_str_mv | 10.15222/TKEA2020.3-4.47 |
| first_indexed | 2025-09-24T17:30:13Z |
| format | Article |
| fulltext |
Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2020, № 3–4 47ISSN 2309-9992 (Online)
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ
1
УДК 536.248.2
Д. т. н. В. Ю. КРАВЕЦ, Р. С. МЕЛЬНИК, А. А. ЧЕРВОНЮК, к. т. н. Е. В ШЕВЕЛЬ
Украина, Национальный технический университет Украины
«Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского»
E-mail: kravetz_kpi@ukr.net
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОНИЦАЕМОСТИ
МЕТАЛЛОВОЛОКНИСТЫХ КАПИЛЛЯРНЫХ СТРУКТУР
ТЕПЛОВЫХ ТРУБ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ
Современное развитие электронной техники свя-
зано с проблемой снижения их массогабаритных ха-
рактеристик при одновременном увеличении потре-
бляемой мощности, а значит и к повышению темпе-
ратурного уровня работы элементов и устройств в
целом, что способствует снижению их надежности.
Так, если рабочая температура элементов микросхе-
мы на 10°С превышает оптимальную, это может при-
вести к увеличению интенсивности отказов до 30%
в зависимости от компонентного состава элементов
[1]. Поэтому чрезвычайно важной задачей являет-
ся поиск эффективных систем охлаждения, которые
обеспечивали бы поддержание температуры элек-
тронных устройств в заданном диапазоне. К таким
устройствам в настоящее время относятся тепловые
трубы различной конфигурации и размеров [2—5].
Тепловые трубы (ТТ) представляют собой герме-
тичные испарительно-конденсационные устройства,
содержащие на своей внутренней поверхности капил-
лярную структуру, которая и выполняет функции цир-
куляции теплоносителя в процессе передачи тепло-
ты. При этом эквивалентная теплопроводность таких
устройств в зависимости от размеров и применяемого
теплоносителя может достигать 40000 Вт/(м·К), что на
два порядка выше теплопроводности меди. Благодаря
этому ТТ могут передавать большие тепловые пото-
ки при относительно небольших габаритах и массе.
Капиллярная структура (КС) играет важную роль
в тепловых процессах, протекающих в ТТ, посколь-
ку она обеспечивает рециркуляцию рабочей жидко-
сти из зоны охлаждения в зону нагрева для эффек-
тивного функционирования ТТ вне зависимости от
ее ориентации в пространстве [3]. Существует не-
сколько видов капиллярных структур: вставные, кон-
структивные и комбинированные [3—5]. Вставные
Проведено экспериментальное исследование проницаемости металловолокнистых капиллярно-пористых
структур с различным диаметром волокон и различной пористостью при направлении фильтрации теплоно-
сителя вдоль плоскости войлокования. Приведены также расчетные соотношения для определения гидравли-
ческих характеристик капиллярных структур и результаты сравнения расчетных данных и эксперименталь-
ных. Показано, что характеристики металловолокнистых капиллярных структур тепловых труб зависят от
направления движения теплоносителя.
Ключевые слова: тепловая труба, проницаемость, капиллярно-пористая структура, пористость, диаметр волокна.
КС изготовляются из капиллярно-пористых матери-
алов. В тепловых трубах используются, как прави-
ло, сетки, порошковые и волокнистые материалы.
Конструктивные капиллярные структуры — это си-
стема пазов, вырезанных на внутренней поверхно-
сти корпуса ТТ. В комбинированных КС на внутрен-
ней поверхности корпуса кроме собственно капил-
лярной структуры также имеются артерии, предна-
значенные только для транспорта теплоносителя [3].
Одним из видов КС являются металловолокни-
стые. Авторами [3] было установлено, что исполь-
зование пористых металловолокнистых материалов
позволяет разрабатывать такие конструкции тепло-
вых труб, характеристики которых приближаются к
потенциальным возможностям этих теплопередаю-
щих устройств. Одним из основных параметров ка-
пиллярной структуры, влияющих на теплопередаю-
щие характеристики ТТ, является проницаемость, ко-
торая характеризует способность КС пропускать че-
рез себя жидкость.
Изготовление металловолокнистой капиллярно-
пористой структуры (МВКС) происходит с помощью
войлокования на плоской поверхности с последую-
щим спеканием в печи при температуре, близкой к
плавлению металла волокна. Волокна капиллярной
структуры в ТТ располагаются в основном парал-
лельно оси трубы и совпадают с направлением дви-
жения теплоносителя.
Проницаемость и капиллярные свойства МВКС
зависят от ее структурных параметров, физиче-
ских свойств жидкости и поверхностных явлений
на границе раздела «волокно — теплоноситель».
Проницаемость является одной из важных транспорт-
ных характеристик КС, однако корректное ее модели-
рование, как и других характеристик таких структур,
DOI: 10.15222/TKEA2020.3-4.47
Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2020, № 3–448 ISSN 2309-9992 (Online)
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ
2
вызывает немалые затруднения, поскольку изготовле-
ние таких структур из монодисперсных дискретных
частиц (волокон) является весьма сложным и мно-
гофакторным процессом. Кроме того, МВКС анизо-
тропны по своей природе, что прежде всего прояв-
ляется в возможности фильтрации теплоносителя в
направлении вдоль волокон и поперек них (рис. 1).
В общем случае направление движения жидко-
сти в изотропных капиллярных структурах не влия-
ет на процесс фильтрации, а коэффициент проница-
емости можно определить по закону Дарси [3], ко-
торый описывает фильтрацию ньютоновских жид-
костей сквозь пористую среду. Область примене-
ния этого закона ограничивается малыми скоростя-
ми фильтрации, ко гда число Рейнольдса меньше или
близко к единице. При этом наблюдается линейная
зависимость между градиентом давления и скоро-
стью фильтрации.
В ТТ движение теплоносителя из зоны конденса-
ции в зону нагрева при отсутствии сил гравитации
обеспечивается за счет капиллярных сил, а скорость
описывается выражением
ж
кс
,
ρ П
QW
r F
(1)
где Q — передаваемый тепловой поток;
r, ρ′ — теплота парообразования и плотность жидкости
соответственно;
Fкс — поперечное сечение капиллярной структуры
в тепловой трубе;
П — пористость (отношение объема пор к объему
всей капиллярной структуры).
Ориентировочный расчет скорости движения
теплоносителя в тепловой трубе (т. е. в услови-
ях высоких значений пористости и больших те-
пловых потоков) показывает, что значение Wж мо-
жет достигать 10∙10–3 м/с. При этом значение чис-
ла Рейнольдса намного больше единицы, и режим
течения может переходить из ламинарного в турбу-
лентный. Очевидно, что в таком случае зависимость
между градиентом давления и скоростью фильтра-
ции нелинейна, а применимость закона Дарси ока-
зывается под вопросом.
Анализ литературы показывает, что большинство
исследований МВКС были проведены при движе-
нии жидкости поперек волокон [3—9]. Данных же
по проницаемости МВКС в условиях, близких к дви-
жению теплоносителей в ТТ [10, 11], недостаточно
для их использования при проектировании и созда-
нии тепловых труб с повышенными теплопередаю-
щими свойствами. При этом нет однозначного отве-
та на вопрос о корректности применения зависимо-
стей, полученных при движении теплоносителя по-
перек волокон, для расчета проницаемости при его
движении вдоль волокон.
Настоящее исследование посвящено эксперимен-
тальному определению влияния пористости и диа-
метра волокон металловолокнистых капиллярных
структур тепловых труб, применяемых для охлажде-
ния электронных устройств, на коэффициент прони-
цаемости при фильтрации теплоносителя вдоль пло-
скости войлокования.
Образцы для исследований и методика
проведения эксперимента
Для экспериментальных исследований использо-
вались образцы капиллярных структур, выполненных
из медных волокон диаметром от 10 до 50 мкм длиной
3 мм, при значении пористости 50—90%. Образцы
имели вид диска цилиндрической формы диаметром
25 мм толщиной 1,7±0,3 мм. Для того чтобы получить
условия смачиваемости капиллярной структуры ана-
логичные условиям в тепловой трубе, перед началом
эксперимента проводили окисление образца — вы-
держивали его в воздушной среде в течение 1 часа
при температуре 300°С, а затем оставляли охлаждать-
ся до комнатной температуры [3].
В качестве рабочей жидкости использовался 96%-й
раствор этилового спирта.
Схема установки для исследования проницаемо-
сти капиллярной структуры вдоль плоскости войло-
кования приведена на рис. 2. Она состоит из опытно-
го образца 1, обоймы с нижним 2 и верхним 3 флан-
цами и крепежными болтами 4. Фланец 3 соединя-
ется с напорным цилиндром 5, внутренним диаме-
тром 6 мм, уровень жидкости в котором задается с
помощью сливной трубки 6. Обойма и цилиндр раз-
Рис. 1. Направление движения теплоносителя поперек (а)
и вдоль (б) плоскости войлокования МВКС
а)
б)
Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2020, № 3–4 49ISSN 2309-9992 (Online)
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ
3
мещаются в сосуде 7, уровень жидкости в котором
поддерживается постоянным с помощью патрубка 8.
Величина H перепада уровней жидкости в сосуде 7
и в цилиндре 5 измеряется с помощью мерной шка-
лы 9. Жидкость поступает в цилиндр 5 из резервуа-
ра 10 через регулирующий вентиль 11 и далее через
патрубок 8 в измерительную емкость 12.
Для определения проницаемости МВКС необхо-
димо измерить расход жидкости и перепад давления
в системе. Для этого резервуар 10 заполняется жид-
костью при закрытом положении вентиля 11. Также
заполняется сосуд 7 — до уровня, при котором из
патрубка 8 начинает вытекать жидкость. При этом
поры капиллярной структуры полностью насыща-
ются жидкостью. После открытия вентиля 11 жид-
кость из резервуара 10 начинает перетекать в ци-
линдр 5 и далее вытекать из патрубка 8. Поскольку
расход жидкости из резервуара 10 выше, чем расход
из патрубка 8, в цилиндре 5 поддерживается посто-
янный уровень жидкости. При этом установивший-
ся режим наступает тогда, когда из трубки 6 начина-
ет вытекать жидкость.
Измерения проводились следующим образом.
При фиксированном перепаде давления (уровне
жидкости H) в установившемся режиме с помощью
секундомера и мерной емкости 12 определялся рас-
ход жидкости. Значение H менялось пошагово в ди-
апазоне от 13 до 140 мм (на каждом шаге выполня-
лось не менее трех измерений, а для расчета исполь-
зовалось среднеарифметическое значение).
Коэффициент проницаемости определялся из пре-
образованного уравнения Дарси
oν ln /
,
2π δ
l iG r r
K k
gH
(2)
где ν — кинематическая вязкость жидкости при темпе-
ратуре проведения исследований;
Gi — объемный расход жидкости;
H — высота столба жидкости;
rо, ri — радиусы исследуемого образца и трубки, пода-
ющей жидкость, соответственно;
δ — толщина образца;
g — ускорение свободного падения.
Коэффициент k, входящий в эту формулу, позво-
ляет учитывать двухмерность течения жидкости.
В исследованиях [3, 6, 7] было показано, что режим
течения теплоносителя в капиллярной структуре яв-
ляется ламинарным, поэтому было принято k = 1.
Погрешность определения коэффициента прони-
цаемости не превышала 8%.
Результаты исследований и их обсуждение
Сравнение результатов экспериментов, проведен-
ных при фильтрации жидкости вдоль плоскости вой-
локования, с результатами, полученными в [3, 7] при
движении жидкости поперек нее, показали, что за-
коны изменения коэффициента проницаемости в за-
висимости от пористости носят аналогичный харак-
тер. Касательно количественных характеристик, было
установлено, что при пористости П ≤ 65% направле-
ние фильтрации практически не влияет на проница-
емость, в отличие от области значений П > 65%, где
это влияние становится значительным. Это, очевид-
но, можно объяснить тем, что при малых значени-
ях пористости диаметр пор в продольном направле-
нии практически такой же, как и в вертикальном, но
при ее увеличении картина меняется, и тогда начи-
нает проявляться анизотропия свойств капиллярной
структуры, которая становится максимальной при
предельных значениях пористости Ппр.
Исследования МВКС с волокнами различного ди-
аметра показали, что при уменьшении dв степень вли-
яния направления фильтрации на коэффициент про-
ницаемости снижается, однако значения K при дви-
жении жидкости вдоль плоскости войлокования все
равно остаются ниже, чем при движении поперек.
В [3, 7, 12] были получены зависимости для рас-
чета коэффициента проницаемости при фильтрации
жидкости поперек плоскости войлокования, опи-
сывающие экспериментальные данные с разбросом
± 20%. Как было показано выше, в случае фильтра-
ции жидкости вдоль волокон их можно использовать
для расчетов при значениях пористости менее 65%,
поскольку в диапазоне изменения П от 65% до Ппр
Рис. 2. Схема экспериментальной установки по определе-
нию проницаемости МВКС вдоль волокон:
1 — экспериментальный образец; 2, 3 — фланцы; 4 — кре-
пежный болт; 5 — напорный цилиндр; 6 — сливная труб-
ка; 7 — прозрачный сосуд с постоянным уровнем жидкости;
8 — сливной патрубок; 9 — мерная шкала; 10 — резервуар;
11 — вентиль 12 — мензурка
7 1
9
H
r1 rо
11
6
10
5
2
3 4 8 12
Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2020, № 3–450 ISSN 2309-9992 (Online)
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ
4
расхождение результатов расчета и эксперименталь-
ных данных может составлять до 50%.
В настоящей работе в результате анализа экспе-
риментальных данных по фильтрации вдоль плоско-
сти войлокования во всем исследованном диапазо-
не пористости была получена следующая эмпири-
ческая зависимость:
2,75 3 0,22
в в0,4 exp 8,4 10 ПK d d , (3)
где П — пористость в отн. ед.;
dв — диаметр волокон в мкм.
Как показал анализ рис. 3, расхождение экспе-
риментальных данных и результатов расчета по за-
висимости (3) не превышает ± 10% в диапазоне П =
55 — 80% и ± 20% в диапазоне изменения П от 80%
до предельно возможного значения Ппр.
На рис. 3 приведены также экспериментальные
данные для dв = 12 мкм из [9], где исследование про-
ницаемости проводилось при фильтрации поперек
плоскости войлокования. Их сравнение с результа-
тами, полученными в настоящей работе при близком
значении dв = 10 мкм, подтверждает описанные выше
закономерности: до значений пористости приблизи-
тельно 75% наблюдается удовлетворительное совпа-
дение данных, а при пористости 80% расхождение
уже превышает 100%.
Заключение
Таким образом, проведенные исследования пока-
зали, что зависимость проницаемости от пористости
капиллярной структуры при фильтрации жидкости
поперек волокон носит практически такой же хара-
ктер, как и при фильтрации вдоль. Количественные
показатели также идентичны в области значений по-
ристости от 55 до 65%, однако при высокой пористо-
сти различия уже весьма существенны — отличие мо-
жет составлять до 50%.
В результате анализа экспериментальных дан-
ных была получена эмпирическая зависимость, по-
зволяющая рассчитать значения коэффициента про-
ницаемости для условий, характерных для работы
тепловых труб.
С учетом полученных данных по жидкостной про-
ницаемости капиллярных структур вдоль плоскости
войлокования могут быть созданы тепловые трубы с
максимальными теплопередающими характеристика-
ми для охлаждения электронной техники.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ
1. Федасюк Д.В. Методи та засоби теплового проекту-
вання мікроелектронних пристроїв. Львів, Вид-во Держ. ун-ту
“Львівська політехніка”, 1999, 228 с.
2. Jo H. S., An S., Nguyen X. H. et al. Modifying capillary pressure
and boiling regime of micro-porous wicks textured with graphene
oxide. Applied Thermal Engineering, 2018, № 128, р. 1605–1610.
https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.09.103
3. Семена М.Г., Гершуни А.Н., Зарипов В.К. Тепловые трубы с
металловолокнистыми капиллярными структурами. Киев, Вища
школа. Головное изд-во, 1984, 215 с.
4. Косторнов А. Г., Шаповал А. А., Мороз А. Л. и др. Тепловые
трубы с капиллярными структурами на основе композиционных
градиентных материалов для теплообменных систем космичес-
кого и авиационного назначения. Космічна наука і технологія,
2009, т. 15, № 2, c. 69–79. https://doi.org/10.15407/knit2009.02.069
5. Reay D.A., Kew P.A., McGlen R.J. Heat pipes: theory, design
and applications. Elsevier, 2014, 251 p.
6. Andraka Ch. E., Moss T. A., Baturkin V. et al. High performance
felt-metal-wick heat pipe for solar receivers. AIP Conference
Proceedings, 2016. http://dx.doi.org/10.1063/1.4949054.
7. Гершуни А.Н., Нищик А.П. Гидродинамические характе-
ристики металлических пористых тонковолокнистых материа-
лов для систем охлаждения электронной аппаратуры. Труды XVIII
Междунар. науч.-практ. конф. “Современные информационные
и электронные технологии”. Украина, Одесса, 2017, с. 39–41.
8. Marcus B. D. Theory and design of variable conductance heat
pipes, NASA Technical Reports Server (NTRS), 1972, 238 p.
9. De Kerpel K., De Schampheleire S., Steuperaert H. et al.
Experimental study of the effect of felt wick porosity on capillary-
driven heat pipes. Applied Thermal Engineering, 2016, vol. 96, pp.
690–698. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2015.11.070
10. Шевель Е.В, Мельник Р.С. Исследование проницаемос-
ти металловолокнистых капиллярно-пористых структур вдоль
плоскости войлокования. Энерготехнологии и ресурсосбереже-
ние, 2015, № 1, с. 33–36. https://doi.org/10.33070/etars.1.2015.04
11. Батуркин В.М., Зарипов В.К., Кравец В.Ю. и др. Исследование
структурных и механических свойств металловойлочных фити-
лей, предназначенных для высокотемпературных тепловых труб
— солнечных ресиверов. Энергетика, № 2, 2002, с. 41–46.
12. Некрашевич Я.В. Теплопередавальні характеристи-
ки мініатюрних теплових труб з металоволокневою капіляр-
ною структурою. Дис. … канд. техн. наук, НТУУ «КПІ ім. Ігоря
Сікорського», 2014, с. 148.
Дата поступления рукописи
в редакцию 27.02 2020 г.
Рис. 3. Зависимости коэффициента проницаемости от по-
ристости, полученные экспериментально и в результате
расчета по формуле (3) для МВКС с различным диаме-
тром волокон при фильтрации жидкости вдоль плоско-
сти войлокования
К, 10–10 м2
5
4
3
2
1
0
55 65 75 85 П, %
Расчет
50 мкм
30 мкм
20 мкм
10 мкм
12 мкм [9]
Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2020, № 3–4 51ISSN 2309-9992 (Online)
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ
5
V. Y. KRAVETS, R. S. MELNYK,
A. A. CHERVONIUK, Ye. V. SHEVEL
Ukraine, Kyiv, National Technical University of Ukraine
“Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”
E-mail: kravetz_kpi@ukr.net
INVESTIGATING PERMEABILITY
OF METAL FELT CAPILLARY STRUCTURES
OF HEAT PIPES FOR COOLING ELECTRONICS
The paper presents the experimental results on the permeability of metal felt capillary-porous structures with a fiber diameter
of 10—50 μm at porosity values from 57% to 90% when the fluid filtration occurs along the felt plane. It is determined that the
permeability depends on the geometric parameters of the capillary structure (fiber diameter), porosity and direction of fluid
filtration. In previous permeability studies, no attention was paid to the direction of fluid movement in the capillary structure.
It was believed that the metal felt structure is isotropic and the permeability was studied for cross-fiber filtration. In reality,
unlike regular capillary structures (powder), metal felt structures are anisotropic and their characteristics depend on the
direction of fluid filtration. In heat pipes, the capillary structure fibers are mostly positioned parallel to the axis of the pipe,
and thus the fluid moves from the condensation zone to the evaporation zone along the fibers.
It was shown that at a porosity of 55—70%, the value of permeability does not depend on the direction of filtration. In the
porosity range from 70% to 90%, error can exceed 50%. In this porosity range, the permeability value at cross-fiber filtration
significantly exceeds the permeability value at longitudinal filtration.
This proves that the calculation relations for determining the permeability coefficients of metal felt capillary-porous structures
obtained for cross-fiber filtration cannot be used to calculate heat pipes.
Analyzing the results and processing the obtained experimental data allowed proposing an empirical dependence that
generalizes the data with an error of up to 20% in the whole range of the studied porosity values.
The research results can be used to design heat pipes with maximum heat transfer characteristics for cooling electronics.
Key words: heat pipe, permeability, capillary-porous structure, porosity, fiber diameter.
DOI: 10.15222/TKEA2020.3-4.47
UDC 536.248.2
REFERENCES
1. Fedasyuk D.V. Metody ta zasoby teplovoho proektuvannya
mikroelektronnykh prystroyiv [Methods and means of thermal design
of microelectronic devices]. Ukraine, Lviv, Publisher House of Lviv
Polytechnic National University, 1999, 228 р. (Ukr)
2. Jo H. S., An S., Nguyen X. H., Kim Y., Bang B. H., James S. C.,
Choi J., Yoon S. S. Modifying capillary pressure and boiling regime of
micro-porous wicks textured with graphene oxide. Applied Thermal
Engineering, 2018, no. 128, р. 1605–1610. https://doi.org/10.1016/j.
applthermaleng.2017.09.103
3. Semena M.G., Gershuni A.N., Zaripov V.K. Teplovyye truby
s metallovoloknistymi kapillyarnymi strukturami [Heat pipes with
metal fiber capillary structures]. Ukraine, Kiev, Vyshcha Shkola,
1984, 215 p. (Rus)
4. Kostornov A. G., Shapoval A. A., Moroz A. L. et al. Heat pipes
with capillary structures on the basis of composite gradient materials
for space and aviation heat systems engineering. Space Science and
Technology, 2009, vol. 15, no. 2, pp. 69–79. https://doi.org/10.15407/
knit2009.02.069 (Rus)
5. Reay D.A., Kew P.A., McGlen R.J. Heat pipes: theory, design
and applications. Elsevier, 2014, 251 p.
6. Andraka Ch. E., Moss T. A., Baturkin V. et al. High perfor-
mance felt-metal-wick heat pipe for solar receivers. AIP Conference
Proceedings, 2016. http://dx.doi.org/10.1063/1.4949054.
7. Gerchuni A. N., Nishchik A. P. Hydrodynamic characteristic
sof metal porousthin fibrous materials for cooling systems of electronic
equip ment. Proc. of the XVIII Int. Sci. and Pract. Conf. “Modern Informa-
tion and Electronic Technologies”. Ukraine, Odessa, 2017, pp. 39–41.
8. Marcus B. D. Theory and design of variable conductance heat
pipes, NASA Technical Reports Server (NTRS), 1972, 238 p.
9. De Kerpel K., De Schampheleire S., Steuperaert H. et al.
Experimental study of the effect of felt wick porosity on capillary-
driven heat pipes. Applied Thermal Engineering, 2016, vol. 96,
pp. 690–698. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2015.11.070
10. Shevel E.V., Melnyk R.S. Research of Metal Fibrous Capillary
Porous Structures Permeability along Felting Surface. Energy
Technologies and Resource Saving, 2015, № 1, pp. 33–36. https://doi.
org/10.33070/etars.1.2015.04 (Rus)
11. Baturkin V.M., Zaripov V.K., Kravets V.Yu. et al. [Investigation
of the structural and mechanical properties of metal wicks designed
for high-temperature heat pipes — solar receivers]. Energetic, 2002,
no. 2, pp. 41–46. (Rus)
12. Nekrashevych Ya.V. Teploperedavalʹni kharakterystyky min-
iatyurnykh teplovykh trub z metalovoloknevoyu kapilyarnoyu struk-
turoyu. Dysertatsiya ... kand. tekhn. nauk [Heat transfer characteristics
of miniature heat pipes with a metal-fiber capillary structure. Pd. tech.
sci. diss.] National Technical University of Ukraine“Igor Sikorsky
Kyiv Polytechnic Institute”, 2014, 148 р. (Ukr)
Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2020, № 3–452 ISSN 2309-9992 (Online)
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ
6
В. Ю. КРАВЕЦЬ, Р. С. МЕЛЬНИК, А. А. ЧЕРВОНЮК, Є. В. ШЕВЕЛЬ
Україна, м. Київ, Національний технічний університет України
«Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»
E-mail: kravetz_kpi@ukr.net
ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОНИКНОСТІ МЕТАЛОВОЛОКНИСТИХ КАПІЛЯРНИХ СТРУКТУР
ТЕПЛОВИХ ТРУБ ДЛЯ ОХОЛОДЖЕННЯ ЕЛЕКТРОНІКИ
Наведено результати експериментального дослідження проникності пористих металоволокнистих капілярних
структур (МВКС) з діаметром волокон 10 — 50 мкм і пористістю 57 — 90% за умов фільтрації рідини вздовж пло-
щини войлокування. Встановлено, що проникність залежить від геометричних параметрів МВКС (діаметра воло-
кон), пористості та напрямку фільтрації рідини. При цьому у попередніх дослідженнях проникності в основному не
звертали уваги на напрям руху рідини в капілярній структурі, оскільки вважалося, що металоволокниста структу-
ра є ізотропною, і дослідження проникності проводилося при фільтрації поперек волокон. Реально ж, на відміну від
регулярних капілярних структур (порошкових), металоволокнисті структури є анізотропічними, тобто їхні харак-
теристики залежать від напрямку фільтрації рідини. В теплових трубах волокна МВКС розташовуються переваж-
но паралельно вісі труби, тому рух рідини від зони конденсації до зони випаровування відбувається вздовж волокон.
Було встановлено, що при пористості від 55 до приблизно 70% проникність не залежить від напрямку фільтрації, а
вже в області пористості від 70% до граничних значень похибка може досягати 50%. У цьому діапазоні пористості
проникність при фільтрації рідини поперек волокон значно вище, ніж при фільтрації вздовж волокон. З цієї причи-
ни очевидно, що відомі розрахункові співвідношення для визначення коефіцієнтів проникності МВКС, отримані при
фільтрації рідини поперек волокон, не можуть бути застосовані для розрахунків теплових труб. За результатами
аналізу і обробки отриманих експериментальних даних запропоновано емпіричну залежність, яка узагальнює їх з по-
хибкою до 20% у всьому діапазоні досліджуваних значень пористості.
Результати проведених досліджень можуть бути використані для проектування теплових труб з максимальними
теплопередавальними характеристиками для охолодження електронної техніки.
Ключеві слова: теплова труба, проникність, капілярно-пориста структура, пористість, діаметр волокна.
DOI: 10.15222/TKEA2020.3-4.47
УДК 536.248.2
Опис статті для цитування:
Кравец В. Ю., Мельник Р. С., Червонюк А. А., Шевель Є. В.
Исследование проницаемости металловолокнистых капил-
лярных структур тепловых труб для охлаждения электрони-
ки. Техно логия и конструи рование в электронной аппарату-
ре, 2020, № 3–4, с. 47–52. http://dx.doi.org/10.15222/TKEA2020.
3-4.47
Cite the article as:
Kravets V. Y., Melnyk R. S., Chervoniuk A. A., Shevel Ye. V.
Investigating permeability of metal felt capillary structures of heat
pipes for cooling electronics. Tekhnologiya i Konstruirovanie v
Elektronnoi Apparature, 2020, no. 3–4, pp. 47–52. http://dx.doi.
org/10.15222/TKEA2020.3-4.47.
Р Е Ц Е Н З Е Н Т И Н О М Е РА
Должиков Володимир Васильович, докт. фіз.-мат. наук, зав. кафедрою, Харківський
національний університет радіоелектроніки
Дружинін Анатолій Олександрович, докт. техн. наук, професор, Національний університет
«Львівська політехніка»
Єрохов Валерій Юрійович, докт. техн. наук, професор, Національний університет «Львівська
політехніка»
Кондратенко Сергій Віторович, докт. фіз.-мат. наук, професор, Київський національний
університет імені Тараса Шевченка
Ніколаєнко Юрій Єгорович, докт. техн. наук, провідний науковий співробітник, Національний
технічний університет України «Київський полі технічний інститут імени Ігоря
Сикорського»
Нищик Олександр Павлович, канд. техн. наук, старший наук. співробітник, Національний
технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря
Сікорського»
Поплавко Юрій Михайлович, докт. фіз.-мат. наук, професор, Національний технічний
університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»
Садченко Андрій Валерійович, канд. техн. наук, доцент, Одеський національний політехнічний
університет
Трофімов Володимир Євгенович, канд. техн. наук, доцент, Одеський національний політехнічний
університет
|
| id | oai:tkea.com.ua:article-106 |
| institution | Technology and design in electronic equipment |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-06-30T01:00:27Z |
| publishDate | 2020 |
| publisher | PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | wwwtkeacomua/d9/fdde0946dce21bb4958b56236e32ccd9.pdf |
| spelling | oai:tkea.com.ua:article-1062026-06-29T12:33:24Z Investigating permeability of metal felt capillary structures of heat pipes for cooling electronics Дослідження проникності металоволокнистих капілярних структур теплових труб для охолодження електроніки Kravets, Vladimir Melnyk, Roman Chervoniuk, Andrii Shevel, Ievgen heat pipe permeability capillary-porous structure porosity fiber diameter теплова труба проникність капілярно-пориста структура пористість діаметр волокна The paper presents the experimental results on the permeability of metal felt capillary-porous structures with a fiber diameter of 10—50 μm at porosity values from 57% to 90% when the fluid filtration occurs along the felt plane. It is determined that the permeability depends on the geometric parameters of the capillary structure (fiber diameter), porosity and direction of fluid filtration. In previous permeability studies, no attention was paid to the direction of fluid movement in the capillary structure. It was believed that the metal felt structure is isotropic and the permeability was studied for cross-fiber filtration. In reality, unlike regular capillary structures (powder), metal felt structures are anisotropic and their characteristics depend on the direction of fluid filtration. In heat pipes, the capillary structure fibers are mostly positioned parallel to the axis of the pipe, and thus the fluid moves from the condensation zone to the evaporation zone along the fibers.It was shown that at a porosity of 55—70%, the value of permeability does not depend on the direction of filtration. In the porosity range from 70% to 90%, error can exceed 50%. In this porosity range, the permeability value at cross-fiber filtration significantly exceeds the permeability value at longitudinal filtration.This proves that the calculation relations for determining the permeability coefficients of metal felt capillary-porous structures obtained for cross-fiber filtration cannot be used to calculate heat pipes.Analyzing the results and processing the obtained experimental data allowed proposing an empirical dependence that generalizes the data with an error of up to 20% in the whole range of the studied porosity values.The research results can be used to design heat pipes with maximum heat transfer characteristics for cooling electronics. Наведено результати експериментального дослідження проникності пористих металоволокнистих капілярних структур (МВКС) з діаметром волокон 10 — 50 мкм і пористістю 57 — 90% за умов фільтрації рідини вздовж площини войлокування. Встановлено, що проникність залежить від геометричних параметрів МВКС (діаметра волокон), пористості та напрямку фільтрації рідини. При цьому у попередніх дослідженнях проникності в основному не звертали уваги на напрям руху рідини в капілярній структурі, оскільки вважалося, що металоволокниста структура є ізотропною, і дослідження проникності проводилося при фільтрації поперек волокон. Реально ж, на відміну від регулярних капілярних структур (порошкових), металоволокнисті структури є анізотропічними, тобто їхні характеристики залежать від напрямку фільтрації рідини. В теплових трубах волокна МВКС розташовуються переважно паралельно вісі труби, тому рух рідини від зони конденсації до зони випаровування відбувається вздовж волокон.Було встановлено, що при пористості від 55 до приблизно 70% проникність не залежить від напрямку фільтрації, а вже в області пористості від 70% до граничних значень похибка може досягати 50%. У цьому діапазоні пористості проникність при фільтрації рідини поперек волокон значно вище, ніж при фільтрації вздовж волокон. З цієї причини очевидно, що відомі розрахункові співвідношення для визначення коефіцієнтів проникності МВКС, отримані при фільтрації рідини поперек волокон, не можуть бути застосовані для розрахунків теплових труб. За результатами аналізу і обробки отриманих експериментальних даних запропоновано емпіричну залежність, яка узагальнює їх з похибкою до 20% у всьому діапазоні досліджуваних значень пористості.Результати проведених досліджень можуть бути використані для проектування теплових труб з максимальними теплопередавальними характеристиками для охолодження електронної техніки. PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers 2020-08-27 Article Article Peer-reviewed Article application/pdf https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2020.3-4.47 10.15222/TKEA2020.3-4.47 Technology and design in electronic equipment; No. 3–4 (2020): Tekhnologiya i konstruirovanie v elektronnoi apparature; 47-52 Технологія та конструювання в електронній апаратурі; № 3–4 (2020): Технология и конструирование в электронной аппаратуре; 47-52 3083-6549 3083-6530 10.15222/TKEA2020.3-4 uk https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2020.3-4.47/96 Copyright (c) 2020 Kravets V. Y., Melnyk R. S., Chervoniuk A. A., Shevel Ye. V. http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ |
| spellingShingle | теплова труба проникність капілярно-пориста структура пористість діаметр волокна Kravets, Vladimir Melnyk, Roman Chervoniuk, Andrii Shevel, Ievgen Дослідження проникності металоволокнистих капілярних структур теплових труб для охолодження електроніки |
| title | Дослідження проникності металоволокнистих капілярних структур теплових труб для охолодження електроніки |
| title_alt | Investigating permeability of metal felt capillary structures of heat pipes for cooling electronics |
| title_full | Дослідження проникності металоволокнистих капілярних структур теплових труб для охолодження електроніки |
| title_fullStr | Дослідження проникності металоволокнистих капілярних структур теплових труб для охолодження електроніки |
| title_full_unstemmed | Дослідження проникності металоволокнистих капілярних структур теплових труб для охолодження електроніки |
| title_short | Дослідження проникності металоволокнистих капілярних структур теплових труб для охолодження електроніки |
| title_sort | дослідження проникності металоволокнистих капілярних структур теплових труб для охолодження електроніки |
| topic | теплова труба проникність капілярно-пориста структура пористість діаметр волокна |
| topic_facet | heat pipe permeability capillary-porous structure porosity fiber diameter теплова труба проникність капілярно-пориста структура пористість діаметр волокна |
| url | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2020.3-4.47 |
| work_keys_str_mv | AT kravetsvladimir investigatingpermeabilityofmetalfeltcapillarystructuresofheatpipesforcoolingelectronics AT melnykroman investigatingpermeabilityofmetalfeltcapillarystructuresofheatpipesforcoolingelectronics AT chervoniukandrii investigatingpermeabilityofmetalfeltcapillarystructuresofheatpipesforcoolingelectronics AT shevelievgen investigatingpermeabilityofmetalfeltcapillarystructuresofheatpipesforcoolingelectronics AT kravetsvladimir doslídžennâproniknostímetalovoloknistihkapílârnihstrukturteplovihtrubdlâoholodžennâelektroníki AT melnykroman doslídžennâproniknostímetalovoloknistihkapílârnihstrukturteplovihtrubdlâoholodžennâelektroníki AT chervoniukandrii doslídžennâproniknostímetalovoloknistihkapílârnihstrukturteplovihtrubdlâoholodžennâelektroníki AT shevelievgen doslídžennâproniknostímetalovoloknistihkapílârnihstrukturteplovihtrubdlâoholodžennâelektroníki |