КОНТУРНАЯ ТЕПЛОВАЯ ТРУБА Российский патент 1997 года по МПК F28D15/02 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в системах охлаждения тепловыделяющих приборов.

Известны артериальные тепловые трубы или тепловые трубы с гомогенным фитилем (ТТ) /1/, /2/, содержащие корпус с капиллярной структурой и имеющие зоны испарения, транспорта и конденсации. Характерной особенностью таких устройств является их способность принимать и/или отдавать тепло в любом месте по своей длине, а также принимать и/или отдавать тепло в нескольких местах одновременно.

Однако возможности таких тепловых труб ограничены величиной передаваемой тепловой нагрузки и расстоянием тепломассопереноса.

Наиболее близкой по технической сущности является контурная тепловая труба (КТТ) /3/, содержащая соединенные паро- и конденсатопроводом конденсатор и по меньшей мере один испаритель, снабженный капиллярно-пористой насадкой (КПН) с пароотводными каналами и с одним или несколькими питающими каналами и размещенную со стороны конденсатопровода компенсационную полость.

По отношению к тепловым трубам, описанным в /1/ и /2/, КТТ передает существенно большие тепловые нагрузки и на большие расстояния, а также открывает дополнительные возможности:
работы в диодном режиме;
регулирования температуры (активного с обратной связью, а также саморегулирования);
изменения положения транспортных каналов в процессе работы КТТ;
работы в условиях гравитации с существенным превышением испарителя (испарителей) над конденсатором и др.

Несмотря на многочисленные достоинства, КТТ имеет и некоторые недостатки. Это связано, в частности, с тем, что подвод тепла в КТТ должен осуществляться к испарителю в месте контакта его корпуса с капиллярно-пористой насадкой. Если с помощью КТТ необходимо отвести тепло от некоторого протяженного объекта или от группы удаленных друг от друга локальных объектов, возникает необходимость в увеличении длины испарителя и/или в использовании нескольких параллельно соединенных испарителей. Практика показывает, что в обоих случаях возникают проблемы, связанные с организацией надежной подпитки питающих каналов жидким теплоносителем и удалением из них паровых пузырей, образующихся под воздействием проникающего через стенку КПН теплового потока. Парообразование в питающем канале КПН часто приводит к осушению соответствующего испарителя и прекращению передачи тепла до тех пор, пока к испарителям КТТ на некоторое время не будет полностью прекращен теплоотвод.

Изобретение направлено на решение следующих задач:
обеспечение надежной подпитки питающих каналов капиллярно-пористой насадки испарителя (испарителей) жидким теплоносителем;
обеспечение гарантированного удаления паровых пузырей, образующихся в питающих каналах КПН под воздействием проникающего через стенку КПН теплового потока;
обеспечение надежной работы КТТ, содержащей более одного испарителя и/или имеющей удлиненный испаритель (испарители).

Указанные задачи решаются следующим путем. В контурной тепловой трубе, содержащей соединенные паро- и конденсатопроводом конденсатор и по меньшей мере один испаритель, снабженный капиллярно-пористой насадкой с пароотводными каналами и с одним или несколькими питающими каналами и размещенную со стороны конденсатопровода компенсационную полость новым является то, что контурная тепловая труба снабжена вспомогательной капиллярной структурой (ВКС), расположенной внутри питающих каналов капиллярно-пористой насадки и компенсационной полости и соединяющей питающие каналы с компенсационной полостью, причем незаполненные вспомогательной капиллярной структурой пространства питающих каналов и компенсационной полости образуют связанный объем.

Кроме того, вспомогательная капиллярная структура может быть выполнена из проволочной сетки, при этом сетка ВКС может быть выполнена гофрированной.

ВКС может состоять из артерии и раздающей капиллярной структуры, причем артерия может быть выполнена из проволочной сетки, а раздающая капиллярная структура выполнена в виде резьбовых канавок, нарезанных на стенках питающих каналов и стенках компенсационной полости. Артерия может быть выполнена также в виде продольных пазов в стенках питающих каналов, а раздающая капиллярная структура из проволочной сетки, прижатой к стенкам питающих каналов и к стенкам компенсационной полости с помощью пружинных вставок.

В питающий канал каждого испарителя может быть вставлена открытая с двух концов трубка так, чтобы один из концов трубки был выведен в компенсационную полость.

В нескольких местах по длине испарителя могут быть выполнены отводы для пара, а в месте каждого отвода пара должен иметься поперечный паровый коллектор, выполненный на поверхности капиллярно-пористой насадки или в корпусе испарителя и соединяющий между собой пароотводные каналы.

При использовании изобретения достигается следующий технический результат. Благодаря гидравлическому капиллярному соединению компенсационной полости с питающими каналами испарителей с помощью вспомогательной капиллярной структуры становится возможной постоянная подпитка испарителя жидкостью независимо от того, каково количество жидкости в компенсационной полости. При работе контурных тепловых труб количество жидкости в компенсационной полости может значительно изменяться. Прежде всего это происходит при запуске и на переходных режимах, сопровождающихся изменением передаваемой нагрузки и/или рабочего уровня температуры. Существуют также и стабильные режимы работы КТТ, при которых подпитка питающих каналов может прекратиться в результате парообразования внутри этих каналов. Наличие ВКС, например, в виде проволочной сетки или гофрированной сетки позволяет для перечисленных здесь ситуаций осуществлять сепарацию пара и жидкости так, чтобы жидкость постоянно попадала из компенсационной полости в питающий канал, а пар, не препятствуя встречному движению жидкости, выходил из питающего канала.

Известно, что транспортные способности сетчатого (гомогенного) фитиля являются ограниченными вследствие высокого гидросопротивления, поэтому ВКС может быть выполнена в виде составного фитиля, т.е. она может состоять из артерии и раздающей капиллярной структуры. Конструктивных вариантов составного фитиля может быть достаточно много, а в изобретении рассмотрен составной фитиль, состоящий из центральной артерии и резьбовых канавок в качестве раздающей капиллярной структуры, а, кроме того, артерия в виде продольных пазов в стенках питающих каналов и раздающая капиллярная структура из проволочной сетки. Применение артериальной ВКС позволит работать с более высокими тепловыми нагрузками и при больших удалениях питающих каналов от компенсационной полости.

Использование трубки, вставленной в питающий канал так, чтобы свободный ее конец был выведен в компенсационную полость, увеличит надежность подпитки испарителя, прежде всего в случаях, когда питающий канал затоплен жидкостью. Установка такой трубки способствует сепарации пара и жидкости в питающем канале, причем жидкость поступает в питающий канал как по ВКС, так и по трубке или по зазору между трубкой и ВКС.

Испарители могут иметь протяженные пароотводящие каналы. Последние обладают высоким гидравлическим сопротивлением, что ухудшает теплопередающую способность КТТ. Снижение гидравлического сопротивления паровых каналов может оказаться единственным ограничением при конструировании "длинного" испарителя. Простой способ снятия такого ограничения снижение гидравлического сопротивления за счет равномерного отвода пара по длине испарителя. В месте каждого отвода пара пароотводящие каналы должны быть объединены поперечными паровыми коллекторами.

На Фиг. 1 изображена контурная тепловая труба с двумя испарителями; на Фиг. 2 5 испаритель, в котором вспомогательная капиллярная структура представлена артерией и резьбовыми канавками; на Фиг. 6, 7 то же, в котором вспомогательная капиллярная структура представлена в виде сетки; на фиг. 8, 9 то же, с вставленной внутрь питающего канала трубкой; на Фиг. 10, 11 то же, в котором имеется несколько отводов пара по длине, а также поперечные паровые коллекторы.

КТТ на фиг. 1 содержит испарители 1 и 2 и конденсатор 3, соединенные между собой трубопроводами (паро- 4 и конденсатопроводом 5). Капиллярно-пористые насадки 6 и 7 имеют питающие каналы 8 и 9 и пароотводные каналы 10. Компенсационная полость 11 образует единое пространство (связанный объем) с питающими каналами КПН обоих испарителей, т.е. является общей для двух испарителей. Питающие каналы КПН соединены с помощью вспомогательной капиллярной структуры 12 с компенсационной полостью 11. Вспомогательная капиллярная структура может быть выполнена из проволочной сетки, гофрированной сетки металловойлока и т.п. причем проницаемость (К) и эффективный радиус по (r_eff) ВКС выбираются в зависимости от максимальной тепловой нагрузки, подводимой к конкретному испарителю с условием

где К проницаемость, [м²]
r_eff эффективный радиус пор, [м]
F среднее эффективное сечение фитиля, [м²]
L эффективная длина массопереноса (например, от места подвода конденсатопровода к ДКС до середина рассматриваемого питающего канала), [м]
ρ плотность жидкости, [кг/м³]
s поверхностное натяжение, [H/m]
m вязкость жидкости, [Па•c]
rf теплота испарения, [Дж/кг]
Q_ev тепловая нагрузка, подводимая к рассматриваемому испарителю, [Вт]
h разность высот питающего канала и уровня жидкости в компенсационной полости, [м]
g ускорение свободного падения, [м/с²]
КТТ работает следующим образом.

При наличии теплоподвода к испарителю (испарителям) и наличии температурного напора между испарителями и компенсационной полостью, а также температурного напора между испарителями и конденсатором имеет место циркуляция теплоносителя внутри КТТ. Испаряясь с наружных поверхностей КПН, теплоноситель в виде потока пара движется в конденсаторе, где конденсируется и в виде переохлажденной жидкости по конденсатопроводу возвращается в компенсационную полость. Дальнейшее перемещение жидкости к питающим клапанам капиллярно-пористых насадок испарителей происходит под действием капиллярного напора, развиваемого вспомогательной капиллярной структурой (наличие гравитации, в данном случае, может как способствовать, так и препятствовать процессу подпитки питающих каналов).

Расход жидкого теплоносителя во вспомогательной капиллярной структуре поддерживается (благодаря наличию капиллярных сил) в соответствии с подводимой к испарителям тепловой нагрузкой подобно тому, как это происходит в обычной тепловой трубе. Массовый расход пара, движущегося в обратном направлении из питающих каналов КПН в компенсационную полость, соответствует величине проникающего через КПН теплового потока. Проникающий поток значительно меньше чем подводимый и, следовательно, расход пара в питающем канале КПН значительно меньше, чем расход жидкости во вспомогательной капиллярной структуре. Для компенсации образующегося пара (а, следовательно, и компенсации проникающего через КПН тепла) достаточно того, чтобы пузыри пара перемещались из горячей области в холодную, т.е. выходили из питающих каналов в свободную от жидкости часть компенсационной полости. При этом поступающая в компенсационную полость холодная жидкость компенсирует проникающий через КПН тепловой поток в соответствии с физическим принципом работы контурной тепловой трубы.

Независимо от того, как распределена жидкость в связанном объеме, образованном питающими каналами и компенсационной полостью, наличие вспомогательной капиллярной структуры позволяет постоянно подавать жидкость к стенкам питающих каналов КПН при одновременном удалении из них формирующихся паровых пузырей. Если питающий канал полностью открыт, т.е. не затоплен жидкостью, тогда пар беспрепятственно выходит из питающего канала, а жидкость поступает в канал исключительно по ВКС и благодаря капиллярным силам. Если входное отверстие питающего канала полностью затоплено жидкостью, она поступает в него под действием гравитационных сил "самотеком". В те моменты, когда в обратном направлении движется паровый пузырь, выталкивая из канала жидкость, она приникает в питающий канал по ВКС.

Транспортная способность ВКС, выполненной из сетки, может быть недостаточной, если протяженность испарителя (питающего канала) и/или компенсационной полости и/или удаление (расстояние) компенсационной полости от питающего канала КПН значительны. В этом случае необходимо использовать составной фитиль, образованный из артерии и раздающей капиллярность структуры, представленный на фиг. 2. Здесь в питающий канал 8 капиллярно-пористой насадки 6 вставлена артерия 13. В качестве раздающей капиллярной структуры используются резьбовые канавки 14, выполненные на стенках компенсационной полости КПН. С канавками артерия соединяется, например, сеткой 15.

На фиг. 6, 7 артерия ВКС выполнена в виде продольных пазов 16, выточенных в стенках питающих каналов, раздающая капиллярная структура здесь представлена проволочной сеткой 17, которая прижата к стенкам питающих каналов и стенкам компенсационной полости пружинными вставками 18.

Распределение жидкости внутри связанного объема, образованного компенсационной полостью и питающими каналами КПН, может быть таким, что питающие каналы полностью затапливаются жидким теплоносителем. В этом случае до тех пор, пока образующийся в питающем канале пар не выйдет наружу, жидкость к стенкам КПН подводится только с помощью ВКС. Для "разгрузки" ВКС в питающий канал может быть вставлена разделительная трубка 19 (фиг. 8, 9), открытая с двух концов и разделяющая сечение питающего канала на две части. Это позволит через зазор между стенкой питающего канала и трубкой 19 отводить паровые пузырь, а через трубку 19 одновременно и дополнительно подавать жидкость к удаленной части питающего канала КПН. Возможно и противоположное распределение функций двух образцовых параллельных каналов: через зазор поступает жидкость, а через трубку удаляются пузыри.

На фиг. 10, 11 показано, что по длине испарителя может быть несколько отводов пара 20 в паропровод. Это позволит существенно сократить гидравлическое сопротивление по пару, поскольку длина массопереноса в пароотводных каналах сократится в 2^*(n-1) раз (если n>1), где n число отвода пара от испарителя. Для того, чтобы отводные трубки 20 отбирали пар из всех пароотводных каналов, в местах отвода пара должны быть выполнены поперечные кольцевые коллекторы 21. Эти коллекторы могут быть выполнены или в корпусе КПН и/или в корпусе испарителя.

Использование изобретения существенно расширит возможности применения КТТ для охлаждения протяженных объектов или групп локально расположенных теплоотводящих объектов в различных отраслях промышленности.

Литература
1. Дан П.Д. Рей Д.А. Тепловые трубы. М. Энергия, 1979, с. 172 173.

2. С. Чи. Тепловые трубы. Теория и практика. М. Машиностроение, 1981.

3. А.С. СССР N 143079, кл. F 28 D 15/02, опублик. 1988 г.

Использование: в теплотехнике, в частности в системах охлаждения тепловыделяющих приборов. Сущность изобретения: контурная тепловая труба содержит испарители 1 и 2 и конденсатор 3, соединенные между собой трубопроводами (паро - 4 и конденсатопроводом 5). Капиллярно-пористые насадки 6 и 7 имеют питающие каналы 8 и 9 и пароотводные каналы 10. Компенсационная полость 11 образует связанный объем с питающими каналами капиллярно-пористых насадок обоих испарителей. Питающие каналы насадок соединены с помощью вспомогательной капиллярной структуры 12 с компенсационной полостью 11. Приведены различные варианты исполнения вспомогательной капиллярной структуры. Благодаря использованию вспомогательной капиллярной структуры повышается надежность подпитки питающих каналов испарителей контурной тепловой трубы за счет организации раздельного движения пара и жидкости в питающих каналах так, чтобы выходящие из них паровые пузыри не препятствовали встречному потоку жидкости. 7 з. п. ф-лы, 11 ил.

1. Контурная тепловая труба, содержащая соединенные паро- и конденсатопроводом конденсатор и по меньшей мере один испаритель, снабженный капиллярно-пористой насадкой с пароотводными каналами и одним или несколькими питающими каналами, и размещенную со стороны конденсатопровода компенсационную полость, отличающаяся тем, что она снабжена вспомогательной капиллярной структурой, расположенной внутри питающих каналов капиллярно-пористой насадки и компенсационной полости и соединяющей питающие каналы с компенсационной полостью, причем незаполненные вспомогательной капиллярной структурой пространства питающих каналов и компенсационной полости образуют связанный объем. 2. Труба по п. 1, отличающаяся тем, что вспомогательная капиллярная структура выполнена из проволочной сетки. 3. Труба по п. 2, отличающаяся тем, что сетка выполнена гофрированной. 4. Труба по п. 1, отличающаяся тем, что вспомогательная капиллярная структура состоит из артерии и разделяющей капиллярной структуры. 5. Труба по п. 4, отличающаяся тем, что артерия выполнена из проволочной сетки, а раздающая капиллярная структура выполнена в виде резьбовых канавок, нарезанных на стенках питающих каналов и стенках компенсационной полости. 6. Труба по п. 4, отличающаяся тем, что артерия выполнена в виде продольных пазов в стенках питающих каналов, а раздающая капиллярная структура из проволочной сетки, прижатой к стенкам питающих каналов и стенкам компенсационной полости с помощью пружинных вставок. 7. Труба по п. 1, отличающаяся тем, что в питающий канал каждого испарителя вставлена открытая с двух концов трубка так, что один из концов трубки выведен в компенсационную полость. 8. Труба по п. 1, отличающаяся тем, что в нескольких местах по длине испарителя выполнены отводы для пара, а в месте каждого отвода пара имеется поперечный паровой коллектор, выполненный на поверхности капиллярно-пористой насадки или в корпусе испарителя и соединяющий между собой пароотводные каналы.