ТЕПЛОВАЯ ТРУБА Российский патент 1997 года по МПК F28D15/02 

Изобретение относится к тепловым трубам, в частности к тепловым трубам с электрическим разогревом теплоносителя и может быть применено в аппаратах, где используются тепловые процессы, например в отоплении, установках для нагрева жидкости, в парниках и теплицах для подогрева почвы и т.д.

Известна тепловая труба, содержащая частично заполненный теплоносителем герметичный корпус с зонами испарения и конденсации у его торцов и контейнер с геттером в зоне конденсации [1]
Однако указанная труба не позволяет производить регулирование теплоотдачи в процессе работы из-за того, что жидкость внутри трубы конденсируется при определенной температуре, а изменить количество жидкости, поступающей в зону конденсации, невозможно, что ограничивает область ее применения, т.к. она может работать лишь в постоянном режиме.

Известна тепловая труба, содержащая герметичный корпус, из которого откачан воздух. Корпус заполнен рабочим телом, а снаружи корпуса установлен ускоритель рабочего тела, выполненный в виде кольца магнитострикционного преобразователя с возможностью его перемещения вдоль корпуса для обеспечения регулирования теплоотдачи [2]
Однако в указанной трубе конструктивно невозможно регулирование подвода тепла в зону испарения, тем более в автоматическом режиме, а значит функциональные возможности трубы и, в среднем, КПД понижены, поскольку у указанной трубы, как и у трубы, указанной в предыдущем примере, устройство, посредством которого осуществляется разогрев рабочего тела в зоне испарения, размещено снаружи корпуса, как самостоятельная, отделяемая часть.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по своей технической сущности является проект, согласно которому внутри тепловой трубки следует расположит электроды. Если создать между ними разность потенциалов, то жидкость начнет интенсивнее перемещаться, благодаря чему увеличится пропускная способность трубки [3]
Но и у указанной, согласно проекту, трубки устройство разогрева рабочего тела размещено снаружи корпуса, т.к. электроды, размещенные внутри трубки, предназначены лишь для ускорения перемещения рабочего тела и включены в цепь источника постоянного электрического тока, и вследствие всего этого ее конструкция усложнена и конструктивно лишена возможности автоматической саморегуляции.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение конструкции с обеспечением возможности ее применения в качестве электрического нагревательного устройства безопасного и удобного при эксплуатации, в т.ч. в бытовых условиях, с одновременным обеспечением конструктивного авторегулирования, техническим результатом чего явится повышение КПД и уменьшение электрических затрат.

Поставленная задача достигается тем, что тепловая труба, содержащая частично заполненный жидким электропроводящим теплоносителем, в качестве которого использована вода, герметичный корпус с зонами испарения и конденсации и контейнер с геттером в зоне конденсации. Корпус оснащен с торца в зоне испарения цоколем, на котором внутри корпуса закреплен нагреватель рабочего тела, выполненный в виде пары электродов, которые, в одном случае, выполнены в виде коаксиальных, предпочтительно, перфорированных трубок, выполненных из электролизостойкого металла и установленных вдоль оси корпуса, в другом случае в виде пластин из аналогичного металла, установленных параллельно оси корпуса, в третьем электроды установлены параллельно друг другу перпендикулярно оси корпуса. Питание электродов осуществлено переменным током, причем во всех указанных случаях корпус выполнен из диэлектрического материала с плотнооблегающим его снаружи защитным металлическим кожухом.

Конструктивно тепловая труба выполнена с возможностью герметизации корпуса в процессе вакуумирования, например герметизирующей пробкой, устанавливаемой с торца в зоне конденсации, причем на внутренней торцевой поверхности пробки предварительно может быть закреплен контейнер с геттером.

Отличительными признаками предложенной тепловой трубы, дающими положительный технический результат, являются следующие признаки:
нагреватель является неотъемлемой, встроенной частью тепловой трубы и выполнен в виде пары электродов, установленных внутри корпуса тепловой трубы, за счет чего упрощена конструкция трубы;
электроды включены в цепь питания переменным током, например, в бытовую сеть с напряжением 220 В, за счет чего упрощена конструкция тепловой трубы путем исключения дополнительного внешнего источника постоянного тока и упрощена эксплуатация тепловой трубы;
в качестве теплоносителя возможно применение воды, т.к. нагреватель, выполненный в виде пары электродов, погруженных в воду с зазором между ними, позволяет осуществлять разогрев воды путем простого пропускания через нее электрического тока в зазоре между электродами, за счет чего существенно повышается эффективность нагревателя, что ведет к повышению КПД тепловой трубы, поскольку нагрев и испарение воды начинается немедленно после включения нагревателя и вся энергия электрического тока, в основном, расходится только на разогрев воды;
поскольку уровень воды при работе трубы изменяется, т.е. уменьшается по мере испарения воды и увеличивается по мере ее конденсации, то и степень погружения электродов в воду изменяется, а значит автоматически соответственно изменяется и количество пропускаемого через воду тока, что ведет к автоматической стабилизации работы трубы, способствуя ее экономичности;
питание электродов переменным током уравнивает условия их работы, уменьшается процесс их гидролизного разрушения, повышает надежность работы трубы и увеличивает общее время ее эксплуатации;
возможность различных вариантов конструкции электродов повышает технологичность изготовления тепловой трубы, расширяет разнообразность объектов, в которых она может быть применена;
конструктивная возможность герметизации трубы в процессе ее вакуумирования, например поставкой герметизирующей пробки, способствует упрощению технологии вакуумирования тепловой трубы.

На фиг.1 схематично изображен продольный разрез тепловой трубы с электродами в виде коаксиальных трубок и диэлектрическим корпусом; на фиг.2 и 3 соответственно, аналогичной трубы, но с электродами в виде пластин, расположенных параллельно друг другу, в одном случае параллельно оси корпуса, в другом перпендикулярно ей.

Тепловая труба (фиг.1) содержит частично заполненный жидким электропроводящим теплоносителем 1, в качестве которого, предпочтительно, применена вода, герметичный корпус 2 с зонами испарения 3 и конденсации 4, выполненный из диэлектрического материала, например, керамики, с плотно облегающим его снаружи металлическим защитным кожухом 5. С торца в зоне испарения корпус оснащен цоколем 6, выполненным из диэлектрического материала, на котором внутри корпуса закреплен нагреватель в виде пары электродов 7 и 8, выполненных из электролизостойкого материала в одном случае, как коаксиальные трубки, предпочтительно, перфорированные, установленные вдоль оси корпуса, в другом случае (фиг.2) как плоские пластины 9 и 10, установленные параллельно друг другу и оси корпуса, в третьем (фиг.3) как плоские, предпочтительно, перфорированные пластины 11 и 12, установленные на держателях 13 параллельно одна другой и перпендикулярно оси корпуса. С торца в зоне конденсации корпус закрыт герметизирующей пробкой 14 с возможностью ее постановки в процессе вакуумирования, и на которой предварительно может быть установлен перфорированный или сетчатый контейнер 15 с геттером 16.

Тепловая труба работает следующим образом.

Так как вода электропроводна, то при включении электродов в электрическую цепь через воду в зазоре между электродами потечет ток, разогревающий воду как и любой проводник. А так как тепловая труба вакуумирована, испарение воды начнется при более низкой температуре, чем при нормальном давлении, т. е. с учетом относительно высокой плотности тока, протекающего через поперечное сечение воды в зазоре, ее испарение начнется практически немедленно по включении электродов. Пар с запасенной им при испарении тепловой энергией сразу же распространяется по всей трубе, отдавая свое тепло холодным в зоне конденсации стенкам корпуса при конденсации на них. Образовавшаяся из пара вода вновь стекает в зону испарения. По мере разогрева всей трубы в ней все больше и больше образуется пара и повышается его давление, способствующее тому, что испарение воды будет возможным лишь при более высокой температуре и при достижении в трубе нормального давления она будет испаряться при 100^oC.

С приближением скоростей процесса испарения-конденсации и разогрева трубы до оптимальных величин они замедляются и по достижении указанных величин автоматически стабилизируются за счет автоматического изменения величины тока, проходящего через воду, т.к. с увеличением парообразования понижается уровень воды в трубе, площадь электродов, погруженная в воду, т.е. активная площадь, уменьшается, а значит уменьшается и величина тока, уменьшается парообразование, и процессы пойдут в обратном порядке. Практически наступит стабилизация указанных процессов при оптимальном режиме работы трубы, самоподдерживающаяся автоматически. Надежной эффективной работе трубы с высокой экономичностью способствует то, что нагреватель в виде электродов помещен в теплоносителе, разогрев которого осуществляется электрическим током непосредственно протекающим в его толще без каких-либо промежуточных теплопередающих элементов, и за счет того, что электроды работают относительно друг друга в одинаковых условиях, т.к. электрический ток переменный, а их активные площади равны между собой, в т.ч. и у коаксиальных трубчатых электродов, соответствующим образом перфорированных.

Реализация предложенного изобретения позволяет получить тепловые трубы, обладающие высоким КПД и экономичностью при сравнительно высоких конструктивной простоте и технологичности изготовления и пригодные для применения в самых различных электрических нагревательных устройствах, безопасных, надежных и простых в эксплуатации, в т.ч. и в бытовых переносных устройствах, исключающих т.н. "выгорание" кислорода воздуха в помещениях.

Использование: в аппаратах, использующих тепловые процессы, например, в отоплении и др. Сущность изобретения: тепловая труба, частично заполненная теплоносителем 1, например, водой, имеет герметичный вакуумированный корпус 2 с зонами испарения 3 и конденсации 4, выполненный из диэлектрического материала с облегающим его снаружи защитным кожухом 5. С торца в зоне испарения корпус 2 снабжен цоколем 6, на котором внутри него закреплены парные электроды, выполненные либо в виде коаксиальных трубок 7 и 8, расположенных вдоль оси корпуса, либо в виде параллельных оси корпуса пластин, установленных перпендикулярно оси корпуса 2 на держателях. С торца в зоне конденсации корпус 2 закрыт герметизирующей пробкой 14 с возможностью ее установки в процессе вакуумирования и на которой может быть установлен контейнер 15 с геттером 16. Предложенная тепловая труба обладает высоким КПД и экономичностью, проста по конструкции и по технологии изготовления, удобна и безопасна при эксплуатации и пригодна к применению в бытовых нагревательных устройствах. 9 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Тепловая труба, содержащая частично заполненный жидким теплоносителем герметичный корпус с зонами испарения и конденсации и контейнер с геттером в зоне конденсации внутри корпуса, отличающаяся тем, что корпус с торца в зоне испарения оснащен цоколем, на котором внутри корпуса закреплен нагреватель в виде пары электродов, а теплоноситель выполнен электропроводящим. 2. Труба по п.1, отличающаяся тем, что электроды выполнены в виде цилиндрических коаксиальных трубок, выполненных из электролизостойкого материала и установленных вдоль оси корпуса. 3. Труба по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что электроды выполнены перфорированными. 4. Труба по п.1, отличающаяся тем, что электроды выполнены в виде пластин из электролизостойкого материала и установлены параллельно оси корпуса. 5. Труба по п.1, отличающаяся тем, что электроды установлены параллельно друг другу перпендикулярно оси корпуса. 6. Труба по пп.1 5, отличающаяся тем, что в качестве теплоносителя использована вода. 7. Труба по пп.1 6, отличающаяся тем, что питание электродов выполнено переменным током. 8. Труба по пп.1 7, отличающаяся тем, что корпус выполнен из диэлектрического материала с плотно облегающим его снаружи защитным металлическим кожухом. 9. Труба по пп.1 9, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью герметизации ее в процессе вакуумирования с торца в зоне конденсации, например, герметизирующей пробкой. 10. Труба по пп.1 9, отличающаяся тем, что контейнер с геттером закреплен на торце герметизирующей пробки.