ИСПАРИТЕЛЬНАЯ КАМЕРА КОНТУРНОЙ ТЕПЛОВОЙ ТРУБЫ Российский патент 1997 года по МПК F28D15/04 

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к тепловым трубам, и может быть использовано для отвода тепла от различных теплонапряженных объектов.

Известна контурная тепловая труба [1] в которой использована испарительная камера, содержащая корпус с капиллярно-пористой насадкой, снабженной центральным каналом и системой пароотводных канавок, выполненных на поверхности насадки, прилегающей к нагреваемой стенке камеры.

Недостатком такой испарительной камеры является отсутствие возможности увеличения поверхности ее теплового контакта с источником тепловыделения, поскольку в качестве контактной поверхности здесь может служить только одна из его поверхностей или граней.

Другим недостатком испарительной камеры является недостаточная эффективность теплообмена в зоне испарения, поскольку система пароотводных канавок целиком выполнена в капиллярно-пористой насадке, обладающей относительно невысокой теплопроводностью.

Наиболее близкий по совокупности существенных признаков к изобретению является испарительная камера [2] которая содержит корпус, включающий боковую и торцевые стенки и размещенную внутри капиллярно-пористую насадку с центральным каналом, прилегающую к нагреваемой стенке камеры и образующую зазор с одной из ее торцевых стенок. На контактной поверхности насадки выполнены проточки, образующие вместе с винтовой нарезкой на контактной поверхности корпуса систему пароотводных канавок, сообщающихся с паровым коллектором. Такая организация зоны испарения, как показывает опыт, является значительно более эффективной, поскольку позволяет сделать поверхность теплового контакта более развитой, а также снизить его термическое сопротивление.

Однако все недостатки такой конструкции испарительной камеры, связанные с ограниченностью поверхности теплового контакта с источником тепловыделения, здесь также сохраняются в полной мере.

Кроме того, следует отметить, что существенным недостатком всех конструкций испарительных камер, в которых подвод тепла осуществляется к наружной стенке, является необходимость иметь относительно толстый слой капиллярно-пористой насадки, разделяющий ее испаряющую поверхность от впитывающей. Это обстоятельство связано с тем, что для запуска контурной тепловой трубы нужен определенный перепад температур и соответствующий перепад давлений пара между испаряющей и впитывающей поверхностями насадки. Такое условие в свою очередь влечет за собой значительный рост гидравлического сопротивления насадки, поскольку для ее изготовления используются обычно капиллярно-пористые материалы с весьма малым эффективным радиусом пор, составляющим 1 мкм и менее. Физическая природа такой ситуации в испарительных камерах рассматриваемого типа обусловлена тем, что часть тепла, подводимого к испарительной камере, проникает через насадку в центральный канал, через поверхность которого осуществляется подпитка зоны испарения. Поскольку этот тепловой поток направлен преимущественно по радиусу к центру, то его плотность на впитывающей поверхности обратно пропорциональна величине радиуса канала. Это благоприятствует росту температуры пара в последнем, затрудняя создание необходимой для запуска разности температур. В основу изобретения положена задача создания испарительной камеры контурной тепловой трубы, конструкция которой позволяет обеспечить эффективный отвод тепла от источников, требующих по условиям эксплуатации равномерного охлаждения всей или большей части их поверхности тепловыделения. К числу таких источников, в частности, относятся компактные химические реакторы и камеры сгорания мощных газовых резаков, используемых для разделки металлоконструкций.

Поставленная задача решается тем, что испарительная камера содержит корпус, имеющий боковую и торцевые стенки, внутри которого размещена капиллярно-пористая насадка, прилегающая к нагреваемой поверхности камеры и образующая зазор по крайней мере с одной из торцевых стенок. Насадка снабжена центральным каналом и продольными проточками на термоконтактной поверхности. Испарительная камера снабжена также дополнительной внутренней стенкой, прилегающей к поверхности центрального канала насадки, которая образует кольцевой зазор с наружной боковой стенкой камеры на части ее длины, ограниченной по крайней мере с одного торца выступом насадки и сообщающейся с конденсатопроводом. Система пароотводных канавок включает как продольные проточки, выполненные на термоконтактной поверхности насадки с внутренней стенкой камеры, так и резьбовые канавки на термоконтактной поверхности последней. В качестве термоконтактной поверхности может выступать как внутренняя стенка камеры, так и/или одна из торцевых стенок. Внутренняя и боковая стенки камеры могут образовывать цилиндрическую форму, форму усеченного конуса или цилиндра, переходящую в конус, а также любую иную технологически доступную форму, соответствующую форме источника тепловыделения и условиям теплосъема.

Такая конструкция испарительной камеры позволяет, во-первых, обеспечить максимальную поверхность теплового контакта с источниками тепловой нагрузки, у которых поверхностью тепловыделения является их наружная поверхность. Контактная поверхность испарительной камеры охватывает большую часть источника тепловой нагрузки, обеспечивая тем самым более высокую равномерность его охлаждения. Во-вторых, конструкция испарительной камеры позволяет организовать эффективный теплообмен на ее термоконтактной поверхности, поскольку снабжена развитой системой канавок для отвода пара в паропровод. Наконец, в-третьих, форма и конструкция испарительной камеры достаточно легко может быть адаптирована к форме источника тепловой нагрузки, который может быть как твердым, так и жидким или газообразным.

На фиг.1 представлен вариант цилиндрической испарительной камеры, капиллярно-пористая насадка которой имеет тупиковый центральный канал, а подвод тепла возможен как к боковой, так и торцевой поверхности внутренней стенки камеры; на фиг.2 поперечный разрез испарительной камеры; на фиг.3 - другой вариант цилиндрической испарительной камеры, насадка которой имеет сквозной центральный канал, а подвод тепла возможен только к боковой поверхности внутренней стенке камеры; на фиг.4 еще один вариант испарительной камеры, имеющей форму усеченного конуса; на фиг.5 другой вариант испарительной камеры, имеющей форму цилиндра, переходящего в усеченный конус.

Испарительная камера согласно предлагаемому техническому решению содержит корпус, включающий боковую стенку 1, торцевые стенки 2 и 3. Внутри корпуса размещена капиллярно-пористая насадка 4, имеющая тупиковый центральный канал 5, боковая и торцевая поверхности которого находятся в контакте с дополнительной внутренней стенкой 6 камеры. Насадка 4 образует кольцевой зазор 7 с боковой стенкой 1 длиной, ограниченной выступом 8 насадки 4, и зазоры 9, 10 с торцевыми стенками 2 и 3 камеры соответственно. Вдоль контактной поверхности насадки 4 с внутренней стенкой 6 камеры выполнены продольные канавки 11, а на контактной поверхности внутренней стенки 6 резьбовые канавки 12, которые образуют единую систему канавок для отвода пара в зазор 10, выполняющий роль парового коллектора, сообщающегося с паропроводом 13 контурной тепловой трубы. Кольцевой зазор 7 вместе с торцевым зазором 9 образует единую полость для аккумулирования жидкости, поступающей из конденсатопровода 14.

Испарительная камера работает следующим образом.

В исходном состоянии, когда тепловая нагрузка отсутствует, насадка 4 пропитана теплоносителем, а в зазорах 7, 9 и 10 находится пар при температуре и давлении, равных температуре и давлению пара в системе пароотводных канавок 12, 11, которые в свою очередь соответствуют равновесным условиям с окружающей средой.

При подводе тепловой нагрузки к наружной поверхности внутренней стенки 6 жидкость из насадки 4 более интенсивно начинает испаряться в пароотводные канавки 11 и 12. Температура и давление пара здесь повышается относительно температуры и давления в зазорах 7 и 9. За счет возникающей разности давлений жидкий теплоноситель из конденсатопровода 14 поступает в зазоры 7 и 9 и впитывается отсюда в насадку 6. Выступ насадки 8 выполняет роль уплотнения, препятствующего перетечке "горячего" пара из парового коллектора 10 в зазоры 7 и 9. Таким образом насадка выполняет одновременно функцию "капиллярного насоса", обеспечивающего циркуляцию теплоносителя в тепловой трубе и "теплового затвора", препятствующего выравниванию давления между ее впитывающей и испаряющей поверхностями. Этой роли в данном случае благоприятствует то, что движение жидкости происходит с периферии к центру насадки, обеспечивая снижение плотности и теплового потока, проникающего через насадку к ее впитывающей поверхности. Одновременно с этим решается основная задача, состоящая в обеспечении эффективного теплоотвода от источников тепла, расположенных внутри испарительной камеры.

В испарительной камере, вариант которой представлен на фиг.3, роль аккумулятора жидкости выполняет только зазор 7, длина которого ограничена двумя выступами 8 насадки 4. Здесь внутренняя стенка 6 вместе с центральным каналом 5 насадки 4 образуют сквозную полость. Подвод тепла здесь возможен к внешней боковой поверхности внутренней стенки 6.

Форма испарительной камеры, представленная на фиг.4 и 5, адаптирована к форме камеры сгорания газовой горелки, стенки которой нуждаются в эффективной тепловой защите от высокотемпературных газов.

Использование: изобретение относится к теплотехнике, в частности к тепловым трубам, и может быть использовано для отвода тепла от теплонапряженных объектов. Сущность: испарительная камера содержит корпус, включающий боковую стенку 1 и торцевые стенки 2 и 3. Внутри корпуса размещена капиллярно-пористая насадка 4, имеющая тупиковый центральный канал 5, боковая и торцевая поверхности которого находятся в тепловом контакте с дополнительной внутренней стенкой 6 камеры. Насадка 4 образует кольцевой зазор 7 с боковой стенкой 1 на длине, ограниченной выступом 8 насадки 4, зазоры 9 и 10 с торцевыми стенками 2 и 3 камеры соответственно. Вдоль термоконтактной поверхности насадки 4 с внутренней стенкой 6 выполнены продольные канавки 11, а на термоконтактной поверхности внутренней стенки 6 резьбовые канавки 12, которые образуют единую систему канавок для отвода пара в зазор 10, выполняющий роль парового коллектора, сообщающегося с паропроводом 13 контурной тепловой трубы. Кольцевой зазор 7 вместе с торцевым зазором 9 образуют единую полость для аккумулирования жидкости, поступающей из конденсатопровода 14. Камера может иметь форму усеченного конуса и последний вариант камеры имеет форму цилиндра, переходящего в усеченный конус. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Испарительная камера контурной тепловой трубы, содержащая корпус, имеющий боковую и торцевые стенки, размещенную внутри капиллярно-пористую насадку с центральным каналом, прилегающую к нагреваемой поверхности камеры и образующую зазор по крайней мере с одной из торцевых стенок, систему пароотводных канавок на термоконтактных поверхностях, сообщающихся с паровым коллектором, отличающаяся тем, что испарительная камера дополнительно снабжена внутренней стенкой, прилегающей к поверхности центрального канала насадки, которая образует кольцевой зазор с боковой стенкой камеры на части ее длины, ограниченной по крайней мере с одного торца выступом насадки и сообщающейся с конденсатопроводом. 2. Камера по п. 1, отличающаяся тем, что система пароотводных канавок включает продольные проточки на термоконтактной поверхности насадки с внутренней стенкой камеры и резьбовые канавки на термоконтатной поверхности последней. 3. Камера по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что ее боковая и внутренние боковые стенки образуют усеченные конусы. 4. Камера по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что ее боковая и внутренние стенки образуют цилиндры, переходящие в усеченные конусы.