ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩИЙ ДВУХФАЗНЫЙ КОНТУР (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК F28D15/00 

Изобретения относятся к теплотехнике и могут быть использованы 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 близким по технической сущности к заявляемым решениям является теплопередающий двухфазный контур с капиллярной прокачкой (ДФККП) [3], содержащий соединенные паро- и конденсатопроводом испарители, с установленными внутри капиллярными насосами (КН), и конденсатор (конденсаторы), а также резервуар, который присоединен к конденсатопроводу отдельным трубопроводом.

По сравнению с тепловыми трубами, описанными в [1] и [2], ДФККП передает существенно большие тепловые нагрузки и на большие расстояния, а также открывает дополнительные возможности работы в диодном режиме, в режиме регулирования, с изменением положения транспортных трубопроводов в процессе работы и др. Кроме того, ДФККП могут работать в условиях гравитации при существенном превышении испарителей над конденсатором благодаря высокому капиллярному напору, который развивается капиллярными насосами.

Несмотря на многочисленные достоинства, ДФККП имеют и некоторые недостатки. В частности, для надежной работы ДФККП необходим постоянный подвод охлажденного жидкого теплоносителя внутрь питающего канала капиллярного насоса, установленного внутри каждого испарителя. Жидкость при этом должна быть переохлаждена настолько, чтобы предотвратить возможное парообразование в питающих каналах КН. Как показывает практика, в некоторых ситуациях в результате воздействия проникающего сквозь КН теплового потока, возможно запаривание питающих каналов (блокирование питающих каналов паровыми пузырями) с последующим осушением испарителей. Это приводит к кризисным ситуациям и, в конце концов, к прекращению работоспособности отдельных испарителей и/или всего ДФККН. Подобные аварийные ситуации возникают на переходных режимах работы ДФККН, например, при запуске, быстром изменении условий теплоподвода и/или теплоотвода, изменении распределения тепловой нагрузки между испарителями и т.п. На этих режимах проникающий сквозь КН тепловой поток не всегда может быть скомпенсирован переохлаждением жидкости, что и приводит к возникновению и прогрессирующему росту паровых пузырей в питающих каналах и, в конечном итоге, к прекращению работоспособности КН.

Предлагаемые изобретения направлены на решение следующих задач: обеспечение гарантированной подпитки жидким теплоносителем питающих каналов капиллярных насосов; обеспечение гарантированного удаления и/или конденсации паровых пузырей в питающих каналах КН.

Для реализации указанных задач предлагаются два варианта решения, осуществляемые принципиально одним и тем же путем.

Согласно первому варианту в теплопередающем двухфазном контуре с капиллярной прокачкой, содержащем соединенные паро- и конденсатопроводами испарители с установленными внутри капиллярными насосами и по меньшей мере один конденсатор, а также резервуар, подсоединенный трубопроводом к конденсатопроводу, новым является то, что каждый испаритель оснащен термоэлектрическим микрохолодильником (ТЭМХ), присоединенным горячим спаем к зоне теплоподвода испарителя, и дополнительной тепловой трубой, введенной внутрь питающего канала КН, контактирующей свободной частью с холодным спаем ТЭМХ.

Кроме того, горячий спай ТЭМХ может быть соединен с зоной теплоподвода испарителя с помощью теплопровода, например тепловой трубы или медной тепловой шины, дополнительная тепловая труба может фиксироваться в питающем канале с помощью ребер, образующих систему продольных параллельных каналов.

Согласно второму варианту в теплопередающем двухфазном контуре с капиллярной прокачкой, содержащем соединенные паро- и конденсатопроводами испарители с установленными внутри капиллярными насосами и по меньшей мере один конденсатор, а также резервуар, подсоединенный трубопроводом к конденсатопроводу, новым является то, что каждый испаритель снабжен дополнительной капиллярной структурой, а также ТЭМХ, причем дополнительная капиллярная структура соединяет стенки питающего канала капиллярного насоса с внутренними стенками части конденсатопровода, прилегающей к испарителю, ТЭМХ соединен снаружи со стенками конденсатопровода холодным спаем, а с зоной теплоподвода испарителя горячим спаем.

Кроме того, горячий спай ТЭМХ может быть соединен с зоной теплоподвода испарителя с помощью теплопровода, например тепловой трубы или медной тепловой шины, в месте соединения дополнительной капиллярной структуры с конденсатопроводом может быть установлен капиллярный изолятор, изготовленный из пористой структуры, имеющей размер пор меньший, чем размер пор дополнительной капиллярной структуры.

При использовании предлагаемых двух вариантов изобретения достигается в принципе один и тот же технический результат: активное охлаждение питающих каналов капиллярных насосов испарителей с помощью ТЭМХ позволяет предотвратить и/или локализовать парообразование, которое, в ряде случаев, препятствует необходимому притоку жидкости в испаритель.

Во всех случаях тепло, выделяющееся горячим спаем ТЭМХ, отводится в зону теплоподвода испарителя, однако это можно сделать либо непосредственным тепловым контактом либо с помощью теплопровода. Использование указанного теплопровода (предусмотренного как в первом, так и во втором варианте) позволит преодолеть технологические проблемы, которые возникают при соединении рабочих граней ТЭМХ с зонами охлаждения и нагрева. Предпочтительно напрямую соединять горячий спай ТЭМХ с зоной теплоподвода, т.к. в этом случае ТЭМХ работает эффективнее, однако не всегда можно изогнуть тепловую трубу, которая предназначена для охлаждения питающего канала.

Отличительная особенность предлагаемого второго варианта в том, что внутренние стенки питающего канала испарителя и прилегающая часть конденсатопровода - это уже готовый корпус тепловой трубы. Если снабдить эти участки фитилем, то получится тепловая труба, в которой используется тот же теплоноситель, что и в ДФККП. Здесь, однако, при проектировании дополнительной капиллярной структуры следует учитывать, что расход жидкости по ней будет значительно большим, чем расход в дополнительных тепловых трубах первого варианта.

Окончательное предпочтение первому или второму варианту может быть сделано при комплексном рассмотрении условий эксплуатации, технологии изготовления, геометрических параметров, экономических соображений и т.п.

Изобретения иллюстрируются чертежами, где на фиг. 1 изображен ДФККП по первому варианту, выполненный с двумя испарителями, в питающие каналы которых вставлены тепловые трубы согласно п. 1 формулы; горячие спаи ТЭМХ здесь непосредственно соединены с зонами теплоподвода испарителей; на фиг. 2 изображен ДФККП с двумя испарителями; в питающие каналы этих испарителей также вставлены тепловые трубы; горячие спаи ТЭМХ здесь соединены с зонами теплоподвода с помощью теплопроводов согласно п. 2 формулы; на фиг. 3 представлен ДФККП по 2 варианту, в котором вместо дополнительной тепловой трубы установлена дополнительная капиллярная структура (п. 4 формулы); на фиг. 4 представлен второй вариант ДФККП с дополнительной капиллярной структурой по пп. 5 и 6 формулы.

В качестве иллюстрации варианта 1 на фиг. 1 представлен ДФККП, который содержит испарители 1 и 2, и конденсатор 3, соединенные между собой трубопроводами (паро- 4 и конденсатопроводом 5), и резервуар 6, соединенный с конденсатопроводом 5 отдельным трубопроводом 7. Испарители оснащены термоэлектрическими микрохолодильниками 8 и 9. Горячий спай каждого ТЭМХ соединен с зонами теплоподвода своего испарителя, а холодный спай - с помощью дополнительных тепловых труб 10 и 11 с соответствующими питающими каналами капиллярных насосов 12 и 13. Таким образом обеспечивается тепловая связь холодных спаев ТЭМХ с питающими каналами, а тепло, проходящее через стенки КН компенсируется по всей длине.

На фиг. 2 показано, что тепло от горячего спая в зону теплоподвода также может транспортироваться с помощью теплопровода, например тепловых труб 14, 15.

Дополнительные тепловые трубы могут фиксироваться внутри питающих каналов с помощью специальных фиксаторов 16 (сеч. А-А), представляющих собой продольные ребра. Наличие таких ребер позволяет организовать систему продольных охлаждаемых питающих каналов.

На фиг. 3 изображен вариант 2 изобретения, представляющий собой двухфазный контур с двумя испарителями, оснащенными термоэлектрическими микрохолодильниками, горячие спаи которых соединены с зоной теплоподвода испарителя, а холодные спаи соединены с частью конденсатопровода, непосредственно примыкающей к капиллярному насосу. Указанная часть конденсатопровода соединена с питающими каналами дополнительной капиллярной структурой 17, 18. Внутренние элементы ДФККП (питающий канал + примыкающая часть конденсатопровода), связанные дополнительной капиллярной структурой, фактически выполняют функции тепловой трубы, отбирающей тепло по всей длине питающего канала и отдающей это тепло в месте установки холодного спая ТЭМХ. Причем в этом варианте для отвода тепла в питающем канале всегда используются тот же теплоноситель, что и в ДФККН (например, аммиак), в то время как в предыдущем варианте дополнительная тепловая труба в ДФККН могут использовать разные теплоносители (например, фреон/аммиак).

На фиг. 4 показано, что тепло от горячего спая ТЭМХ в зону теплоподвода может транспортироваться также с помощью теплопровода, например тепловых труб 19, 20.

Вид Б (фиг. 4) показывает место соединения конденсатопровода с дополнительной капиллярной структурой. В этом месте может быть установлена мелкопористая капиллярная структура 21, которая будет выполнять функции капиллярного изолятора, имеющего размер пор меньший, чем размер пор дополнительной капиллярной структуры и не позволяющего пару выходить в жидкостную магистраль (общую часть конденсатопровода) и влиять на работу других испарителей.

ДФККП, выполненный по первому варианту, работает следующим образом. При подводе тепла к испарителям и наличии температурного напора на КН, а также наличии температурного напора между зонами теплоподвода испарителей и конденсатором имеет место циркуляция теплоносителя внутри ДФККП. Теплоноситель испаряется с наружной поверхности КН и через паропровод в виде потока пара переносится в конденсатор, где этот пар конденсируется, а затем в виде охлажденной жидкости возвращается к испарителям. Для нормальной работы (подпитки) КН жидкость, входящая в питающие каналы КН, должна быть соответственно охлаждена, поскольку сквозь стенки КН в питающие каналы проникает тепло, которое надо компенсировать. Однако расход охлажденного теплоносителя по жидкостному питающему каналу каждого КН и соответственно запас хладопроизводительности входящего потока жидкости зависит от подводимой к данному испарителю тепловой нагрузки. Например, если тепловая нагрузка на одном из испарителей падает, тогда падает и расход теплоносителя в питающем канале соответствующего капиллярного насоса. В то же время проходящий через КН рассматриваемого испарителя тепловой поток может быть достаточно велик, поскольку общая тепловая нагрузка (с учетом теплонагружения других испарителей) может создавать достаточно большой градиент температуры на всех испарителях (КН) контура. В этой ситуации в питающем канале малонагруженного испарителя начинается парообразование, препятствующее поступлению подпитывающей КН жидкости. Самое удаленное от соединения с конденсатопроводом место питающего канала является самым уязвимым с точки зрения парообразования и блокирования подпитки, поскольку расход жидкости в этом месте минимален, а ее температура максимальна. Предотвратить прогрессивный рост паровых пузырей позволяет ТЭМХ, установленный на испаритель. Через тепловую связь холодного спая ТЭМХ с питающим каналом капиллярного насоса отводится необходимое для поддержания работоспособности КН тепло. Указанная тепловая связь организуется с помощью дополнительной тепловой трубы. Здесь по всей длине питающего канала между стенкой КН и дополнительной тепловой трубой жидкость движется в зазоре и охлаждается, независимо от измерения расхода. При возникновении конструктивно-технологических сложностей, связанных с соединением горячего спая ТЭМХ и испарителя, указанная связь может быть организована с помощью тепловой шины, например, из меди или с помощью тепловой трубы. Принцип работы устройства при этом не меняется, однако эффективность работы ТЭМХ несколько снижается.

Несколько иначе в варианте 2 (на примере фиг. 4) работает дополнительная капиллярная структура, которая по сути также образует тепловую трубу внутри питающего канала, но использует для своей работы тот же теплоноситель, что и ДФККП. В этом случае достигается та же цель: с помощью активного охлаждения предотвращается прогрессивный рост паровых пузырей в питающих каналах капиллярных насосов. Однако локальное парообразование здесь допускается. Образующийся на переходном режиме пар может выталкивать жидкость в обратном направлении, но только до места установки холодного спая ТЭМХ, поскольку при освобождении этого места жидкость открывает поверхность конденсации. Во время такого "контролируемого" парообразования жидкость для подпитки КН поставляется к стенкам питающих каналов с помощью той же дополнительной капиллярной структуры. При работе ДФККП с несколькими испарителями возможен прорыв пара в питающую магистраль. Для предотвращения этого явления та часть дополнительной капиллярной структуры, которая закрывает выход конденсатопровода, выполнена из мелкопористого материала и выполняет функции капиллярного изолятора. Таким образом, парообразование локализуется в одном испарителе и в тепловом, и в гидравлическом отношении.

ТЭМХ могут включаться как на весь период работы ДФККП, так и на отдельные отрезки времени, характеризующиеся как потенциально аварийные. Может быть также использована автоматика, включающая ТЭМХ по таймеру, показаниям температурных датчиков и т.п. (т.е. включение и управление ТЭМХ может производиться специально для прогнозируемых кризисных ситуаций).

Использование изобретений расширит возможности применения ДФККП для охлаждения тепловыделяющих объектов (в космической и других отраслях промышленности) за счет обеспечения надежной работоспособности испарителей при изменении условий в зоне теплоподвода и/или теплоотвода, при неравномерном или непостоянном распределении тепловой нагрузки на испарителях, а также на других переходных режимах, при которых возможно осушение испарителей.

Изобретение предназначено для использования в системах охлаждения тепловыделяющих приборов. Сущность изобретения: ДФК по первому варианту содержит испарители и конденсатор, соединенные между собой трубопроводами (паро- и конденсатопроводом), и резервуар, соединенный с конденсатопроводом отдельным трубопроводом. Испарители оснащены термоэлектрическими микрохолодильниками. Холодильный спай каждого ТЭМХ соединен с помощью дополнительных тепловых труб с соответствующими питающими каналами капиллярных насосов. Горячий спай каждого ТЭМХ соединен с зонами теплоподвода своего испарителя непосредственно или с помощью теплопровода, например тепловой трубы. ДФК по второму варианту также содержит два испарителя, оснащенных термоэлектрическими микрохолодильниками, горячие спаи которых соединены с зоной теплоподвода испарителя, а холодные спаи соединены с частью конденсатопровода, непосредственно примыкающей к капиллярному насосу. Указанная часть конденсатопровода соединена с питающими каналами дополнительной капиллярной структурой. Изобретение обеспечивает надежную работоспособность испарителей при изменении условий в зоне теплоподвода и/или теплоотвода, при неравномерном или непостоянном распределении тепловой нагрузки на испарителях, а также на других переходных режимах, при которых возможно осушение испарителей. 2 н. и 4 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Теплопередающий двухфазный контур с капиллярной прокачкой, содержащий соединенные паро- и конденсатопроводом испарители с установленными внутри капиллярными насосами и по меньшей мере один конденсатор, а также резервуар, присоединенный трубопроводом к конденсатопроводу, отличающийся тем, что каждый испаритель снабжен термоэлектрическим микрохолодильником, присоединенным горячим спаем к зоне теплоподвода испарителя, и дополнительной тепловой трубой, введенной в питающий канал капиллярного насоса, контактирующей свободной частью с холодным спаем термоэлектрического микрохолодильника. 2. Контур по п.1, отличающийся тем, что горячий спай термоэлектрического микрохолодильника соединен с зоной теплоподвода испарителя с помощью теплопровода, например тепловой трубы или медной тепловой шины. 3. Контур по п.1, отличающийся тем, что дополнительная тепловая труба зафиксирована в питающем канале с помощью ребер, образующих систему продольных параллельных каналов. 4. Теплопередающий двухфазный контур с капиллярной прокачкой, содержащий соединенные паро- и конденсатопроводом испарители с установленными внутри капиллярными насосами и по меньшей мере один конденсатор, а также резервуар, присоединенный трубопроводом к конденсатопроводу, отличающийся тем, что каждый испаритель снабжен дополнительной капиллярной структурой, а также термоэлектрическим микрохолодильником, причем дополнительная капиллярная структура соединяет стенки питающего канала капиллярного насоса с внутренними стенками части конденсатопровода, прилегающей к испарителю, а термоэлектрический микрохолодильник соединен снаружи со стенками конденсатопровода холодным спаем, а с зоной теплоподвода испарителя горячим спаем. 5. Контур по п.4, отличающийся тем, что горячий спай термоэлектрического микрохолодильника соединен с зоной теплоподвода испарителя с помощью теплопровода, например тепловой трубы или медной тепловой шины. 6. Контур по п. 4, отличающийся тем, что в месте соединения дополнительной капиллярной структуры с конденсатопроводом установлен капиллярный изолятор, изготовленный из пористой структуры, имеющей размер пор, меньший, чем размер пор дополнительной капиллярной структуры.