КОНДЕНСАТОР КОНТУРНОЙ ТЕПЛОВОЙ ТРУБЫ Российский патент 2006 года по МПК F28D15/00 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в миниатюрных контурных тепловых трубах, размещенных в сильно ограниченном пространстве, например в системах охлаждения мобильных компьютеров.

Известна контурная тепловая труба [Патент США №4515209], которая имеет конденсатор, выполненный в виде теплообменника типа "труба в трубе", снабженного отверстиями в боковой стенке корпуса для подключения паропровода и конденсатопровода и торцевыми заглушками в виде колец, установленными в коническом зазоре между внешней и внутренней боковыми стенками корпуса.

Недостаток данной конструкции состоит в том, что эффективность конденсатора существенно снижается при уменьшении его длины и диаметра, что необходимо для использования в миниатюрных контурных тепловых трубах. Другим недостатком является сложность изготовления, которая возникает при подключении к нему паропровода и конденсатопровода со стороны боковой стенки, поскольку их диаметр в миниатюрных контурных тепловых трубах близок к диаметру конденсатора.

Известна еще одна контурная тепловая труба [Авторское свидетельство СССР №458296], конденсатор которой принимается в данном случае за прототип. Указанный конденсатор включает цилиндрический корпус, торцевую крышку с отверстием для подключения паропровода и коакаксиальную вставку, заглушенную с одного конца коническим обтекателем, обращенным в сторону паропровода, и установленную с зазором относительно торцевой крышки. Указанная вставка размещена внутри корпуса конденсатора с образованием кольцевого зазора относительно последнего. Ширина кольцевого зазора задана дистанционирующим элементом, выполненным в виде кольца, установленного на боковой поверхности вставки вблизи другого торца, и который является одновременно торцевой заглушкой конденсатора.

Недостатком такого конденсатора также является недостаточная эффективность при уменьшении его длины и диаметра, которое необходимо для размещения контурной тепловой трубы в стесненных условиях. Это проявляется в том, что внутренняя поверхность конденсатора становится меньше и не обеспечивает необходимого съема тепла. Кроме того, расстояние движения пара внутри конденсатора сокращается, и он не успевает полностью сконденсироваться, особенно при больших тепловых нагрузках. Следствием этого является рост рабочей температуры контурной тепловой трубы и повышение ее термического сопротивления.

Другим недостатком является то, что подключение конденсатопровода к боковой стенке конденсатора, где размещено соответствующее отверстие, создает неудобства при компоновке контурной тепловой трубы и существенно усложняет процесс ее изготовления.

В основу изобретения положена задача повышения эффективности конденсатора контурной тепловой трубы при уменьшении его размеров.

Поставленная задача решается тем, конденсатор контурной тепловой трубы, включающий цилиндрический корпус, торцевую крышку с отверстием для подключения паропровода и коаксиальную вставку, снабженную дистанционирующим элементом, заглушенную торцевым коническим обтекателем со стороны паропровода, установленную с зазором относительно торцевой крышки и размещенную внутри корпуса с кольцевым зазором относительно него, согласно изобретению снабжен второй торцевой крышкой с отверстием для подключения конденсатопровода, вставка размещена с зазором относительно этой крышки, а дистанционирующий элемент выполнен в виде проволочной спирали, с диаметром проволоки, равным ширине кольцевого зазора, закрепленной на боковой поверхности вставки.

При этом:

проволочная спираль имеет выступающие прямолинейные концы, длина каждого из которых соответственно равна ширине зазора, образуемого между торцом вставки и соответствующей торцевой крышкой конденсатора;

вставка может быть выполнена в виде сплошного стержня или в виде полой трубки, дополнительно снабженной торцевой заглушкой со стороны конденсатопровода;

в зазоре между торцом вставки и второй торцевой крышкой конденсатора с отверстием для подключения конденсатопровода может быть установлена шайба, выполненная из капиллярно-пористого материала.

Наличие второй торцевой крышки позволяет сделать конденсатор более удобным для размещения в стесненных условиях, поскольку конденсатопровод подключен к конденсатору через отверстие, выполненное в этой крышке, а не в боковой стенке, как в наиболее близком техническом решении. При этом зазор между торцом вставки и второй торцевой крышкой дает возможность жидкости поступать в конденсатопровод.

Основная роль проволочной спирали состоит в увеличении длины пути пара внутри конденсатора, который может быть больше длины конденсатора на величину

δ=n2πd,

где n - число витков спирали, d - диаметр вставки.

За счет этого можно достичь более полной конденсации пара и даже некоторого переохлаждения конденсата, поступающего в конденсатопровод. Кроме того, интенсивность теплообмена внутри конденсатора может быть увеличена за счет закрутки и дополнительной турбулизации потока пара и двухфазной смеси пар-жидкость.

Увеличение расстояния движения пара в конденсаторе не приводит к существенному росту суммарных потерь давления в контурной тепловой трубе, поскольку вклад гидравлического сопротивления конденсатора в полное гидравлическое сопротивление устройства относительно невелик.

Для предотвращения проскока пара в конденсатопровод, который может возникнуть при тепловых нагрузках, близких к предельным, в зазоре между вставкой и торцевой крышкой со стороны конденсатопровода может быть дополнительно размещена шайба, выполненная из капиллярно-пористого материала. Такая шайба, вследствие ее незначительной толщины, не создает существенного гидравлического сопротивления для жидкости, но, будучи насыщенной жидкостью, является препятствием для проникновения пара через нее.

На фиг.1 представлен фрагмент внешнего вида конденсатора со вставкой и дистанционирующим элементом в виде спирали;

на фиг.2 - продольное сечение конденсатора со вставкой, выполненной из стержня;

на фиг.3 представлено поперечное сечение такого конденсатора;

на фиг.4 показано продольное сечение конденсатора с полой вставкой;

на фиг.5 представлен фрагмент продольного сечения конденсатора с шайбой из капиллярно-пористого материала.

Конденсатор контурной тепловой трубы содержит цилиндрический корпус 1, включающий боковую стенку 2 и торцевые крышки 3 и 4 с отверстиями для подключения паропровода 5 и конденсатопровода 6 соответственно. Внутри корпуса 1 установлена коаксиальная вставка 7, размещенная с зазором 8 относительно боковой стенки 2 корпуса 1. Вставка 7 снабжена коническим обтекателем 9 со стороны паропровода 5 и дистанционирующим элементом, выполненным в виде проволочной спирали 10, закрепленной на боковой поверхности коаксиальной вставки 7, толщина проволоки, из которой выполнена спираль 10, равна ширине кольцевого зазора 8. Вставка 7 образует также зазоры 11 и 12 с торцевыми крышками 3 и 4 соответственно. Проволочная спираль 10 имеет выступающие концы 13 со стороны конденсатопровода 6 и выступающие концы (на чертеже не показаны) со стороны паропровода 5. Коаксиальная вставка 7 может быть выполнена в виде стержня или может быть полой внутри. В торцевом зазоре 12 конденсатора со стороны конденсатопровода 6 может быть установлена шайба 14, выполненная из капиллярно-пористого материала.

Конденсатор контурной тепловой трубы работает следующим образом. При поступлении пара в конденсатор из паропровода 5 пар начинает двигаться в кольцевом зазоре 8 одновременно в продольном и азимутальном направлении в соответствии с углом закрутки спирали 10 дистанционирующего элемента. При охлаждении боковой стенки 2 конденсатора пар начинает конденсироваться в зазоре 8. Образовавшийся конденсат постепенно перекрывает все сечение кольцевого зазора 8 и непрерывным потоком поступает в конденсатопровод 6. Чем больше витков имеет спираль 10 дистанционирующего элемента, тем более длинным становится расстояние движения пара в конденсаторе. Однако чрезмерное увеличение количества витков спирали 10 нежелательно, поскольку это может привести к заметному увеличению гидравлического сопротивления конденсатора и снижению мощности, передаваемой контурной тепловой трубой. Для гарантированного предотвращения проскока пара в конденсатопровод 6 в торцевом зазоре 12 целесообразно размещать шайбу 14, выполненную из капиллярно-пористого материала, который проницаем для жидкости, но, будучи насыщен последней, является непроницаемым для пара.

При разработке миниатюрных контурных тепловых труб были испытаны два варианта цилиндрических конденсаторов, выполненных из нержавеющей стали. Длина конденсаторов составляла 64 мм, а внешний диаметр - 5 мм. Наружная поверхность конденсаторов была снабжена оребрением, которое обдувалось малогабаритным вентилятором с расходом воздуха 0,64 м³/мин.

При использовании дистанционирующего элемента в виде проволочной спирали максимальная мощность миниатюрной контурной трубы, заправленной аммиаком, была увеличена с 80 до 110 Вт, а термическое сопротивление было снижении с 0,17 до 0,12 к/Вт.

Изобретение предназначено для применения в теплотехнике, а именно может быть использовано в миниатюрных контурных тепловых трубах, размещенных в сильно ограниченном пространстве. Конденсатор контурной тепловой трубы включает цилиндрический корпус, торцевую крышку с отверстием для подключения паропровода и коаксиальную вставку, снабженную дистанционирующим элементом, заглушенную торцевым коническим обтекателем со стороны паропровода, установленную внутри корпуса с кольцевым зазором и с зазором относительно торцевой крышки, причем конденсатор снабжен второй торцевой крышкой с отверстием для подключения конденсатопровода, вставка размещена с зазором относительно этой крышки, а дистанционирующий элемент выполнен в виде проволочной спирали с диаметром проволоки, равным ширине кольцевого зазора, закрепленной на боковой поверхности вставки. Кроме того, проволочная спираль имеет выступающие прямолинейные концы, длина каждого из которых соответственно равна ширине зазора, образуемого между торцом вставки и соответствующей торцевой крышкой конденсатора. Вставка выполнена в виде сплошного стержня или полой и дополнительно снабжена торцевой заглушкой со стороны конденсатопровода. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Конденсатор контурной тепловой трубы, включающий цилиндрический корпус, торцевую крышку с отверстием для подключения паропровода и коаксиальную вставку, снабженную дистанционирующим элементом, заглушенную торцевым коническим обтекателем со стороны паропровода, установленную внутри корпуса с кольцевым зазором и с зазором относительно торцевой крышки, отличающийся тем, что он снабжен второй торцевой крышкой с отверстием для подключения конденсатопровода, вставка размещена с зазором относительно этой крышки, а дистанционирующий элемент выполнен в виде проволочной спирали с диаметром проволоки, равным ширине кольцевого зазора, закрепленной на боковой поверхности вставки.2. Конденсатор контурной тепловой трубы по п.1, отличающийся тем, что проволочная спираль имеет выступающие прямолинейные концы, длина каждого из которых соответственно равна ширине зазора, образуемого между торцом вставки и соответствующей торцевой крышкой конденсатора.3. Конденсатор контурной тепловой трубы по п.1, отличающийся тем, что вставка выполнена в виде сплошного стержня.4. Конденсатор контурной тепловой трубы по п.1, отличающийся тем, что вставка выполнена полой и дополнительно снабжена торцевой заглушкой со стороны конденсатопровода.5. Конденсатор контурной тепловой трубы по п.1, отличающийся тем, что в зазоре между торцом вставки и второй торцевой крышкой с отверстием для подключения конденсатопровода установлена шайба, выполненная из капиллярно-пористого материала.