Испарительна камера контурной тепловой трубы - RU2224967C2
Код документа: RU2224967C2
Чертежи
Описание
Изобретение относится к теплотехнике, в частности к тепловым трубам, и может быть использовано для отвода тепла от миниатюрных теплонапряженных объектов, в частности элементов радиоэлектронных приборов и компьютеров, требующих эффективного теплоотвода при минимальных габаритах охлаждающей системы.
Известно реверсивное теплопередающее устройство [1], содержащее испарительные камеры, состоящие из нагреваемой части и компенсационной полости, каждая из которых снабжена размещенной внутри капиллярно-пористой насадкой с центральным тупиковым каналом и системой пароотводных каналов на термоконтактных поверхностях, сообщающихся с паровым коллектором.
Недостатком такой конструкции является то, что возможности для уменьшения диаметра испарительной камеры существенно ограничены, поскольку толщина слоя насадки, разделяющей ее впитывающую и испаряющую поверхность, должна быть достаточно большой, чтобы предотвратить проникновение пара и снизить паразитные тепловые перетечки в компенсационную полость. Однако при снижении диаметра испарительной камеры до 4-8 мм толщина слоя насадки уменьшается настолько, что уже не может представлять достаточно большого термического сопротивления тепловому потоку, проникающему в компенсационную полость. В результате разница температур и давлений между испаряющей и впитывающей поверхностями насадки становится недостаточной для обеспечения циркуляции теплоносителя в устройстве.
Известна испарительная камера контурной тепловой трубы [2], состоящая из нагреваемой части и компенсационной полости, содержащая корпус с боковой и торцевой стенками, размещенную внутри капиллярно-пористую насадку, прилегающую к внутренней боковой поверхности камеры с центральным тупиковым каналом, длина которого ограничена длиной компенсационной полости, и систему пароотводных канавок на внутренней термоконтактной поверхности в нагреваемой части камеры.
Такая испарительная камера может иметь достаточно малый диаметр, отвечающий требованиям миниатюризации, что достигается за счет отсутствия центрального канала в насадке, углубленного в нагреваемую часть. Однако проведенные испытания показали, что это же обстоятельство обуславливает недостатки такой конструкции, которыми являются низкая величина максимальной тепловой нагрузки из-за высокого гидравлического сопротивления насадки.
Наиболее близкий по совокупности существенных признаков и достигаемому результату к изобретению является испарительная камера [3], содержащая корпус, включающий боковую и торцевые стенки, и установленную внутри него капиллярно-пористую насадку с пароотводными каналами, объединенными паровым коллектором, размещенными на части периметра насадки со стороны теплоподвода и с асимметричным продольным отверстием, смещенным в противоположную от теплоподвода сторону, при этом торцы пароотводных каналов с обеих сторон выполнены тупиковыми.
Такая организация подпитки испарительной камеры теплоносителем является более эффективной, поскольку позволяет значительно уменьшить гидравлическое сопротивление при фильтрации теплоносителя через капиллярно-пористую насадку, а увеличение толщины запорной стенки, достигнутое смещением асимметричного продольного отверстия в сторону, противоположную теплоподводу, снижает величину паразитных тепловых потоков, проникающих в компенсационную полость.
Недостатком такой конструкции является пониженная тепловая нагрузка при заданной рабочей температуре. Это обстоятельство обусловлено тем, что насадка имеет сквозное продольное отверстие, оба конца которого сообщаются с компенсационной полостью.
Соответственно этому увеличиваются паразитные перетечки тепла в компенсационную полость, поскольку насадка имеет два запорных слоя, расположенных со стороны обеих ее торцов. Кроме того, наличие двух запорных слоев увеличивает длину испарительной камеры. Еще одним недостатком такой испарительной камеры является то, что паровой коллектор, к которому подключается паропровод контурной тепловой трубы, расположен на боковой поверхности камеры, что также увеличивает габариты и затрудняет компоновку устройства на охлаждаемом объекте.
В основу изобретения положена задача увеличения тепловой нагрузки испарительной камеры при заданной рабочей температуре и уменьшении ее габаритов.
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемой испарительной камере контурной тепловой трубы, содержащей корпус, включающий боковую и торцевые стенки и установленную внутри него капиллярно-пористую насадку с пароотводными каналами, объединенными паровым коллектором, размещенными на части периметра насадки со стороны теплоподвода и с асимметричным продольным отверстием, смещенным в противоположную от теплоподвода сторону, при этом торцы пароотводных каналов с одной стороны выполнены тупиковыми, согласно изобретению асимметричное продольное отверстие также выполнено тупиковым со стороны, противоположной тупиковым торцам пароотводных каналов, а паровой коллектор образован одной из торцевых стенок корпуса и торцом насадки.
За счет того что асимметричное продольное отверстие в капиллярно-пористой насадке выполнено тупиковым, эффективность устройства повышается, поскольку уменьшаются паразитные перетечки тепла в компенсационную полость, что приводит к увеличению тепловой нагрузки при заданной рабочей температуре. Вместе с этим уменьшаются габариты испарительной камеры, так как при такой конструкции требуется лишь один торцевой запорный слой капиллярно-пористой насадки. Это приводит к сокращению продольного размера испарительной камеры, а предложенное размещение парового коллектора и пароотводных каналов позволяет подключать паропровод контурной тепловой трубы к торцевой стенке, в результате уменьшается поперечный размер и увеличиваются возможности для компактного монтажа в миниатюрном охлаждаемом объекте.
Кроме того, с целью повышения эффективности теплообмена и снижения термического сопротивления устройства на внутренней поверхности боковой стенки корпуса могут быть выполнены дополнительные пароотводные канавки, например в виде азимутальных проточек.
Для адаптации испарительной камеры к работе в условиях невесомости капиллярно-пористая насадка может состоять из двух частей: основной, обеспечивающей циркуляцию теплоносителя во время работы устройства, и дополнительной, находящейся в компенсационной полости и служащей для удержания теплоносителя до запуска устройства.
Размещение выходного отверстия конденсатопровода в асимметричном продольном отверстии капиллярно-пористой насадки обеспечивает ее подпитку теплоносителем, даже если в компенсационной полости присутствует паровая фаза, которая может препятствовать прохождению теплоносителя через асимметричное продольное отверстие.
На фиг.1 представлен общий вид испарительной камеры контурной тепловой трубы; на фиг.2 представлен вид испарительной камеры контурной тепловой трубы с основной и дополнительной капиллярно-пористой насадкой; на фиг.3-7 представлены варианты поперечного сечения испарительной камеры.
Форма и размещение асимметричного канала подпитки может изменяться в зависимости от условий задачи охлаждения миниатюрного тепловыделяющего объекта. Варианты испарительной камеры, в которых поперечное сечение асимметричного продольного отверстия имеет форму прямоугольника, вытянутого в сторону теплоподвода и ограниченного с противоположной стороны стенкой корпуса (фиг.3.), или форму клина, вершина которого обращена в сторону теплоподвода, а основанием является стенка корпуса (фиг.4.), обеспечивают достаточно высокую тепловую нагрузку испарительной камеры. Форма клина является более предпочтительной в случае, когда тепловая нагрузка распределена по большей части периметра, поскольку такая конструкция обеспечивает большее термическое сопротивление паразитным перетечкам тепла в компенсационную полость.
Для снижения пусковой нагрузки поперечное сечение асимметричного продольного отверстия может иметь форму сегмента, хорда которого обращена в сторону теплоподвода, а дугой является стенка корпуса (фиг.5). Такая конструкция обеспечивает достаточно высокое термическое сопротивление слоя капиллярно-пористой насадки между испаряющей и впитывающей поверхностью, что особенно важно при запуске, когда требуется обеспечить максимальную разницу температур между парообразующей поверхностью насадки и компенсационной полостью.
Для предотвращения перетечек пара в компенсационную полость поперечное сечение асимметричного продольного отверстия может иметь форму круга, ограниченного капиллярно-пористой насадкой, центр которого смещен в сторону, противоположную теплоподводу (фиг.6).
В случае, когда охлаждаемый объект имеет плоскую термоконтактную поверхность, целесообразно поперечное сечение испарительной камеры выполнить прямоугольным, а асимметричное продольное отверстие, имеющее форму щелевого зазора, сместить в сторону, противоположную теплоподводу (фиг.7).
Если эксплуатация устройства осуществляется в условиях с пониженной гравитацией или в невесомости, то капиллярно-пористую насадку целесообразно выполнять состоящей из двух связанных между собой частей: основной, обеспечивающей создание прокачивающего капиллярного давления и организацию эффективного теплообмена в зоне испарения и дополнительной, обеспечивающей равномерное распределение жидкости в компенсационной полости (фиг. 8).
Для предотвращения нарушений подпитки капиллярно-пористой насадки в случае образования паровой фазы в компенсационной полости выходное отверстие конденсатопровода целесообразно размещать в асимметричном продольном отверстии насадки (фиг. 9).
Испарительная камера контурной тепловой трубы, содержит корпус 1 и установленную внутри него капиллярно-пористую насадку 2, которая может состоять из двух частей: основной 3 и дополнительной 4, с пароотводными каналами 5, выполненными на части периметра насадки 3 со стороны теплоподвода 6, и смещенным в противоположную сторону асимметричным продольным отверстием 7, один торец которого выполнен тупиковым. Пространство между торцом насадки 8 и торцевой стенкой корпуса 9 является паровым коллектором 10, объединяющим пароотводные каналы 5 и подключенным к паропроводу 11. Асимметричное продольное отверстие 7 вместе со свободным от основной насадки 3 объемом 12 внутри корпуса 1 образуют компенсационную полость, имеющую выход в конденсатопровод 13. На термоконтактной поверхности корпуса 1 могут быть нанесены дополнительные пароотводные канавки 14, а в асимметричном продольном отверстии 7 может быть размещено выходное отверстие 15 конденсатопровода 13.
Испарительная камера работает следующим образом.
Во время эксплуатации тепловая нагрузка, подводимая от охлаждаемого объекта через стенку корпуса 1 испарительной камеры, расходуется на испарение теплоносителя, который находится в порах на поверхности раздела жидкость-пар в капиллярно-пористой насадке 2 со стороны теплоподвода 6. Образующийся пар отводится через систему пароотводных каналов 5 и дополнительных пароотводных канавок 14 в паровой коллектор 10. По паропроводу 11 он поступает в конденсационную камеру (на чертеже не показано), где конденсируется и отдает тепло внешнему приемнику. Смещение асимметричного продольного отверстия 7 в сторону, противоположную теплоподводу 6, обеспечивает достаточную толщину запорной стенки между испаряющей и впитывающей поверхностями насадки 7, которая препятствует проникновению пара и паразитным тепловым потокам в компенсационную полость. За счет этого создается необходимая разность давлений между конденсационной камерой и компенсационной полостью, обеспечивающая возвращение теплоносителя в испарительную камеру, а также достигается увеличение тепловой нагрузки при заданной рабочей температуре.
Литература
1. Патент Р.Ф. № 2156425, кл. F 28 D 15/00, 2000 г.
2. Свид. на полезную модель № 11318, кл. F 28 D 15/00, 1999 г.
3. Авторское свидельство СССР № 1449825, , кл. F 28 D 15/02, 1989 г.
Реферат
Изобретение предназначено для применения в теплотехнике, в частности в тепловых трубах, и может быть использовано для отвода тепла от миниатюрных теплонапряженных объектов, например элементов радиоэлектронных приборов и компьютеров, требующих эффективного теплоотвода при минимальных габаритах охлаждающей системы. Испарительная камера контурной тепловой трубы, содержащая корпус, включающий боковую и торцевые стенки и установленную внутри него капиллярно-пористую насадку с пароотводными каналами, объединенными паровым коллектором, размещенными на части периметра насадки со стороны теплоподвода и с асимметричным продольным отверстием, смещенным в противоположную от теплоподвода сторону, при этом торцы пароотводных каналов с одной стороны выполнены тупиковыми, кроме того, асимметричное продольное отверстие также выполнено тупиковым со стороны, противоположной тупиковым торцам пароотводных каналов, а паровой коллектор образован одной из торцевых стенок корпуса и торцом насадки. Кроме того, согласно изобретению поперечное сечение асимметричного продольного отверстия имеет форму прямоугольника, вытянутого в сторону теплоподвода и ограниченного с противоположной стороны стенкой корпуса. Поперечное сечение асимметричного продольного отверстия может иметь форму клина, вершина которого обращена в сторону теплоподвода, а основанием является стенка корпуса. Поперечное сечение асимметричного продольного отверстия также может иметь форму сегмента, хорда которого обращена в сторону теплоподвода, а дугой является стенка корпуса. Заявленное изобретение позволяет увеличить тепловую нагрузку испарительной камеры при заданной рабочей температуре и уменьшить ее габариты. 7 з.п. ф-лы, 7 ил.
