ГИБКАЯ КОНТУРНАЯ ТЕПЛОВАЯ ТРУБА

Полезная модель относится к двухфазным теплопередающим устройствам, в частности, к гибким контурным тепловым трубам и предназначена для транспортировки теплового потока от подвижных колеблющихся объектов к теплорассеивающему элементу. Предпочтительной областью использования полезной модели являются бесплатформенные инерциальные навигационные системы (БИНС).
В настоящее время в области конструирования БИНС тенденция к уменьшению их габаритно-массовых характеристик опережает снижение потребляемой мощности. Увеличение тепловой нагрузки на инерциальные датчики препятствует их надежному функционированию и приводит к возрастанию погрешностей БИНС. Проблема совершенствования БИНС включает задачу повышения эффективности отвода тепла от инерциальных датчиков в особенности вблизи верхнего предела температуры окружающей среды.
Блок чувствительных элементов БИНС скомпонован в литом корпусе или на раме и амортизирован для защиты от вибраций и ударов. Механические колебания блока характеризуются шестью степенями свободы и вызываются как внешними возмущениями (вибрации основания, удары, движение основания), так и внутренними источниками (функционированием виброподвесов лазерных гироскопов). По этой причине блок чувствительных элементов отделен от внешнего корпуса БИНС воздушным зазором, через который и осуществляется отвод тепла, сопровождающийся значительными перепадами температуры на границах зазора.
Более эффективным решением рассматриваемой задачи является интегрирование в структуру БИНС теплоотводящего устройства, в предпочтительном случае выполненного в виде тепловой трубы. Однако специфика задачи отвода тепла от инерциальных датчиков БИНС приводит к дополнительным требованиям:
- размещение теплоотводящего устройства не должно изменять характеристики колебаний блока чувствительных элементов относительно внешнего корпуса и накладывать дополнительные ограничения на управление частотными подставками лазерных гироскопов;
- колебания блока чувствительных элементов относительно внешнего корпуса не должны влиять на характеристики теплоотводящего устройства.
Известна тепловая труба, выполненная с изгибом в 90 градусов, [1], в которой рабочая область транспортировки тепла отделена от областей испарения и конденсации и расположена вне основных элементов охлаждаемого объекта. Недостатками такого решения являются ограничения количества степеней свободы у пространственных колебаний охлаждаемого объекта и малая эффективность теплопереноса.
Известна тепловая труба с гибкой структурой [2], которая сформирована на гофрированном участке цилиндрической металлической трубы, причем тканая сетка, расположенная внутри трубы, выступает в роли капиллярной структуры и прилегает к корпусу с помощью опорного элемента в виде спирали. Недостатки предложенного решения заключаются в малой площади испарения и конденсации, риске нарушения целостности капиллярной структуры при изгибах на углы, превышающие 90°, сложности изготовления устройства в случае его размещении внутри малых зазоров.
Известна тепловая труба [3], содержащая корпус с зонами испарения и конденсации и расположенную внутри корпуса артерию, состоящую из капиллярной основы, армированной снаружи проволочной спиралью, причем основа выполнена в виде пучка проволочных спиралей, каждая из которых имеет заглушенный с торцов центральный жидкостный канал. Недостатком данной тепловой трубы является малая площадь поверхности испарителя и конденсатора, что в случае отвода тепла от больших поверхностей снижает эффективность и равномерность теплопереноса. Кроме того, большое число спиральных артерий вызывает сложности при размещении внутри малых зазоров, а их свободное расположение в испарителе и конденсаторе уменьшает эффективность теплопереноса в условиях вибраций.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является контурная тепловая труба с гибкой артерией виде сетки [4], в которой испаритель и конденсатор разнесены в пространстве с помощь паро- и кондесатопроводов, при этом в конденсатопроводе проложена гибкая сетчатая артерия. Недостатком данного технического решения является невозможность придать паро- и конденсатопроводу форму, обеспечивающую малую жесткость в случае колебаний с несколькими степенями свободы, поскольку при уменьшении радиуса изгиба канала с сеточной артерией ее транспортная функция нарушается, а вибрации могут вызвать запирание капиллярных пор.
Целью предлагаемого технического решения является отвод тепла от подвижных колеблющихся элементов без внесения искажений в их механические движения.
Для достижения указанной цели предложена тепловая труба, характеризующаяся тем, что включает испаритель и конденсатор, соединенные разнесенными в пространстве паропроводом и конденсатопроводом в замкнутый контур, в котором циркулирует двухфазный теплоноситель. Внутри конденсатопровода, испарителя и конденсатора расположена заключенная в сеточные капиллярные структуры проволочная спираль с заглушенным с торцов центральным жидкостным каналом.
В предпочтительном случае полезной модели внутренние поверхности испарителя и конденсатора выстланы сеточными капиллярными структурами.
В другом предпочтительном случае паропровод и конденсатопровод имеют змееобразную форму.
Технический результат полезной модели заключается в повышении эффективности отвода тепла к теплорассеивающему элементу без внесения искажений в механические колебания охлаждаемого объекта.
Осуществление устройства показано на примере, который в полной мере иллюстрирует сущность предложенного решения, однако не ограничивает область его использования.
Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежами, на которых изображены:
Фиг. 1 - общий вид устройства.
Фиг. 2 - особенности конструкции гибкой контурной тепловой трубы.
Фиг. 3 - разрез и виды капиллярной структуры тепловой трубы
Фиг. 4 - гибкая спиральная артерия.
Фиг. 5 - варианты охвата сеточной структурой спиральной артерии
Фиг. 6 - размещение тепловой трубы на охлаждаемом объекте, обладающем шестью степенями свободы.
Описываемое устройство включает в себя конденсатор 1 и испаритель 2, соединенные между собой гибким паропроводом 3 и кондесатопроводом 4. Корпуса испарителя 2 и конденсатора 1 имеют плоскую форму. Их внутренняя поверхность выстлана капиллярной структурой 5 в виде сеточного полотна. Рабочие поверхности испарителя и конденсатора в поперечной плоскости (ZOY) тепловой трубы разнесены в пространстве на расстояние, превышающее максимально возможную амплитуду колебаний охлаждаемого элемента. Расстояние между испарителем и конденсатором в продольной плоскости (XOZ) теплопередающего устройства определяется требованиями, предъявляемыми к жесткости конструкции, и возникающей в приборе вибрацией. Жесткость конструкции регулируется путем выбора геометрии и формы гибкой структуры трубопроводов. С целью обеспечения высокой осевой проницаемости вдоль канала 4, а также внутри испарителя и конденсатора, проложена гибкая артерия 6, выполненная в виде проволочной спирали. Такая артерия обеспечивает конденсатопроводу очень низкую жесткость, а значит, не оказывает влияния на характеристики колебаний блока чувствительных элементов. Следует также отметить, что артерия в виде проволочной спирали при совершении колебательных движений не изменяет площади сечения центрального жидкостного канала, тем самым не препятствуя движению конденсата.
Для полной реализации капиллярных свойств артерии ее центральный жидкостный канал отгорожен от парового пространства с помощью торцевых заглушек 7. Артерия в испарителе и конденсаторе охвачена сеточной структурой для лучшего массообмена между ними теплоносителем. Теплоноситель выбирается в соответствии с температурным диапазоном работы тепловой трубы. В качестве конденсатора и испарителя могут использоваться гибкие тепловые панели с многослойной капиллярной структурой из группы пазов, спеченного порошка, волокна и сетки.
Предлагаемая тепловая труба работает следующим образом: при подводе тепла к 2 происходит испарение теплоносителя из капиллярной структуры 5. Образующиеся пары по транспортному участку трубопровода 3 движутся в 1, где конденсируются на капиллярной структуре, подобной 5. Образовавшийся конденсат с помощью артерии 6 и по каналу 4 возвращается вновь к испарителю, и цикл повторяется.
Благодаря организации раздельного движения пара и жидкости с помощью трубопроводов выходящий из испарителя поток пара не препятствуют встречному потоку жидкости. Соединение спиральной артерией позволяет обеспечить змееобразную форму трубопроводов без нарушения капиллярных свойств структуры. Движущий капиллярных напор, развиваемый спиральной артерией, определяется шириной межвитковых зазоров, а осевая проницаемость - диаметром центрального жидкостного канала. Для полной реализации капиллярных свойств, то есть для полного заполнения артерии теплоносителем, центральный жидкостный канал отгорожен от парового пространства с помощью заглушек 7. Охват сеточной структурой спиральной артерии обеспечивает эффективный обмен теплоносителем между ними и равномерность температурного поля по поверхности испарителя и конденсатора. Каналы трубопроводов позволяют отводить тепло от подвижных колеблющихся объектов к теплорассеивающему элементу.
Литература
1. Патент US №8284004 B2 от 9.10.2012, Heat pipe supplemented transformer cooling.
2. Патент US №2011/0088874 A1 от 21.04.2011, Heat pipe with a flexible structure.
3. Патент SU №1108323 A от 15.08.1984, Тепловая труба.
4. Патент US №2008/0078530 A1 от 03.04.2008, Loop heat pipe with flexible artery mesh.