СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ

Предлагаемое устройство относится к области теплотехники, а именно к тепломассообмену, и может быть использовано для охлаждения различных тепловыделяющих элементов путем отвода от них тепла по тепловой трубе к охладителю любого типа.
Известны системы воздушного охлаждения («Тепловые трубы с порошковой капиллярной структурой и конструктивные элементы на их основе для систем воздушного охлаждения электропреобразовательного оборудования и радиоэлектронной аппаратуры», каталог Белорусского республиканского НПО порошковой металлургии, г.Минск.), содержащие тепловую трубу в виде цилиндрической медной трубки с порошковым капилляром и водой в качестве теплоносителя, тепловыделяющий элемент в виде радиоэлемента с пропускаемым через него электрическим током, установленным на теплопроводящую пластину (теплорастекатель), которая установлена на тепловую трубу на одном из ее концов и охладитель в виде ряда пластин, припаянных перпендикулярно тепловой трубе на втором ее конце. Недостатком такой системы является низкая передаваемая тепловая мощность и большое тепловое сопротивление системы охлаждения.
Известен модуль охлаждения, выбранный за прототип (ШУБИ.067314.017 ТУ, дата публикации 15.12.2008 г., РосАтом), который содержит тепловую трубу в виде алюминиевого профиля с продольными капиллярными канавками и аммиаком в качестве теплоносителя, тепловыделяющий элемент в виде транзистора, устанавленного на тепловую трубу, на одном конце и охладитель в виде радиатора, установленного на другом конце тепловой трубы и обдуваемого холодным воздухом с помощью вентилятора, при этом тепловыделяющий элемент и радиатор охладителя находятся в тепловом контакте с тепловой трубой, как и показано на габаритном чертеже ШУБИ.067314.017 ГЧ.
Недостатком прототипа является низкая передаваемая тепловая мощность и большое тепловое сопротивление системы охлаждения.
Технической задачей заявляемой полезной модели является уменьшение теплового сопротивления системы охлаждения и увеличение максимальной передаваемой тепловой мощности.
Для решения технической задачи разработана конструкция системы охлаждения, содержащая тепловую трубу и установленные на противоположных ее концах, в тепловом контакте с ней, тепловыделяющий элемент и охладитель, причем тепловыделяющий элемент и охладитель расположены со смещением к середине тепловой трубы в соответствии с требуемым тепловым сопротивлением и передаваемой тепловой мощностью системы охлаждения.
На фигуре 1 схематически изображена система охлаждения и контур циркуляции теплоносителя в тепловой трубе.
сист
см
На фигуре 2 приведена зависимость теплового сопротивления системы охлаждения R в зависимости от одновременного смещения тепловыделяющего элемента и охладителя относительно соответствующих концов тепловой трубы на величину L.
Т
см
На фигуре 3 приведена зависимость передаваемой тепловой мощности системы охлаждения Р в зависимости от одновременного смещения тепловыделяющего элемента и охладителя относительно соответствующих концов тепловой трубы на величину L.
см.ТВ
cм.охл.
Система охлаждения содержит тепловую трубу 1 и находящиеся в тепловом контакте с ней тепловыделяющий элемент 2 и охладитель 3, причем тепловыделяющий элемент 2 смещен относительно одного конца тепловой трубы на расстояние L, а охладитель 3 смещен относительно второго конца трубы на расстояние L в сторону середины тепловой трубы 1. Внутри тепловой трубы расположены по ее периметру капиллярные каналы 4 и в центре трубы паровой канал 5.
Система работает следующим образом. В исходном состоянии теплоноситель в герметично закрытой тепловой трубе 1 находится в жидком состоянии, полностью заполняет капиллярные каналы 4 и частично паровой канал 5. При нагреве тепловыделяющего элемента 2 теплоноситель испаряется в зоне расположения этого элемента и отбирает при этом тепло от стенок тепловой трубы 1, а через них и от тепловыделяющего элемента 2, находящегося в тепловом контакте с тепловой трубой 1. В результате этого тепловыделяющий элемент 2 охлаждается. После испарения теплоноситель в виде пара поступает в паровой канал 5, по нему перемещается в зону установки охладителя 3, как показано на фиг.1, там конденсируется на холодных стенках тепловой трубы 1 и удерживается в капиллярных каналах 4, перемещаясь к испарителю за счет сил поверхностного натяжения и разности давлений пара в зоне испарения и зоне конденсации тепловой трубы.
Тепловое сопротивление системы охлаждения содержит три составляющие
сист
ТВ-ТТ
TT
TT-ОХЛ
R=R+R+R, град/Вт
TВ-TT
где R - тепловое сопротивление между тепловыделяющим элементом и тепловой трубой;
TT
R - тепловое сопротивление тепловой трубы;
TT-ОХЛ
R - тепловое сопротивление между тепловой трубой и охладителем.
В то же время
ТВ
где Т - температура тепловыделяющего элемента;
ОХЛ
Т - температура охладителя;
Т
Р - тепловая мощность, выделяемая на тепловыделяющем элементе.
Т
TB-ТT
ТТ-ОХЛ
ТТ
ТВ-TT
TT-ОХЛ
Исходя из физики процессов переноса тепла, количество переносимого в единицу времени тепла, численно равное тепловой мощности, выделяемой на тепловыделяющем элементе Р, пропорционально скорости циркуляции теплоносителя в тепловой трубе. Следовательно, необходимо эту скорость увеличивать, изменяя контур циркуляции теплоносителя до достижения максимального значения скорости циркуляции, а значит и максимального значения передаваемой тепловой мощности. Контур циркуляции теплоносителя в тепловой трубе, кроме того, должен проходить через зону расположения тепловыделяющего элемента (зону испарения) и зону расположения охладителя (зону конденсации), замыкаясь через паровой канал и капиллярные каналы тепловой трубы между этими элементами, а также в промежутках между этими элементами и соответствующими концами трубы. Если промежуток между концом трубы и указанным элементом отсутствует, то контур циркуляции будет проходить через соответствующий элемент только частично, площадь теплового контакта уменьшается, соответствующее тепловое сопротивление R или R, растет. Кроме того, скорость потока пара или жидкости у стенки конца трубы равна нулю (стенка неподвижна) и лишь постепенно растет до максимальной скорости потока по мере удаления от конца трубы. Это приводит к уменьшению скорости потока на этом участке, а значит и в целом по тепловой трубе, при этом растут R, R, Rи уменьшается максимальная передаваемая тепловая мощность, что является следствием проявления краевого эффекта.
TT
ТВ-TT
TT-ОХЛ
сист
Т
ТВ-TT
TT-ОХЛ
Для уменьшения такого влияния необходимо увеличивать расстояние места разворота потока теплоносителя от конца трубы. При этом будет расти средняя скорость потока по тепловой трубе, что приведет к снижению R, R, R, а значит и их суммы R и росту Р, и кроме того, поток теплоносителя будет проходить через всю площадь нагрева тепловой трубы тепловыделяющим элементом и всю площадь отбора тепла от тепловой трубы охладителем, что приведет к уменьшению R, R и теплового сопротивления системы охлаждения в целом.
Кроме того, скорость движения жидкого теплоносителя под действием сил поверхностного натяжения уменьшается за счет препятствующей движению жидкости разности давлений пара в зоне испарения и зоне конденсации. В предлагаемой системе эта разность меньше, так как давление пара в зоне испарения частично сбрасывается в сторону конца тепловой трубы и препятствующее движению жидкости давление уменьшается. В области конденсации созданы условия для прохода пара в зону между охладителем и концом тепловой трубы, его давление в направлении движения жидкости ускоряет ее перемещение по капиллярам в зону испарения.
сист
Т
Таким образом, смещением тепловыделяющего элемента и охладителя от концов тепловой трубы к ее середине решаются обе задачи полезной модели - уменьшение теплового сопротивления Р и увеличение передаваемой тепловой мощности Р.
Были изготовлены и испытаны опытные образцы системы охлаждения, содержащей следующие элементы:
- тепловая труба в виде алюминиевой трубки ⌀ 12,5 мм, длиной 360 мм с капилляром в форме ряда продольных канавок по периметру трубки и теплоносителем в виде аммиака;
- тепловыделяющий элемент - транзистор типа IRFP150 на теплорастекателе в виде медной пластины;
- охладитель в виде радиатора с обдувающим его вентилятором.
см.TB
см.охл.
сист
T
см.TB
см.охл.
см.TB
см.охл.
сист
T
см.TB
см.охл.
сист
T
Система охлаждения испытана при различных значениях L и L от нулевого значения до величин, при которых изменение теплового сопротивления R и увеличение передаваемой тепловой мощности Р при дальнейшем росте L или L ужe не наблюдается. Нулевые смещения соответствуют системе - прототипу, все остальные - предлагаемой системе охлаждения. Максимальные значения достигаемого эффекта получены при установке тепловыделяющего элемента на расстояние L=40 мм и охладителя на расстояние L=40 мм, что и видно из графиков фиг.2 и фиг.3. Установлено, что, для конкретной системы охлаждения при фиксированной разности температур между тепловыделяющим элементом и охладителем равной 18,5°, тепловое сопротивление системы охлаждения R может быть уменьшено в 1,22 раза, с 0,103 град/Вт до 0,084 град/Вт, передаваемая тепловая мощность Р может быть увеличена со 180 Вт до 220 Вт, то есть в 1,22 раза. Конкретные значения R и L выбираются исходя из требуемых значений R и Р и конструктивных требований к элементам системы охлаждения, таким, например, как общая длина и конфигурация тепловой трубы и др.