ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

Полезная модель предназначена для применения при охлаждении теплонагруженных элементов электронных приборов, включая компьютеры, а также относится к области теплотехники, в частности, к тепловым трубам.
Известна обычная тепловая труба (далее ТТ) [Патент США №4248295], частично заполненная жидкостью, содержащая свободно установленную в испарителе самостоятельную простую пористую структуру в виде цилиндра, наружный диаметр которого не соприкасается с внутренним диаметром ТТ, а длина структуры такова, что часть ее расположена над уровнем жидкости, заполняющей испаритель.
Такое устройство позволяет избежать разрушений корпуса ТТ при замораживании в ней жидкости, т.к. пористая структура частично воспринимает возникающие при этом усилия. Однако это касается только определенного положения устройства - когда конденсатор расположен выше испарителя.
Недостатком такого устройства является то, что оно может работать только в режиме термосифона, т.е. только при определенном положении в пространстве: наклонном и вертикальном, когда конденсатор расположен выше испарителя. В этом случае возврат конденсата из конденсатора в испаритель осуществляется под действием гравитационных сил. А так как пористая структура размещена в таком устройстве только в испарителе, то при отрицательных температурах окружающей среды в горизонтальном положении возможно замерзание теплоносителя, например, воды, в тех объемах ТТ, в которых отсутствует пористая структура и скапливается жидкость, с последующим разрушением корпуса устройства, т.к. известно, что в момент превращения воды в лед объем последнего практически мгновенно увеличивается примерно на 10% по отношению к объему воды, из
которой он образовался. (А.А.Отставнов, В.А.Устюгов, В.А.Харькин, B.C.Ионов. Особенности поведения напорных трубопроводов при замерзании в них воды. Журнал «Сантехника, отопление, кондиционирование», №12, 2007 г., с. 1)
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является теплопередающее устройство для охлаждения электронных приборов [Патент РФ №2296929], выполненное в виде замкнутого герметичного контура, частично заполненного теплоносителем, включающего испаритель с капиллярно-пористой структурой внутри, сопряженный с паровым коллектором и резервуаром, и пустотелый конденсатор, соединенные пустотелыми раздельными паропроводом и конденсатопроводом.
Данное устройство обеспечивает эффективную работу при любой ориентации в пространстве за счет действия капиллярных сил, возникающих в специальной капиллярно-пористой структуре, размещенной в испарителе и выполняющей роль «капиллярного насоса».
Недостатком такого устройства является то, что при замерзании в нем теплоносителя, например, воды произойдет деформация и последующее разрушение элементов устройства (парового коллектора, паропровода, конденсатора, конденсатопровода и резервуара). В случае, когда перед замораживанием испаритель находился вверху, а конденсатор внизу усилия, возникающие при замерзании теплоносителя, скопившегося в пустотелых паропроводе, конденсаторе и конденсатопроводе, приведут к их разрушению (разрыву). В том случае, когда замораживанию предшествовало другое вертикальное положение: испаритель находится внизу, а конденсатор - вверху, существует опасность разрыва корпусов парового коллектора и резервуара при превращении в лед скопившегося в них теплоносителя. При этом устройство (особенно после многократных циклов замораживания-размораживания) теряет свою работоспособность.
В основу полезной модели положена задача повышения надежности работы устройства за счет обеспечения его работоспособности после
многократных циклов замораживания-размораживания находящегося в нем теплоносителя.
Поставленная задача решается тем, что в теплопередающем устройстве для охлаждения электронных приборов, выполненном в виде замкнутого герметичного контура, частично заполненного теплоносителем, включающего испаритель с капиллярно-пористой структурой внутри, сопряженный с паровым коллектором и резервуаром, и пустотелый конденсатор, соединенные пустотелыми раздельными паропроводом и конденсатопроводом, согласно полезной модели, в паровом коллекторе, паропроводе, конденсаторе, конденсатопроводе и резервуаре свободно и непрерывно по всей их длине размещена эластичная вставка.
При этом
- участки эластичной вставки, размещенные в паровом коллекторе и резервуаре выполнены в виде петли;
- эластичная вставка выполнена в виде цилиндра, объем которого должен быть не менее 10% по отношению к объему, в котором эта вставка размещена;
- эластичная вставка изготовлена из материала, способного многократно воспринимать механические усилия и восстанавливать свою первоначальную форму после их снятия, например, из капрона.
Размещение эластичной вставки в паровом коллекторе, паропроводе, конденсаторе, конденсатопроводе и резервуаре свободно и непрерывно по всей их длине позволит повысить надежность работы устройства за счет обеспечения его работоспособности после многократных циклов замораживания-размораживания находящегося в нем теплоносителя путем предотвращения разрушения элементов устройства, т.к. эластичная вставка, занимающая определенный объем, сначала сжимается под воздействием усилий, возникающих при замерзании теплоносителя и превращении его в лед, а при последующем обратном превращении эта вставка восстанавливает свою первоначальную форму.
Выполнение частей эластичной вставки, размещенных в паровом коллекторе и резервуаре в виде петли позволяет не допустить перемещения вставки в осевом направлении при работе устройства, когда пар и конденсат движутся по паропроводу, конденсатопроводу и могут «прихватить» с собой вставку. А наличие петель в паровом коллекторе и резервуаре не дадут возможности перемещаться вставке в осевом направлении вместе с потоками пара и конденсата, что обеспечит надежность работы устройства.
Выполнение эластичной вставки с объемом, составляющим не менее, чем 10% от объема, в котором эта вставка размещена, обеспечит возможность наиболее полного восприятия усилий, возникающих в устройстве при превращении теплоносителя в лед, объем которого при этом практически мгновенно увеличивается на 10% по отношению к объему теплоносителя, из которого этот лед образовался..
Выполнение эластичной вставки из материала, способного многократно воспринимать механические усилия и восстанавливать свой первоначальный объем после их снятия, позволит предотвратить разрушение устройства при многократном замораживании-размораживании в нем теплоносителя.
На фиг.1 представлена схема теплопередающего устройства для охлаждения электронных приборов при отсутствии тепловой нагрузки с расположением испарителя вверху, а конденсатора - внизу;
на фиг.2 показана схема теплопередающего устройства для охлаждения электронных приборов при отсутствии тепловой нагрузки с расположением испарителя внизу, а конденсатора - вверху;
на фиг.3 представлена схема работающего теплопередающего устройства для охлаждения электронных приборов;
на фиг.4 показан вид А поперечного сечения паропровода и конденсатопровода с размещенной внутри них эластичной вставкой;
на фиг.5 показан вид Б теплопередающего устройства для охлаждения электронных приборов с зоной подвода тепла;
Теплопередающее устройство для охлаждения электронных приборов
выполнено в виде замкнутого герметичного контура (фиг.1), включающего испаритель 1 и конденсатор 2, соединенные раздельными пустотелыми паропроводом 3 и конденсатопроводом 4. Испаритель 1 содержит капиллярно-пористую (фитильную) структуру 5, паровой коллектор 6, к которому подключен паропровод 3 и зону 7 подвода тепла для размещения источника тепловой нагрузки или охлаждаемого объекта (не показаны). Испаритель 1 сопряжен с резервуаром 8, к которому подключен конденсатопровод 4. Конденсатор 2, выполненный в виде участка пустотелого трубопровода, расположен между паропроводом 3 и конденсатопроводом 4. В паровом коллекторе 6, паропроводе 3, конденсаторе 2, конденсатопроводе 4 и резервуаре 8 непрерывно по всей их длине свободно размещена эластичная вставка 9, выполненная, например, из капрона. Участки 10 и 11 эластичной вставки 9, размещенные, соответственно, в паровом коллекторе 6 и резервуаре 8, выполнены в виде петли. Из теплопередающего устройства удален воздух, и оно частично заполнено теплоносителем 12, например, водой. Теплопередающее устройство работает следующим образом.
Сначала рассмотрим положение устройства, когда испаритель 1 расположен вверху, а конденсатор 2 - внизу (фиг.1). При замораживании устройства теплоноситель, скопившийся в паропроводе 3, конденсаторе 2 и конденсатопроводе 4 начинает превращаться в лед. При этом объем льда практически мгновенно увеличивается примерно на 10% по отношению к объему теплоносителя, из которого он образовался. Возникающие при этом усилия воспринимаются эластичной вставкой 9, выполненной в виде цилиндра, объем которого составляет не менее 10% по отношению к объему, в который эта вставка помещена, а именно: в паропроводе 3, конденсаторе 2 и конденсатопроводе 4. При последующем оттаивании, когда лед вновь превращается в жидкий теплоноситель, эластичная вставка 9 восстанавливает свою первоначальную форму, позволяя многократно повторять циклы замораживания-размораживания. При этом не происходит разрушения
паропровода 3, конденсатора 2 и конденсатопровода 4, что позволяет сохранить работоспособность устройства.
Далее рассмотрим положение устройства, когда испаритель 1 расположен внизу, а конденсатор 2 - вверху (фиг.2). В этом случае при замораживании устройства теплоноситель, скопившийся в паропроводе 3, конденсатопроводе 4, паровом коллекторе 6 и резервуаре 8 также начинает превращаться в лед. Возникающие при этом усилия воспринимаются эластичной вставкой 9, размещенной в паропроводе 3, конденсатопроводе 4, паровом коллекторе 6 и резервуаре 8. При последующем оттаивании, когда лед вновь превращается в жидкий теплоноситель, эластичная вставка 9 восстанавливает свою первоначальную форму, позволяя многократно повторять циклы замораживания-размораживания. При этом также не происходит разрушения паропровода 3, конденсатопровода 4, парового коллектора 6 и резервуара 8, что позволяет сохранить работоспособность устройства.
Работа устройства после размораживания осуществляется следующим образом. Рассматривается наиболее сложная ситуация, когда устройство расположено вертикально, а испаритель 1 находится выше конденсатора 2 (фиг.3). При подводе тепловой нагрузки к зоне 7 теплоноситель 12 начинает испаряться из фитильной структуры 5, отнимая при этом скрытую теплоту парообразования и охлаждая источник тепловой нагрузки. Давление пара в паровом коллекторе 6 при этом оказывается выше, чем давление пара в резервуаре 8, поскольку зона подвода тепла 7 смещена в сторону парового коллектора 6, и испарение теплоносителя 12 в паровой коллектор 6 происходит значительно интенсивнее, чем в резервуаре 8. За счет этой разности давлений теплоноситель 12 вытесняется из паропровода 3 и конденсатора 2, целиком заполняя конденсатопровод 4 и резервуар 8. Пар по паропроводу 3 поступает в конденсатор 2, конденсируется здесь и отдает тепло в окружающую его среду, в качестве которой могут быть воздух или жидкость. Образовавшийся конденсат по конденсатопроводу 4 движется в
резервуар 8, впитывается в фитильную структуру 5 и поступает в зону подвода тепла 7, замыкая, тем самым, рабочий цикл устройства. Движение теплоносителя 12 по конденсатопроводу 4 осуществляется против действия сил тяжести за счет того, что фитильная структура 5 выполняет не только роль «капиллярного насоса», но и «теплового затвора», позволяющего создать перепад температуры и давления пара между своей испаряющей и впитывающей поверхностями. При этом участки 10 и 11 эластичной вставки 9, выполненные в виде петли, и размещенные, соответственно, в паровом коллекторе 6 и резервуаре 8, не допускают при движении теплоносителя 12 перемещения вставки в осевом направлении, что обеспечивает стабильность характеристик устройства.
Таким образом, многократное повторение циклов замораживания-размораживания, независимо от ориентации устройства в пространстве, не приводит к разрушению парового коллектора 6, паропровода 3, конденсатора 2, конденсатопровода 4 и резервуара 8, что позволяет сохранить работоспособность устройства.
Конструкция теплопередающего устройства для охлаждения электронных приборов, соответствующая пунктам 1-5 формулы изобретения, была реализована в экспериментальной практике ООО «Теркон-КТТ». В частности, было изготовлено теплопередающее устройство с паровым коллектором, резервуаром, паропроводом и конденсатопроводом, в которых была размещена эластичная вставка из капрона в соответствии с п.п.1-5 формулы изобретения. В качестве теплоносителя использовалась дистиллированная вода. К настоящему времени проведено 65 циклов замораживания-размораживания устройства. Замораживание производилось при температуре минус 18°С, а размораживание - при температуре 20±2°С. Выдержка при указанных температурах в каждом цикле составила от 2 до 16 часов. Замораживание устройства производилось в 3-х положениях: вертикальном, когда испаритель находился вверху, а конденсатор внизу; горизонтальном; вертикальном, когда конденсатор располагался вверху, а
испаритель внизу. После серии циклов замораживания-размораживания периодически проводились тепловые испытания - определялась динамика изменения наиболее важного параметра - температуры испарителя. Величина тепловой нагрузки, подводимой к испарителю, составляла 100 Вт. Результаты испытаний показали, что устройство с эластичной вставкой, соответствующее п.п.1-5 формулы изобретения, выдержало испытания без разрушений. Устройство при этом сохранило работоспособность, а значение наиболее важного параметра - температуры испарителя при этом сохранялось стабильным на уровне 75±1,5°С.