ТЕПЛООБМЕННЫЙ БЛОК

Полезная модель относится к системам термостабилизации и может быть использована для обеспечения требуемых тепловых режимов элементов радиоэлектронной аппаратуры, в частности электронных плат.
Известно устройство для теплообмена между стенкой и потоком среды (см. патент №2367873, кл. F28F 1/00, публ. 20.09.2009), содержащее теплообменную непроницаемую стенку и соединенную с ней, выполненную из пористого проницаемого материала деталь, имеющую ориентированные вдоль потока отверстия, которые открыты с одной стороны, сообщаются с элементом для подвода или отвода среды и закрыты с противоположного торца. Деталь выполнена в виде складчатой или волнистой проставки, состоящей из контактных площадок и теплообменных ребер, отверстия образованы ребрами проставки и стенкой и имеют фигурное поперечное сечение, контактные площадки соединены со стенкой, а проставка в зоне контактной площадки имеет диаметр пор меньший, чем в области ребра.
Недостатком указанного устройства является недостаточная эффективность охлаждения.
Известно устройство для нагрева и охлаждения жидкости (см. патент №2154875, кл. H01L 35/28, публ. 20.08.2000), включающее, по крайней мере, одну термобатарею, теплообменники горячего и холодного контуров протока жидкости, снабженное герметичными прокладками, верхней и нижней крышками, средством для подвода и отвода жидкости, блоком питания с силовыми элементами, вход которого предназначен для подключения к сети, а выход - к токовым выводам термобатареи. Содержащее также одну панель для охлаждения силовых элементов блока питания, выполненную из теплопроводящего материала, которая связанна с блоком питания и блоком управления, снабженную дополнительным выходом для подключения внешних устройств, и датчиками температуры, установленными на теплообменниках и подключенными к блоку управления. Теплообменники выполнены в виде чередующихся каналов горячего и холодного контуров протока жидкости, верхняя и нижняя стенки которых образованы соответственно двумя горячими или холодными теплопроходами параллельно установленных с зазором по отношению друг к другу термобатарей, между которыми размещены герметичные прокладки. Верхняя и нижняя крышки установлены на герметичных прокладках с образованием верхнего и нижнего каналов теплообменников. При этом каналы каждого теплообменника соединены последовательно с помощью средства для подвода и отвода жидкости.
Недостатком указанного устройства является недостаточная эффективность теплообмена из-за отсутствия развитой поверхности теплообмена в каналах.
Наиболее близким из известных технических решений является комбинированное вихревое термоэлектрическое устройство (см. патент №2479073, кл. H01L 35/28, публ. 20.11.2012 - прототип). Устройство включает корпус, выполненный из неметаллического электроизоляционного материала с низкой теплопроводностью, состоящий из полого цилиндра, трех верхних и четырех нижних торцевых днищ. Внутри полого цилиндра между торцевыми днищами установлена вихревая труба с тангенциальным вводом, который представляет собой шесть прямоугольных (щелевых) отверстий, выполненных по касательной к внутреннему диаметру вихревой трубы. Для закрутки потока, поступающего в вихревую трубу, к ней приварены шесть радиальных, изогнутых в сторону закрутки трубопроводов прямоугольного сечения, которые, в свою очередь, жестко соединены с входным коллектором, размещенным между торцевыми днищами и выполненным в виде тора прямоугольного сечения. Снаружи к коллектору приварен входной патрубок с фланцем. В одном из днищ ввернута ускорительная втулка, а в другом днище - тормозное устройство, выполненные из неметаллического материала с низкой теплопроводностью. На ускорительной втулке имеется осевое отверстие, расширяющееся с одного края, два радиальных отверстия и завихритель, выполненный в виде шнека, направление закрутки которого совпадает с направлением закрутки потока. На тормозном устройстве имеется шесть радиальных ребер.
С внешней стороны по окружности вдоль вихревой трубы размещены поочередно с зазором относительно друг друга шесть горячих и шесть холодных теплообменников, выполненных в виде трубопроводов трапецеидального сечения с концевыми патрубками круглого сечения. В зазорах между горячими и холодными теплообменниками установлены термоэлектрические модули таким образом, что одной своей плоской термочувствительной поверхностью они плотно прилегают к боковым сторонам трапецеидальных трубопроводов горячих теплообменников, а другой своей плоской термочувствительной поверхностью - к боковым сторонам трапецеидальных трубопроводов холодных теплообменников. Горячие теплообменники закреплены на торцевых днищах с помощью гаек, для чего на концевых патрубках выполнена резьба, и они пропущены через отверстия, выполненные в торцевых днищах. При этом одновременно прижимается к торцевому днищу вихревая труба путем воздействия торцевого днища на упорную шайбу, установленную в проточке, выполненной в вихревой трубе, а холодные теплообменники с помощью гаек закреплены на торцевых днищах, для чего на концевых патрубках также выполнена резьба, и они пропущены через отверстия, выполненные в торцевых днищах. Торцевое днище скреплено с торцевым днищем, а торцевое днище - с торцевым днищем двенадцатью болтами, ввернутыми в сдвоенные гайки дугообразной формы, размещенные внутри торцевых днищ. На торцевых днищах с помощью гаек закреплены выходные патрубки для выхода горячего и для выхода холодного потоков. В торцевом днище и полом цилиндре имеются вырезы, в которых установлена втулка для вывода электрического кабеля. В качестве изолирующей прокладки между внутренними торцевыми частями термоэлектрических модулей и вихревой трубой установлена электротеплоизолирующая втулка. Входы и выходы холодных теплообменников связаны с вихревой трубой через коллекторы холодного потока в виде кольцевых полостей, образованных зазорами между торцевыми днищами. Входы и выходы горячих теплообменников связаны с вихревой трубой через коллекторы горячего потока в виде кольцевых полостей, образованных зазорами между торцевыми днищами. Для обеспечения герметичности соединений используются уплотнительные элементы. Для дополнительного нагрева горячего потока, проходящего внутри трапецеидальных трубопроводов горячих теплообменников, в них могут устанавливаться поперечные перегородки. При использовании тормозного устройства с осевым отверстием для обеспечения циркуляции холодного потока по замкнутому циклу (вихревая труба - холодный теплообменник - вихревая труба) на выходной фланцевый патрубок холодного потока устанавливается заглушка и крепится болтами.
Недостатком указанного устройства является недостаточная эффективность теплообмена, также недостатком является дополнительное изменение гидродинамической картины течения за счет использования вихревой трубы.
Технический эффект, достигаемый предложенным теплообменным блоком, заключается в повышение эффективности теплообмена путем применения развитой поверхности теплообмена без существенного ухудшения гидродинамической картины течения.
Данный технический эффект достигается в теплообменном блоке на основе термоэлектрических модулей, содержащем по крайней мере один термоэлектрический модуль, теплообменные каналы для горячего и холодного теплоносителя, расположенные таким образом, что теплообменные каналы одного типа находятся с горячей стороны термоэлектрического модуля, а теплообменные каналы другого типа - с холодной стороны термоэлектрического модуля, согласно полезной модели, внутренние полости теплообменных каналов содержат пористые вставки, образующие развитую поверхность теплообмена. Пористые вставки внутренних полостей теплообменных каналов выполнены из одинакового материала с материалом стенок этих каналов, образуя единую монолитную конструкцию, причем горячий и холодный теплоноситель проходит через пористые вставки только в поперечном сечении вставок.
Суть полезной модели поясняется фиг. 1, где изображен теплообменный блок на основе термоэлектрических модулей, содержащий три термоэлектрических модуля, теплообменные каналы для горячего и холодного теплоносителя, расположенные таким образом, что теплообменные каналы одного типа находятся с горячей стороны термоэлектрического модуля, а теплообменные каналы другого типа с холодной стороны термоэлектрического модуля. Внутренние полости теплообменных каналов содержат пористые вставки, образующие развитую поверхность теплообмена. В состав теплообменного блока входят:
1 - термоэлектрический модуль;
2 - теплообменный канал с холодной стороны термоэлектрического модуля;
3 - теплообменный канал с горячей стороны термоэлектрического модуля;
4 - пористая вставка;
5 - непроницаемая для теплоносителя заглушка;
6 - входной коллектор теплообменных каналов с холодной стороны термоэлектрического модуля;
7 - входной коллектор теплообменных каналов с горячей стороны термоэлектрического модуля;
8 - выходной коллектор теплообменных каналов с горячей стороны термоэлектрического модуля.
Конструктивно теплообменный блок на основе термоэлектрических модулей содержит три термоэлектрических модуля 1, с холодной стороны термоэлектрического модуля расположено три теплообменных канала 2, с горячей стороны термоэлектрических модулей 1 расположено три теплообменных канала 3. Внутри теплообменных каналов 2, 3 расположены пористые вставки 4. Пористые вставки 4 внутренних полостей теплообменных каналов 2, 3 выполнены из одинакового материала с материалом стенок этих каналов, образуя единую монолитную конструкцию. Пористые вставки 4 расположены вдоль теплообменных каналов 2, 3, а на концах вставок 4 имеются непроницаемые для теплоносителя заглушки 5, выполнены таким образом, что теплоноситель проходит через пористые вставки только в поперечном сечении вставок. Теплообменные каналы с холодной стороны термоэлектрических модулей объединены в коллектор 6. Теплообменные каналы с горячей стороны термоэлектрических модулей объединены в коллекторы 7, 8. Стрелками обозначено направление движения теплоносителя (жидкости).
Работа теплообменного блока осуществляется следующим образом. При подаче напряжения на термоэлектрические модули 1 они начинают вырабатывать с одной стороны тепло, с другой - холод. Теплоноситель с холодной стороны термоэлектрического модуля поступает во входной коллектор 6, где распределяется по каналам 2, расположенным вдоль холодной стороны термоэлектрических модулей 1. В каналах 2 теплоноситель охлаждается, проходя через пористые вставки 4, и далее поступает в выходной коллектор (на рисунке не показан). Теплоноситель проходит пористые вставки канала в поперечном сечении за счет использования непроницаемых для теплоносителя заглушек 5. Теплоноситель с горячей стороны термоэлектрического модуля поступает во входной коллектор 7, где распределяется по каналам 3, расположенным вдоль горячей стороны термоэлектрических модулей 1. В каналах 3 теплоноситель нагревается, проходя через пористые вставки 4, и далее поступает в выходной коллектор 8. Теплоноситель проходит пористые вставки канала в поперечном сечении за счет использования непроницаемых для теплоносителя заглушек 5.
Преимуществом приведенного теплообменного блока является увеличение эффективности теплообмена путем применения развитой поверхности теплообмена без существенного ухудшения гидродинамической картины течения, также при неизменных габаритах теплообменного блока.
Таким образом, реализация данной полезной модели приводит к повышению эффективности теплообмена.