ТЕРМОРЕГУЛИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО НА БАЗЕ КОНТУРНОЙ ТЕПЛОВОЙ ТРУБЫ
THERMAL CONTROL DEVICE BASED ON WRAPAROUND HEAT TUBE

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано при создании регулируемых теплопередающих устройств и систем терморегулирования на их основе, в частности в космической технике, а также для обеспечения теплового режима оборудования, работающего в суровых климатических условиях.
Известны терморегулирующие устройства на базе контурных тепловых труб (КнТТ), в которых охлаждение испарителя и присоединенного к нему охлаждаемого прибора ниже допустимой температуры предотвращается за счет организации регулируемого стока тепла к конденсатору (F.Bodendleck, R.Schlitt, O.Romberg, K.Goncharov, V.Buz, U.Hildebrand. Precision temperature control with a loop heat pipe, SAE # 2005-01-2938, Rome, ITALY, 2005). Устройство, описанное в данной работе, построено на базе КнТТ, содержащей испаритель с капиллярно-пористой вставкой, компенсационную полость, паро- и конденсатопровод, конденсатор и клапан с байпасной линией. В составе клапана имеется сильфон, в зоне размещения которого поддерживается заданный уровень давления среды. Сильфон является элементом, обеспечивающим перемещение седла клапана, когда возникает разность давлений снаружи и внутри сильфона. В случае снижения давления в КнТТ (ниже заданного) клапан закрывает циркуляцию через конденсатор и открывает байпасную линию, напрямую соединяющую паро- и конденсатопровод. Последующий за этим нагрев испарителя приводит к повышению давления внутри КнТТ, и клапан вновь открывает путь для циркуляции теплоносителя через конденсатор, закрывая байпасную линию. Поскольку для насыщенного теплоносителя температура и давление однозначно связаны между собой, применение описанного выше метода позволяет поддерживать одновременно с уровнем давления заданный уровень температуры.
В описанном устройстве, построенном на базе КнТТ, предлагается наполнять клапан инертным газом или двухфазным теплоносителем, причем в последнем случае для обеспечения более точного поддержания заданного уровня температуры предлагается использовать маломощный нагреватель, установленный на корпусе клапана.
Основным недостатком представленного выше терморегулирующего устройства является то, что поддержание давления пара в паропроводе, а следовательно, и температуры насыщения в КнТТ (в случае если клапан наполнен инертным газом) не позволяет обеспечить непосредственное (точное) регулирование температуры испарителя, либо охлаждаемого объекта. Это особенно заметно, например, при значительном термическом сопротивлении испарителя, когда разность температур пара и посадочного места оборудования сильно зависит от передаваемой тепловой нагрузки.
В случае если в данном устройстве клапан заправлен двухфазным теплоносителем и уровень давления поддерживается с помощью маломощного нагревателя, управление устройством становится энергозависимым, т.е. не может осуществляться без применения блока автоматики с электропитанием, что также можно рассматривать как недостаток.
К отмеченным выше недостаткам следует также добавить неспособность описанного терморегулирующего устройства обеспечивать термостатирование оборудования, предусматривающее необходимость обогрева последнего.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению по обоим вариантам, выбранным в качестве прототипа, является терморегулирующее устройство на базе контурной тепловой трубы, имеющей испаритель, контактирующий с постоянно работающим генератором тепла, два конденсатора, контактирующих, соответственно, с термостатируемым оборудованием и радиатором и трехходовой клапан (C.C.Birur, M.T.Pauken, K.S.Novak. Thermal Control of Mars Rovers and Landers Using Mini Loop Heat Pipes. Proceedings of 12 IHPC, Moscow-Kostroma-Moscow, Russia, 2002, pp.189-194).
Данное терморегулирующее устройство также построено на базе КнТТ и предназначено для регулируемого подогрева оборудования (аккумуляторной батареи) в условиях марсианской окружающей среды, характеризующейся низкими ночными температурами. Благодаря наличию в устройстве трехходового клапана (и байпасной линии) теплоноситель внутри КнТТ может циркулировать по двум альтернативным контурам, что и позволяет осуществлять регулируемый обогрев аккумуляторной батареи (АБ). Излишки тепла от применяемого здесь радиоизотопного источника тепла, при необходимости, могут рассеиваться через радиатор (РТ) в окружающую среду. В альтернативном случае циркуляция теплоносителя через конденсатор, контактирующий с радиатором, может быть отключена с помощью байпасной линии, соединяющей вход и выход указанного конденсатора, поскольку клапан сконструирован так, что при полном закрытии входа в конденсатор, вход в байпасную (обводную) линию будет полностью открыт и наоборот. Таким образом, в терморегулирующем устройстве, обеспечивающем подогрев АБ, циркуляция через конденсатор, контактирующий с оборудованием, осуществляется всегда, независимо от положения клапана, а через конденсатор, контактирующий с РТ, только при необходимости. Применяемый трехходовой клапан наполнен инертным газом и является пассивным, а рассматриваемое устройство способно работать, при крайних и при промежуточном положении клапана.
Нагревательные устройства с пассивным регулированием, подобные устройству, обеспечивающему обогрев АБ, получили широкое распространение в космической технике, поскольку они являются компактными, автономными, надежными, не содержат электроприводов и не требуют для управления блоков автоматики. Однако недостатком подобных устройств является то, что трехходовой клапан, который, также, называют регулятором давления, обеспечивает стабилизацию давления и температуры насыщенного пара в КнТТ, но не обеспечивает непосредственное регулирование температуры самих приборов, оборудования или их посадочных мест. Поэтому точность поддержания температуры обогреваемого объекта (оборудования) зависит от величины термического сопротивления конденсатора КнТТ (контактирующего с оборудованием), а также от упругости паров теплоносителя, циркулирующего в КнТТ.
Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение точности регулирования температуры приборов, оборудования или их посадочных мест путем поддержания заданной температуры в зависимости от фактической температуры указанных объектов.
Согласно первому варианту, указанные задачи обеспечиваются тем, что в известном терморегулирующем устройстве на базе контурной тепловой трубы, содержащем испаритель, контактирующий с генератором тепла, два конденсатора, контактирующих, соответственно, с термостатируемым оборудованием и радиатором, паропровод, конденсатопровод и трехходовой клапан с сильфоном и байпасной линией, при этом выход испарителя посредством паропровода присоединен ко входу первого конденсатора, контактирующего с термостатируемым оборудованием, а выход первого конденсатора через трехходовой клапан с сильфоном подсоединен ко входу второго конденсатора, контактирующего с радиатором, причем выход второго конденсатора посредством конденсатопровода подсоединен ко входу испарителя и через байпасную линию к трехходовому клапану с сильфоном, новым является то, что устройство снабжено чувствительным элементом, выполненным в виде капиллярной трубки, частично заполненной двухфазным теплоносителем, один конец которой свободно соединен с сильфоном, а другой, герметично закрытый, контактирует с термостатируемым оборудованием.
Согласно второму варианту, указанные задачи обеспечиваются тем, что в известном терморегулирующем устройстве на базе контурной тепловой трубы, содержащем испаритель, контактирующий с генератором тепла, два конденсатора, контактирующих, соответственно, с термостатируемым оборудованием и радиатором, паропровод и конденсатопровод и трехходовой клапан с сильфоном, при этом выход второго конденсатора, контактирующего с радиатором, посредством конденсатопровода подсоединен ко входу испарителя, новым является то, что выход испарителя посредством паропровода через трехходовой клапан с сильфоном подсоединен ко входам конденсаторов, при этом выход первого конденсатора, контактирующего с термостатируемым оборудованием, посредством конденсатопровода подсоединен к выходу второго конденсатора и ко входу испарителя, причем устройство снабжено чувствительным элементом, выполненным в виде капиллярной трубки, частично заполненной двухфазным теплоносителем, один конец которой свободно соединен с сильфоном, а другой, герметично закрытый, контактирует с термостатируемым оборудованием.
Кроме того, в обоих вариантах устройства двухфазный теплоноситель, заправляемый в чувствительный элемент, имеет более высокую упругость пара, чем теплоноситель контурной тепловой трубы, а сильфон выполнен подпружиненным.
Введение в состав устройства чувствительного элемента, выполненного в виде капиллярной трубки, частично заполненной двухфазным теплоносителем, один конец которой свободно соединен с сильфоном, а другой, герметично закрытый, контактирует с термостатируемым оборудованием, позволяет обеспечить регулирование температурного режима указанного оборудования в зависимости от его действительной температуры и, соответственно, повысить точность терморегулирования.
Использование в терморегулирующем устройстве параллельного соединения конденсаторов снижает общее гидравлическое сопротивление циркуляционного контура КнТТ и позволяет в процессе работы полностью отключать обогрев оборудования, отключая контактирующий с ним конденсатор. За счет этого можно существенно минимизировать проектные размеры радиатора, повысив его рабочий уровень температуры.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
Фиг.1 - схема терморегулирующего устройства при последовательном соединением конденсаторов;
Фиг.2 - схема терморегулирующего устройства при параллельном соединением конденсаторов;
Фиг.3 - функциональная схема трехходового клапана при последовательном соединении конденсаторов;
Фиг.4 - функциональная схема трехходового клапана при параллельном соединении конденсаторов.
Терморегулирующее устройство на базе контурной тепловой трубы в первом варианте (Фиг.1) содержит испаритель 1, имеющий тепловой контакт с постоянно работающим генератором тепла 2. Испаритель 1 оснащен капиллярно-пористой вставкой 3 и компенсационной полостью 4. Выход испарителя посредством паропровода 5 подсоединен ко входу конденсатора 6, предназначенного для нагрева оборудования 7 (например, термостатируемой платформы с приборами). Выход конденсатора 6 через трехходовой клапан 8 с сильфоном 9 соединен со входом конденсатора 10, контактирующего с радиатором 11, предназначенным для отвода тепла от генератора 2 в окружающую среду. Выход конденсатора 10 посредством конденсатопровода 12 подсоединен ко входу испарителя 1 и через байпасную линию 13 к трехходовому клапану 8 с сильфоном 9. Трехходовой клапан 8 направляет теплоноситель либо в конденсатор 10, либо в обход, по байпасной линии 13, а также может занимать промежуточное положение. Устройство снабжено чувствительным элементом, выполненным в виде капиллярной трубки 14, частично заполненной двухфазным теплоносителем, один конец которой свободно соединен с сильфоном 9, а другой, герметично закрытый, контактирует с термостатируемым оборудованием 7. При этом сильфон 9 является исполнительным механизмом, обеспечивающим движение тарелок трехходового клапана 8. Внутренняя полость сильфона 9 совместно с внутренней полостью капиллярной трубки 14 образуют общую герметично закрытую полость, частично заправленную двухфазным теплоносителем, который не имеет непосредственного контакта с теплоносителем КнТТ. При необходимости жесткость сильфона усиливается с помощью пружины 15, см. Фиг.3. На Фиг.3 сильфон показан в разжатом положении, т.е. в состоянии, соответствующем «горячему» режиму работы теплопередающего устройства.
Предлагаемое согласно первому варианту теплопередающее устройство работает следующим образом. В «холодном» режиме осуществляется подогрев оборудования через конденсатор 6. Конденсатор 10 при этом закрыт и вся энергия генератора тепла используется для компенсации теплопотерь от оборудования в окружающую среду с целью поддержания его заданного температурного уровня.
Если температура оборудования превысит некоторое заданное значение (т.е. наступит «горячий» режим), тогда вырастет давление насыщения в капиллярной трубке, сильфон разожмется и откроет (или частично откроет) вход в конденсатор 10 и через него, с помощью радиатора 11, излишки тепла, поступающие от генератора тепла 2, станут рассеиваться в окружающую среду. Это позволяет предотвратить перегрев оборудования.
При снижении температуры внешней среды или при снижении тепловыделения от оборудования 7 его температура начнет падать, давление насыщения в капиллярной трубке 14 начнет снижаться, сильфон сожмется и конденсатор 10 закроется, а байпасная линия 13 откроется. В этом случае энергия генератора тепла, снова, будет направлена только в конденсатор 6, который осуществляет подогрев оборудования.
Таким образом, достигается регулируемый обогрев, причем управление работой клапана осуществляется по фактической температуре самого оборудования или платформы, на которую данное оборудование установлено, т.е. по температуре того места, с которым контактирует чувствительный элемент.
Для заправки полости, образованной чувствительным элементом и сильфоном, следует использовать 2-фазный теплоноситель с высокой упругостью пара, желательно более высокой, чем упругость пара теплоносителя в самой КнТТ. За счет этого разность температур закрытия и открытия клапана можно значительно уменьшить, а точность регулирования, дополнительно, повысить.
Собственной жесткости сильфона может оказаться недостаточно, чтобы обеспечить разность (и уровень) давлений, которые должны соответствовать крайним положениям клапана. В таком случае, для расширения возможности настройки клапана может использоваться пружина или другой упругий элемент.
Для того чтобы давление насыщения 2-фазного теплоносителя, заправленного в чувствительный элемент, соответствовало именно температуре оборудования, необходимо, чтобы температуры соединительной части капиллярной трубки и сильфона имели температуру, несколько выше, чем температура участка капиллярной трубки, контактирующего с оборудованием. В случае, когда нет возможности обеспечить выполнение данного условия (без специальных мер) следует организовать тепловой контакт капиллярной трубки, а также сильфона с паропроводом (имеющим заведомо более высокую температуру). Сильфон может быть помещен также внутрь КнТТ, за счет чего будет обеспечен его тепловой контакт с паром КнТТ, температура которого выше температуры платформы.
Предлагаемое по второму варианту терморегулирующее устройство на базе контурной тепловой трубы (Фиг.2) также построено на базе КнТТ, которая содержит испаритель 1, имеющий тепловой контакт с постоянно работающим генератором тепла 2. Выход испарителя посредством паропровода 5 через трехходовой клапан 8 с сильфоном 9 подсоединен ко входу конденсатора 6, предназначенного для нагрева оборудования 7 (например, термостатируемой платформы с приборами), и входу конденсатора 10, контактирующего с радиатором 11, предназначенным для отвода тепла от генератора 2 в окружающую среду. Выход конденсатора 6 посредством конденсатопровода 12 подсоединен к выходу конденсатора 10 и ко входу испарителя 1. Трехходовой клапан 8 направляет теплоноситель либо в конденсатор 6, либо в конденсатор 10, а также может занимать промежуточное положение. В устройстве по второму варианту нет байпасной линии. Как и в первом варианте, устройство снабжено чувствительным элементом, выполненным в виде капиллярной трубки 14, частично заполненной двухфазным теплоносителем, один конец которой свободно соединен с сильфоном 9, а другой, герметично закрытый, контактирует с термостатируемым оборудованием 7.
Работает устройство по второму варианту следующим образом. Генератор тепла 2 греет испаритель, из которого через трехходовой клапан пар попадает в конденсаторы 6 и 10, контактирующие соответственно с термостатируемым оборудованием 7 и с радиатором 11. В случае, когда оборудование необходимо подогревать трехходовой клапан 8 направляет пар из испарителя в конденсатор 6. Если необходимость в подогреве оборудования отсутствует, пар через клапан поступает только в конденсатор 10, и тогда тепло генератора 2 рассеивается в окружающую среду с помощью радиатора 11. Сконденсировавшийся пар из обоих конденсаторов по конденсатопроводу 12 возвращается в испаритель 1. Как и в первом варианте, изменение положения клапана 8 достигается за счет изменения давления насыщения двухфазного теплоносителя, заправленного в капиллярную трубку 14, свободный конец которой соединен с сильфоном 9, а герметично закрытый контактирует с оборудованием 7. Работу клапана при параллельном включении конденсаторов (т.е. для второго варианта) иллюстрирует Фиг.4.
При общем внешнем сходстве первого и второго вариантов, последний позволяет получить дополнительные преимущества. В частности, за счет параллельного соединения конденсаторов снижается общее гидравлическое сопротивление циркуляционного контура КнТТ. Кроме того, в устройстве по Фиг.2 можно существенно минимизировать проектные размеры радиатора 11, повысив его рабочий уровень температуры.
Примечание. Параллельное включение двух конденсаторов в конструкции предлагаемого устройства может потребовать применения капиллярных изоляторов (или других известных средств, например калиброванных гидравлических сопротивлений), позволяющих уменьшить вероятность пробоя пара из конденсаторов в конденсатопровод. Данные средства широко применяются в технологии КнТТ.
Представленные технические решения позволяют создать теплопередающее устройство, обеспечивающее регулируемый подогрев оборудования в зависимости от его фактической температуры в условиях изменения окружающей температуры или изменения тепловыделения от оборудования. Применение в чувствительном элементе двухфазного теплоносителя с более высокой упругостью пара позволяет получить дополнительное повышение точности регулирования.