ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕПЛОВАЯ ТРУБА
ELECTRONIC HEAT PIPE

Изобретение предназначено для применения в теплотехнике, а именно в устройствах для передачи тепла.
Известна высокотемпературная тепловая труба по патенту № 2241188, которая содержит частично заполненный теплоносителем герметичный корпус с зонами испарения и конденсации, выполненный из диэлектрического материала с плотно облегающим его снаружи защитным металлическим кожухом; цоколь, закрепленный на корпусе с торца зоны испарения, на котором внутри корпуса закреплен нагреватель в виде пары электродов, изготовленных из пластин, выполненных из электролизостойкого материала и установленных параллельно друг другу и перпендикулярно оси корпуса; питание электродов, выполненное на переменном токе; теплоноситель выполнен из электропроводящего материала; на корпусе с торца в зоне конденсации установлена герметизирующая пробка, на торце которой закреплен контейнер с геттером, причем в качестве диэлектрического материала корпуса выбрана керамика, на внутренней поверхности которой, контактирующей с теплоносителем, нанесен слой тугоплавкого металла, например вольфрама, совместимый с парами теплоносителя, герметичный корпус заполнен теплоносителем в твердом состоянии, электроды установлены в теплоносителе, глубина погружения верхнего электрода "h" в теплоноситель и уровень заливки жидкого теплоносителя "Н" в корпус связаны соотношением h/H-0,65-0,75. Тепловая труба снабжена датчиком уровня теплоносителя в корпусе, например, в виде датчика сопротивления тока, между электродами и системой автоматического управления разогревом и работой тепловой трубы.
Известна тепловая труба по патенту № 2083940, которая содержит обогреваемый в зоне испарения и охлаждаемый в зоне конденсации герметичный корпус, внутри которого у внутренней стенки корпуса установлена капиллярная структура, по крайней мере, часть которой в исходном состоянии заполнена рабочим телом в виде химически активного по отношению к кислороду внешней вакуумной среды щелочного металла лития, или натрия, или калия, причем корпус выполнен из гетероактивного по отношению к кислороду внешней вакуумной среды металла, а на наружную поверхность корпуса, по крайней мере в зоне конденсации, нанесено покрытие с шероховатой наружной поверхностью из материала, обладающего малой пропускной способностью кислорода внешней вакуумной среды, в качестве гетероактивного по отношению к кислороду внешней вукуумной среды металла выбран титан или его сплав, или ниобий или его сплав, или тантал или его сплав, а в качестве материала, обладающего малой пропускной способностью кислорода внешней вакуумной среды, выбрана хромоникелевая шпинель.
Недостатками аналогов является наличие теплоносителя - жидкости или жидкого металла, наличие которых существенно увеличивает массу теплопередающего устройства.
Прототипом заявляемого изобретения является классическая контурная тепловая труба (КТТ), приведенная в патенте СССР № 449213. КТТ содержит испаритель, паропровод, теплообменник-конденсатор, конденсаторопровод.
Устройство по прототипу работает следующим образом. Испаритель нагревается под действием тепла объекта. Жидкость в испарителе нагревается до температур, при которых происходит ее превращение в пар. Тем самым тепло нагрева идет на переход жидкости в пар. Далее пар направляется в паропровод и поступает в конденсатор-теплообменник, где происходит его охлаждение и конденсация, то есть опять образуется жидкость. Таким образом происходит передача тепла от источника нагрева испарителя к конденсатору. Данная жидкость направляется в конденсаторопровод, проходя по которому данная жидкость поступает в испаритель и цикл охлаждения повторяется заново.
Недостатком прототипа является то, что для реализации контурной тепловой трубы необходимо также применять жидкость, что увеличивает массу КТТ. При этом необходимость применения капиллярных эффектов накладывает ограничения на диаметр трубопроводов.
Технической задачей, вытекающей из современного уровня науки и техники, является повышение надежности и долговечности тепловых труб, в том числе КТТ с одновременным снижением их массы и стоимости.
Указанная техническая задача решается тем, что в качестве теплоносителя применяются электроны, выходящие из слоя материала с низкой работой выхода электронов при термоэлектронной эмиссии, нанесенного на поверхность нагреваемого элемента.
Это достигается тем, что в качестве испарителя применяется участок трубопровода, выполненный из электропроводящего материала. Причем на его внутреннюю поверхность нанесен эмиссионный слой с низкой работой выхода электронов при нагреве. Участок трубопровода из электропроводящего материала и нанесенный на его внутреннюю поверхность эмиссионный слой представляют собой катод. В качестве теплообменника-охладителя применяется участок трубопровода, выполненный из электропроводящего материала, на внутреннюю поверхность которого нанесен слой восприятия электронов (СВЭ) из материала с низкой работой выхода электронов. Причем материал СВЭ должен иметь величину работы выхода электронов в рабочих условиях ЭТТ ниже величины работы выхода электронов эмиссионного слоя катода. Участок трубопровода с нанесенным на его внутреннюю поверхность СВЭ представляет собой анод. Причем выходное отверстие катода гидравлически через трубопровод, выполненный из электронепроводящего материала, соединен с входным отверстием анода. Выходное отверстие анода гидравлически через участок трубопровода из электронепроводящего материала, обратный клапан и устройство для передачи энергии рабочему телу (УПЭР), например насос, соединен с входным отверстием катода. Одновременно анод через потребитель электроэнергии электрически соединен с катодом.
2
Катод предназначен для восприятия тепла охлаждаемого объекта. При нагреве катода на его внутренней поверхности возрастает интенсивность термоэлектронной эмиссии электронов, то есть с поверхности эмиссионного слоя начинают выходить «горячие» электроны. При этом электроны забирают с собой большое количество тепловой энергии. То есть происходит электронное охлаждение катода, которое может достигать и превосходить величины в 1,5-9 МВт/м.
Одновременно в трубопроводе движется рабочее тело. В качестве рабочего тела могут выступать газы, в том числе инертные, например аргон. Скорость рабочего тела в общем случае может быть дозвуковой или сверхзвуковой. Для этого в качестве УПЭР может выступать нагреватель рабочего тела, а перед входным отверстием катода может быть установлено сверхзвуковое сопло, а в выходном отверстии катода может быть установлен сверхзвуковой диффузор.
При выходе электронов из эмиссионного слоя они уносятся потоком рабочего тела. Таким образом, ликвидируется пространственный отрицательный заряд, препятствующий дальнейшей эмиссии электронов. Это приводит к увеличению эмиссии электронов с поверхности эмиссионного слоя и увеличению интенсивности электронного охлаждения. Электроны эмиссии в данном случае являются носителями тепла. Перенос же этого запасенного электронами тепла осуществляется потоком рабочего тела. Это приводит к тому, что теплопроводность заявляемого устройства пропорциональна скорости рабочего тела, и поэтому может превосходить теплопроводность любых других тепловых труб. При этом за счет применения в качестве рабочего тела газа, а не жидкого металла, существенно снижается масса конструкции ЭТТ по сравнению с прототипом и аналогами. Еще одним достоинством заявляемого изобретения является высокая чувствительность электронного охлаждения к температуре нагрева катода. То есть при более высокой температуре автоматически происходит увеличение интенсивности электронного охлаждения.
Электроны, движущиеся по трубопроводу, воспринимаются анодом из потока рабочего тела. Форма и расположение анода выбираются из соображений восприятия всех электронов эмиссии из потока рабочего тела. Анод также может быть выполнен в форме охлаждаемой сетки, покрытой СВЭ.
От анода электроны по электрической цепи, соединяющей анод и катод, направляются в потребитель электрической энергии, где совершают полезную работу за счет полученной при нагреве катода. При этом электроны охлаждаются. После потребителя электрической энергии «остывшие» электроны возвращаются на катод и цикл электронного охлаждения повторяется заново.
Для поддержания направленного движения электронов температуру анода необходимо поддерживать на уровне ниже температуры катода. Для этого внешние стенки анода через слой электроизоляции находятся в тепловом контакте с охлаждающим элементом анода, например, с каналами бортовой системы охлаждения, в которой циркулирует охладитель. Одновременно, рабочее тело, проходя через обратный клапан поступает в УПЭР, где происходит компенсация энергии рабочего тела, потраченной на прохождение в элементах трубопровода. После УПЭР рабочее тело направляется в катод и цикл движения рабочего тела повторяется заново.
Единым техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявляемого изобретения, является существенное снижение массы конструкции ЭТТ по сравнению с аналогами и прототипом за счет применения в качестве носителей тепла - электронов, выходящих из слоя материала с низкой работой выхода при термоэлектронной эмиссии, и осуществления переноса тепла за счет движения их в потоке рабочего тела, которым является газ или смесь газов. При этом заявляемая ЭТТ обладает нулевой тепловой инерцией, за счет того, что выход электронов при термоэлектронной эмиссии и электронное охлаждение имеют близкую к экспоненциальной зависимость от температуры. Это позволяет практически без задержек и с нулевой инерцией реагировать на изменение количества тепловой энергии нагрева, поступающей на катод, что повышает быстродействие ЭТТ по сравнению с аналогами и прототипом. Также увеличивается теоретическая теплопроводность ЭТТ ввиду того, что носители тепла - электроны эмиссии переносятся потоком рабочего тела, а потому теплопроводность определяется скоростью потока рабочего тела.
На чертеже представлено заявляемое устройство.
Устройство электронной тепловой трубы (ЭТТ) содержит катод, состоящий из элемента трубопровода из электропроводящего материала 1 и эмиссионного слоя 2, элементы трубопровода из электронепроводящего материала 3, потребителя электроэнергии 4, источника рабочего тела 5, обратного клапан 6, обратный клапан 7, УПЭРТ 8, анод, состоящий из элемента трубопровода из электропроводящего материала 9 и СВЭ 10, элемент охлаждения анода 11 и слой электроизоляции 12.
Катод предназначен для восприятия тепловой энергии и передачи ее электронам, находящимся внутри него и обеспечения их выхода при термоэлектронной эмиссии. Причем элемента трубопровода из электропроводящего материала 1 предназначен для восприятия тепловой энергии, а эмиссионный слой 2 - для обеспечения высокой эмиссии электронов при нагреве. Элементы из электропроводящего материала (ЭЭПМ) 11 и СВЭ 10 представляют собой анод. Причем ЭЭПМ 11 предназначен для обеспечения движения электронов от СВЭ 10 к потребителю электроэнергии 4. СВЭ 10 предназначен для восприятия электронов эмиссии из потока рабочего тела. Причем форма и расположение анода выбирается таким образом, чтобы обеспечить восприятие всех электронов эмиссии из потока рабочего тела. Элемент охлаждения анода 12, например каналы охлаждения, в которых циркулирует хладагент, предназначен для охлаждения анода и поддержания тем самым температуры анода на уровне ниже температуры катода. Для предотвращения утечки тока из анода, элемент охлаждения анода 12 располагают в тепловом контакте с анодом через слой электроизоляции 13. В качестве потребителя электроэнергии 4 может использоваться любое устройство или прибор, для функционирования которого требуется электрическая энергия. В потребителе электроэнергии 4 электроны за счет полученной при нагреве катода тепловой энергии совершают полезную работу. При этом электроны охлаждаются. То есть потребитель электроэнергии 4 - это холодильник для электронов, в котором происходит отдача энергии электронов в форме полезной работы. Источник рабочего тела 5 предназначен для хранения рабочего тела, например аргона. Обратный клапан 6 предназначен для предотвращения движения рабочего тела в источник рабочего тела 5. Обратный клапан 7 предназначен для предотвращения движения рабочего тела от УПЭРТ 8 к аноду. УПЭРТ 8 предназначен для обеспечения движения рабочего тела по трубопроводам от катода к аноду и от анода к катоду. В качестве УПЭРТ 8 может выступать насос или нагреватель. Элементы трубопровода из электронепроводящего материала 3 (ЭТЭНМ) предназначены для обеспечения движения и направления рабочего тела от анода к катоду и от катода к аноду.
Заявляемое изобретение работает следующим образом.
При нагреве катода (УТЭПМ 1 и эмиссионного слоя 2) с эмиссионного слоя 2 начинают выходить горячие электроны. При выходе из катода электроны забирают с собой большое количество тепла, снижая при этом скорость нагрева катода.
Одновременно или до момента начала нагрева открывается обратный клапан 6 и из УХРТ 5 в УПЭРТ 8 начинает поступать рабочее тело, после выхода которого обратный клапан 6 закрывается. В УПЭРТ 8 рабочее тело дополнительно приобретает энергию и движется за счет нее ко входному отверстию катода.
При движении вдоль эмиссионного слоя 2 рабочее тело уносит электроны эмиссии от поверхности эмиссионного слоя 2. Тем самым ликвидируется отрицательный пространственный заряд, препятствующий дальнейшей эмиссии. Это приводит к увеличению плотности тока эмиссии и электронного охлаждения. Далее рабочее тело с электронами эмиссии движется по ТЭНПМ 3 и поступает во входное отверстие анода. В аноде (ЭТЭПМ 11 и СВЭ 10) электроны эмиссии воспринимаются при помощи СВЭ 10. От СВЭ 10 электроны поступают в ЭТЭПМ 11, а от него - в потребитель электроэнергии 4, где совершают полезную работу, охлаждаясь при этом. После потребителя электроэнергии 4 «остывшие» электроны возвращаются на катод (ЭТЭПМ 1 и эмиссионный слой 2) и цикл электронного охлаждения повторяется заново.
Рабочее тело от анода по ТЭНПМ 3 проходит через обратный клапан 7 и далее в УПЭРТ 8 и цикл движения рабочего тела повторяется заново.
Таким образом при помощи термоэлектронной эмиссии с нагреваемой поверхности и движения рабочего тела осуществляется отвод тепла от зоны нагрева - катода к зоне отвода тепла - аноду. То есть осуществляется работа двух контуров - электронного и газового.
Благодаря новой совокупности существенных признаков решается поставленная задача и достигается указанный выше технический результат, который заключается в снижении массы ЭТТ по сравнению с прототипом и аналогами за счет исключения необходимости использования вещества в жидкой фазе, повышения быстродействия ЭТТ по сравнению с аналогами и прототипом за счет близкой к экспоненциальной зависимости плотности тока эмиссии и электронного охлаждения от температуры при нулевой тепловой инерции. Одновременно отсутствуют ограничения на форму и размеры трубопроводов, поскольку нет необходимости реализации в конструкции капиллярных эффектов, применяемых в КТТ. Кроме того, часть тепловой энергии нагрева катода преобразуется в электрическую энергию, которую можно направить как на работу самой ЭТТ, так и на питание внешних потребителей. При этом теплопроводность ЭТТ ограничивается лишь скоростью движения рабочего тела, которая может быть сильно сверхзвуковой.
ЭТТ можно применять при охлаждении как высокотемпературных объектов, в том числе передних кромок высокоскоростных летательных аппаратов, оборудования космических аппаратов, высокотемпературных элементов различных объектов энергетики и транспорта, элементов потребительской электроники и многих других устройств, требующих интенсивного отвода тепла при своем функционировании.