Теплоаккумулирующее устройство

Предлагаемая полезная модель относится к теплоаккумулирующим устройствам, использующим скрытую теплоту фазового перехода теплоаккумулирующего вещества применяемого для обеспечения температурного режима эксплуатации тепловыделяющих печатных узлов радиоэлектронной аппаратуры при циклической эксплуатации и кратковременных внешних тепловых воздействиях.
Теплоаккумулирующие устройства являются широко применяемыми теплотехническими средствами, и их разработка активно продолжается с развитием материаловедения и многих сфер применения радиоэлектронной аппаратуры. Известен теплообменник, в котором осуществлена система быстрого накопления тепловой энергии с применением пористых сред US 6892798. Применяются разнообразные теплоаккумулирующие вещества, и в частности формоустойчивые плавящиеся вещества RU 2190656, опубликован 10.10.2002г.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является вариант исполнения теплоаккумулирующего устройства, представленный в патенте RU 2306494, опубликованном 20.09.2007г., применяемый для тепловой стабилизации радиоэлектронной аппаратуры, в составе которого применяются формоустойчивые плавящиеся вещества. Данное устройство содержит корпус, имеющий полости, заполненные теплоаккумулирующим фазопереходным рабочим веществом. В качестве рабочего вещества использована композиция формоустойчивого материала, у которого фазопереходное вещество не вытекает из объема этого материала после расплавления и пребывания в жидком состоянии в процессе перегрева.
В представленном теплоаккумулирующем устройстве (ТАУ) накопление тепловой энергии осуществляется за счет формоустойчивого теплоаккумулирующего вещества, размещенного в негерметичном металлическом корпусе. Передача тепловой энергии от размещенных радиоэлектронных блоков осуществляется кондукцией через ребра теплоаккумулирующего устройства.  Основной источник тепловой энергии в радиоэлектронном блоке – тепловыделяющие электро-радио изделия (ЭРИ).
К недостаткам прототипа можно отнести:
- контакт с окружающей средой теплоаккумулирующего вещества может привести к деградации вещества в условиях вакуума;
- теплоаккумулирующее устройство не предназначено для термостатирования плоских печатных узлов с переменным профилем;
- отсутствующей система крепежных элементов для установки печатных узлов радиоэлектронной аппаратуры;
- низкая теплопроводность в нормальном направлении от источника тепловой энергии в области размещение теплоаккумулирующего вещества (ТАВ) ввиду отсутствия внутренних теплопроводящих структур;
- снижение объемов запасаемой тепловой энергии за счет формообразующих веществ, которые не осуществляют фазовый переход.
Для устранения представленных недостатков и предлагается описываемая полезная модель. Основные технические решения для устранения представленных недостатков прототипа заключаются в следующем:
- корпус теплоаккумулирующего устройства выполняется герметичным;
- одна из поверхностей корпуса повторяет профиль термостатируемого печатного узла;
- формоустойчивое теплоаккумулирующее вещество заменяется полностью фазопереходящим веществом;
- на поверхности корпуса ТАУ размещается снимаемый формоустойчивый термоинтерфейс обеспечивающий контакт между ТАУ и тепловыделяющим печатным узлом;
- полости с фазопереходящим теплоаккумулирующим веществом заполняются листовыми пиролитическими углеродными материалами или пористыми металлическими открыто ячеистыми структурами.
Техническим результатом является обеспечение температурного режима функционирования печатных узлов радиоэлектронной аппаратуры.
Указанные технические результаты достигаются тем, что в предлагаемом теплоаккумулирующем устройстве, содержащем корпус, имеющем полости, заполненные теплоаккумулирующим веществом, причем в полостях с теплоаккумулирующим веществом установлены согнутые листовые пиролитические графитовые материалы. Корпус своим основанием повторяет профиль охлаждаемого печатного узла, на внешней стороне корпуса установлен сминаемый и формоустойчивый тепловой интерфейс, обеспечивающий тепловой контакт между печатным узлом и теплоаккумулирующим устройством. В свою очередь точки крепления корпуса теплоаккумулирующего устройства совпадают с точками крепления печатного узла в блоке радиоэлектронной аппаратуры.  Листы пиролитического материала содержат контактные области, контактирующие с корпусом теплоаккумулирующего устройства. Листовые пиролитические графитовые материалы имеют изгибы, которые сформированы по схемам, приведенным на фиг.4.
Представленное теплоаккумулирующее устройство обеспечивает температурный режим эксплуатации печатных узлов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Для поддержания температурного режима эксплуатации в них используется собственная теплоемкость конструкционных материалов и скрытая теплота фазового перехода теплоаккумулирующего вещества (ТАВ).
Габаритные размеры и форма ТАУ определяются конструкцией термостатируемого ПУ РЭА, длительностью режима эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры и интенсивностью ожидаемых внешних тепловых воздействий. По достижении ТАВ собственной температуры плавления происходит фазовый переход, значительно повышающий потенциальную теплоемкость ТАУ. Размещенная в объеме ТАВ сложенная структура из листового пиролитического графитового материала (PGS) позволяет повысить теплопроводность системы и обеспечить тепловой контакт между жидкой фазой ТАВ и корпусом ТАУ за счет капиллярных сил между слоями PGS и прямого физического контакта PGS с корпусом ТАУ.
По завершению этапов эксплуатации и прекращению внешних тепловых воздействий происходит остывание радиоэлектронной аппаратуры за счет теплообмена с окружающей средой. Время, требуемое для восстановления исходных показателей системы, напрямую определяется интенсивностью теплообмена с окружающей средой и теплофизическими показателями ТАУ.
Примеры выполнения предлагаемого устройства иллюстрируются чертежами, представленными на фиг.1 – 4.
На фиг.1 представлена структура ТАУ в разнесенном виде.
На фиг.2 представлен общий изометрический вид ТАУ с печатным узлом в собранном виде.
На фиг. 3 представлена структура ТАВ в разрезе, где 1 – герметизирующая крышка, 2 – полости для размещения теплоаккумулирующего вещества с листами PGS, 3 – корпус ТАУ с внутренними разделяющими ребрами, 4 – сминаемый и формоустойчивый тепловой интерфейс, 5 – тепловыделяющие электро-радио изделия, 6 – печатная плата.
На фиг. 4 представлены возможные варианты заполнения полостей с теплоаккумулирующим веществом листовыми пиролитическими материалами.
Возможные варианты сложения листового пиролитического материала: А – прямое сложение с острыми углами и возможным повреждением структуры PGS в областях изгиба; Б – сложение PGS формированием площади контакта для лучшей теплопередачи от ЭРИ к ТАВ и компенсации продольного сжатия за счет изгибов в основании; В – эквивалентно Б, с тем отличием, что осуществляется скругление вместо острых углов; Г – перпендикулярное складывание PGS с формированием контактных площадок; Д и Е – аналогично Г за исключением изменения геометрии углов в области сгиба или применения скругления материала PGS, Ж – к геометрии добавляются периодические сгибы, для повышения заполнения внутреннего объема ТАВ.
На фиг. 5 представлены результаты моделирования динамики температуры тепловыделяющего элемента, установленного на ТАУ с и без пористой теплопоглощающей структуры.
При этом одним из вариантов исполнения остается применение пористых открыто-ячеистых структур в полостях между теплопроводящими ребрами.
Принцип функционирования и некоторые особенности изготовления предлагаемой полезной модели ТАУ.
Охлаждаемый тепловыделяющий печатный узел блока радиоэлектронной аппаратуры размещается на теплопроводящем корпусе 3 с помощью крепежных отверстий и прижимается к сминаемому тепловому интерфейсу 4 с последующей фиксацией по точкам крепления.
В полости корпуса 3 размещается ТАВ выполненное в виде согнутой структуры пиролитического листового материала (с одной из форм представленных на Фиг.4). Геометрические показатели области ТАВ подбираются таким образом, чтобы обеспечивать необходимый запас теплоемкости. Создание компенсирующих полостей не требуется за счет последовательного изготовления области с ТАВ и соответствующего гистерезиса объема теплоаккумулирующего вещества.
Для веществ со снижением плотности в твердой фазе (объем твердого вещества больше объема жидкого): заливка структуры жидким ТАВ, заполнение внутреннего объема, остывание, удаление излишков вещества в твердой фазе.
Для веществ со снижением плотности в твердой фазе (объем твердого вещества меньше объема жидкого): заливка структуры жидким ТАВ, заполнение внутреннего объема, остывание.
В обоих случаях при эксплуатации могут образовываться полость без ТАВ, объем которой зависит от изменения плотности вещества при фазовом переходе. Тип ТАВ подбирается исходя из показателей требуемой температуры фазового перехода, химической активности и совместимости с материалами корпуса. Пример применяемых ТАВ – вода (как вещество с максимальной теплоемкостью), парафины, композиция по патенту RU №2190656 и др.
Подготовленная PGS структура с ТАВ устанавливается в корпус (или заполняется в установленном состоянии), и производят герметизацию внутреннего объема внешними элементами корпуса (крышкой и уплотняющими прокладками).