ТЕПЛОВАЯ ТРУБА
HEAT PIPE

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для передачи значительных потоков теплоты от устройства к устройству, от окружающей среды к устройству или наоборот, от устройства к окружающей среде, в частности, может быть использовано для охлаждения тепловыделяющих элементов компьютера.
Известен теплообменный аппарат с промежуточным теплоносителем - тепловая труба, состоящая из одного или нескольких тепловоспринимающих участков, контактирующих с источником/источниками тепловой энергии, одного или нескольких паровых трубопроводов, одного или нескольких теплоотдающих участков, контактирующих с приемником/приемниками тепловой энергии, и одного или нескольких жидкостных трубопроводов, образующих замкнутую систему, внутри которой находится рабочее тело в виде жидкости и ее паров; в тепловой трубе между теплоотдающим участком и жидкостным трубопроводом, подающим жидкость из теплоотдающего участка в тепловоспринимающий участок, расположена перегородка из мелкопористого материала или капиллярный участок трубопровода; начальный участок жидкостного трубопровода, расположенный за перегородкой, снабжен устройством периодического или импульсного нагрева поступающей через перегородку жидкости, а форма и размеры сечения жидкостного трубопровода обеспечивают возможность перемещения парожидкостной смеси по трубопроводу в режиме "снарядного" кипения, при котором порции жидкости перемещаются по трубопроводу вместе с паровыми пробками без расслоения на отдельные паровые и жидкостные потоки.
(RU 2275764 С1, Ермаков С.А. "Тепловая трубка с принудительной циркуляцией жидкости и тепловая трубка для охлаждения ноутбуков". 27.04.2006 г.)
Это техническое решение по выполняемой функции и достигаемому результату является наиболее близким к заявленному по выполняемым функциям и достигаемому результату. Оно принято в качестве ближайшего аналога (прототипа).
Недостатком прототипа является низкая скорость перемещения жидкого рабочего тела через перегородку из мелкопористого материала или капиллярный участок трубопровода, связанная с малым перепадом давлений по разные стороны перегородки, а также значительные затраты энергии, потребляемые устройством периодического или импульсного нагрева и необходимые для перемещения жидкого рабочего тела из теплоотдающего участка в тепловоспринимающий участок тепловой трубы.
Настоящее изобретение направлено на устранение этого недостатка и решает техническую задачу повышения производительности тепловой трубы и снижения затрат дополнительной энергии, требующейся для перемещения жидкого рабочего тела из теплоотдающего в тепловоспринимающий участок тепловой трубы.
Для решения этой технической задачи тепловая труба, состоящая из одного или нескольких тепловоспринимающих участков, контактирующих с источником/источниками тепловой энергии, одного или нескольких паровых трубопроводов, одного или нескольких теплоотдающих участков, контактирующих с приемником/приемниками тепловой энергии, и одного или нескольких жидкостных трубопроводов, образующих замкнутую систему, внутри которой находится рабочее тело в виде жидкости и ее паров, содержит накопительно-вытеснительный участок жидкостного трубопровода, ограниченный устройствами, допускающими движение рабочего тела в направлении от теплоотдающего участка к накопительно-вытеснительному участку и в направлении от накопительно-вытеснительного участка к тепловоспринимающему участку, и препятствующими движению рабочего тела в обратном направлении, а накопительно-вытеснительный участок имеет ответвление трубопровода (ответвление первого уровня), содержащее: сообщающийся с накопительно-вытеснительным участком испарительный участок, контактирующий с источником тепловой энергии; расположенный за испарительным участком конденсационный участок, контактирующий с приемником тепловой энергии; расположенный за конденсационным участком накопительно-вытеснительный участок, который либо снабжен устройством периодического нагрева участка до температуры, превышающей температуру всех участков жидкостного трубопровода тепловой трубы и периодического охлаждения участка до температуры, не превышающей температуру всех участков жидкостного трубопровода тепловой трубы, либо имеет ответвление следующего уровня.
В качестве устройств, допускающих движение рабочего тела в направлении от теплоотдающего участка к накопительно-вытеснительному участку жидкостного трубопровода тепловой трубы и в направлении от накопительно-вытеснительного участка к тепловоспринимающему участку, и препятствующих движению рабочего тела в обратном направлении, предпочтительно применены обратные клапаны.
В качестве устройства периодического нагрева и охлаждения накопительно-вытеснительного участка предпочтительно применен термоэлектрический модуль (элемент Пельтье).
Накопительно-вытеснительный участок жидкостного трубопровода предпочтительно содержит сосуд, сообщающийся верхней зоной с испарительным участком ответвления.
Накопительно-вытеснительный участок ответвления предпочтительно содержит сосуд, сообщающийся нижней зоной с конденсационным участком ответвления, а верхней зоной с испарительным участком ответвления следующего уровня.
Жидкостный трубопровод предпочтительно содержит буферный сосуд, расположенный между тепловоспринимающим участком тепловой трубы и устройством, допускающим движение рабочего тела в направлении от накопительно-вытеснительного участка к тепловоспринимающему участку и препятствующим движению рабочего тела в обратном направлении, при этом между буферным сосудом и тепловоспринимающим участком расположен дроссельный клапан. Буферный сосуд предпочтительно снабжен устройством регулирования его температуры. В качестве устройства регулирования температуры буферного сосуда предпочтительно применен термоэлектрический модуль.
Жидкостный трубопровод может содержать несколько накопительно-вытеснительных участков, размещенных по параллельной схеме, работа которых осуществлена со сдвигом фаз относительно друг друга.
Форма и размеры сечения трубопроводов тепловой трубы и ответвлений предпочтительно обеспечивают возможность перемещения парожидкостной смеси по ним в режиме, при котором порции жидкости перемещаются по трубопроводу вместе с паровыми пробками без образования застойных зон жидкости. Способность жидкости перемещаться в любом направлении одновременно с вытесняющими или засасывающими ее потоками пара обеспечивается малым диаметром и округлым сечением трубопроводов, благодаря капиллярным силам, удерживающим паровые и жидкостные пробки в трубопроводах от слияния и расслоения.
Использование заявленного изобретения позволит получить следующий технический результат.
Тепловая труба обеспечит эффективную передачу тепловой энергии от источника/источников тепловой энергии к приемнику/приемникам тепловой энергии, независимо от их взаиморасположения в поле силы тяжести, исключительно за счет регулируемых затрат тепловой энергии, т.е. без применения динамического компрессорного или насосного оборудования.
Применение устройств принудительного нагрева и охлаждения накопительно-вытеснительных участков позволит быстро и в широких пределах регулировать температуру и, соответственно, внутреннее давление в данных участках, что позволит достичь значительных скоростей всасывания и вытеснения потоков жидкого рабочего тела, что, в свою очередь, повысит тепловую производительность тепловой трубы.
Тепловая труба позволит обеспечить возврат жидкого рабочего тела из одного теплоотдающего участка в несколько тепловоспринимающих участков либо из нескольких теплоотдающих участков в один тепловоспринимающий участок с возможностью регулирования величины каждого жидкостного потока, при помощи соответствующего количества нагревающих/охлаждающих устройств и выбора режима их работы.
Применение буферного сосуда позволит обеспечить равномерность подачи жидкого рабочего тела в тепловоспринимающий участок тепловой трубы.
Применение ответвлений первого, второго и последующих уровней позволит снизить требования к мощности устройств принудительного нагрева и охлаждения и позволит в значительной мере использовать для перемещения жидкого рабочего тела энергию теплового поля, возникающего между источником/источниками тепловой энергии и приемником/приемниками тепловой энергии.
Применение нескольких накопительно-вытеснительных участков, перемещающих рабочее тело со сдвигом фаз относительно друг друга, позволит обеспечить равномерность подачи жидкого рабочего тела в испарительный участок тепловой трубы без применения буферного сосуда.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где показан вариант конструкции тепловой трубы с одним источником и одним приемником тепловой энергии.
Конструкция устройства состоит из источника тепловой энергии 1, приемника тепловой энергии 2, тепловоспринимающего участка 3, испарительных участков 4 и 5, теплоотдающего участка 6, конденсационных участков 7 и 8, накопительно-вытеснительных сосудов 9-12, буферного сосуда 13, термоэлектрических модулей 14-16, обратных клапанов 17-20, дроссельного клапана 21, паровых трубопроводов 22-24, жидкостных трубопроводов 25-27.
Работа тепловой трубы осуществлена следующим образом.
Жидкое рабочее тело из буферного сосуда 13 через дроссельный клапан 21 под действием избыточного давления в буферном сосуде поступает в тепловоспринимающий участок 3, в котором испаряется под действием теплоты, поступающей от источника тепловой энергии 1. Образовавшиеся пары рабочего тела по паровому трубопроводу 22 перемещаются в теплоотдающий участок 6, в котором конденсируются, отдавая теплоту конденсации приемнику тепловой энергии 2.
Подачу жидкого рабочего тела из теплоотдающего участка 6 в буферный сосуд 13 осуществляют при помощи накопительно-вытеснительных сосудов 9 и 10, функционирование которых осуществляют в два этапа.
Работа накопительно-вытеснительного сосуда 9 осуществлена следующим образом. На первом этапе термоэлектрический модуль 14 отбирает теплоту от накопительно-вытеснительного сосуда 11 и передает ее приемнику тепловой энергии 2. В накопительно-вытеснительном сосуде 11 происходит конденсация паров рабочего тела с понижением внутреннего давления в сосуде. Под действием возникшего перепада давлений жидкое рабочее тело, заполняющее конденсационный участок 7, всасывается в накопительно-вытеснительный сосуд 11. В освободившемся пространстве конденсационного участка 7 осуществляется конденсация паров рабочего тела, поступающих по трубопроводам 23 и 26 через испарительный участок 4 из накопительно-вытеснительного сосуда 9.
В результате удаления паров рабочего тела и частичного испарения жидкого рабочего тела, в накопительно-вытеснительном сосуде 9 снижается температура и давление. Под действием возникшего перепада давлений между конденсационным участком 6 и накопительно-вытеснительным сосудом 9 открывается обратный клапан 17, через который жидкое рабочее тело из конденсационного участка 6 засасывается в накопительно-вытеснительный сосуд 9, заполняя его. Так как давление в разных участках испарительного контура жестко зависит от их температуры, всасывание осуществляется при температуре внутри накопительно-вытеснительных сосудов 9 и 11 ниже, чем температура других участков жидкостного трубопровода 25. Заполнение накопительно-вытеснительного сосуда 9 жидким рабочим телом будет осуществляться до тех пор, пока внутренний объем накопительно-вытеснительного сосуда 11 и конденсационного участка 7 не заполнится жидким рабочим телом и в конденсационном участке 7 не прекратится конденсация паров, либо пока не будет осуществлен переход ко второму этапу.
На втором этапе осуществляют переполюсовку термоэлектрического модуля 14, в результате чего термоэлектрический модуль 14 начинает отбирать теплоту от приемника тепловой энергии 2 и передавать ее накопительно-вытеснительному сосуду 11. В накопительно-вытеснительном сосуде 11 происходит испарение рабочего тела с повышением внутреннего давления в сосуде. Жидкое рабочее тело, заполняющее накопительно-вытеснительный сосуд 11 и конденсационный участок 7, по трубопроводу 26 поступает в испарительный участок 4, в котором под действием теплоты, поступающей от источника тепловой энергии 1, испаряется. Выделяющиеся горячие пары по трубопроводу 23 перемещаются в накопительно-вытеснительный сосуд 9, повышая в нем давление и температуру.
При повышении давления внутри сосуда 9 выше, чем давление в конденсационном участке 6, автоматически перекрывается обратный клапан 17, а при повышении давления выше, чем давление в буферном сосуде 13, автоматически открывается обратный клапан 18, через который жидкое рабочее тело из накопительно-вытеснительного сосуда 9 вытесняется в буферный сосуд 13, заполняя его. Так как давление в разных участках испарительного контура жестко зависит от их температуры, вытеснение осуществляется при температуре внутри накопительно-вытеснительных сосудов 9 и 11 выше, чем температура других участков жидкостного трубопровода 25. Вытеснение жидкого рабочего тела из накопительно-вытеснительного сосуда 9 в буферный сосуд 13 будет осуществляться до тех пор, пока жидкое рабочее тело из накопительно-вытеснительного сосуда 11 не будет полностью вытеснено в конденсационный участок 7 и в сосуде 11 прекратится испарение жидкости, либо пока не будет осуществлен переход к первому этапу. Таким образом, чередуя этапы, осуществляют перемещение жидкого рабочего тела из конденсационного участка 6 в буферный сосуд 13.
Работа накопительно-вытеснительного сосуда 10 осуществлена аналогичным образом, но в противофазе к работе накопительно-вытеснительного сосуда 9. Во время заполнения накопительно-вытеснительного сосуда 9 жидким рабочим телом из конденсационного участка 6, жидкое рабочее тело из накопительно-вытеснительного сосуда 10 вытесняется в буферный сосуд 13, и, наоборот, во время заполнения накопительно-вытеснительного сосуда 10 жидким рабочим телом из конденсационного участка 6, жидкое рабочее тело из накопительно-вытеснительного сосуда 9 вытесняется в буферный сосуд 13.
Для поддержания давления внутри буферного сосуда 13 на требуемом уровне, предусмотрен термоэлектрический модуль 16. При значительном повышении давления, а следовательно, и температуры внутри буферного сосуда 13, термоэлектрический модуль 16 охлаждает буферный сосуд, передавая теплоту окружающей среде или одному из участков тепловой трубы. В буферном сосуде 13 при этом происходит конденсация части паров рабочего тела с соответствующим снижением давления и температуры. При значительном понижении давления и температуры в буферном сосуде 13 осуществляют обратный процесс.