Регулируемая контурная тепловая труба
ADJUSTABLE LOOP HEAT PIPE

Предлагаемое техническое решение относится к области теплотехники и может быть использовано при создании теплопередающих устройств, обеспечивающих стабилизацию температуры тепловыделяющих объектов, а также при создании систем терморегулирования, в частности, систем обеспечения теплового режима бортового научного и служебного оборудования космических аппаратов.
Известны теплопередающие устройства [RU 1196665, F28D 15/02], построенные на базе контурных тепловых труб (КнТТ), которые частично заполнены теплоносителем и содержат соединенные паро- и конденсатопроводами испаритель и конденсатор. Фитильная структура в виде капиллярно-пористой вставки в КнТТ присутствует только в испарителе, а транспорт пара и жидкости осуществляется по раздельным каналам, таким образом, организуется двухфазный циркуляционный контур. Конденсатор, паро- и конденсатопровод выполнены пустотелыми (и гладкостенными), что позволяет придавать им разнообразную конфигурацию, а также выполнять сложную (в отличие от обычных тепловых труб) трассировку транспортных трубопроводов и конденсатора. Уникальные свойства контурной тепловой трубы позволили расширить функциональные возможности различных теплопередающих устройств, создаваемых на их основе.
Известны теплопередающие устройства на базе замкнутых двухфазных контуров, с помощью которых осуществляется охлаждение различных приборов и блоков космического назначения [RU 2 346 862, B64G 1/50, F28D 15/04]. Замкнутый двухфазный контур, описанный в указанном патенте, по сути, является контурной тепловой трубой (КнТТ), включающей в себя испаритель с капиллярным насосом и соединенный с ним с помощью транспортных трубопроводов (т.е. конденсатопровода и паропровода) конденсатор. Конденсатор КнТТ встроен в конструкцию панели радиатора и имеет внутренний канал с гладкими стенками. Благодаря уже названным особенностям конструкции КнТТ, с помощью данного устройства можно обеспечить высокотеплопроводное соединение прибора (выделяющего тепло) с радиатором, излучающим в окружающее пространство, а также достичь равномерного распределения теплового потока по рабочей поверхности радиатора, что как известно, обеспечивает его высокую эффективность. Кроме того, поскольку капиллярный насос (капиллярно-пористая вставка) КнТТ «локально» размещается в испарителе, становится возможным применить мелкопористую структуру, позволяющую развивать высокий капиллярный напор, который, в свою очередь, открывает возможность передавать значительные тепловые потоки на значительные расстояния. Таким образом, по многим показателям КнТТ превосходят классические тепловые трубы.
Вместе с тем, обеспечение теплового режима требует не только эффективной передачи значительных тепловых потоков, но и стабилизации температуры тепловыделяющего объекта в условиях, когда изменяется величина тепловой нагрузки, поступающей к испарителю, а также могут изменяться условия отвода тепла от конденсатора КнТТ в окружающую среду.
Наиболее близким аналогом к заявленной регулируемой контурной тепловой трубе, выбранной в качестве прототипа, является регулируемая контурная тепловая труба, содержащая трехходовой клапан и байпасный трубопровод, соединяющий паропровод и конденсатопровод через клапан (в обход конденсатора) [F.Bodendleck, R.Schlitt, O.Romberg, K.Goncharov, V.Buz, U.Hildebrand Precision temperature control with loop heat pipe, SAE #2005-01-2938, Rome, ITALY, 2005]. Трехходовой клапан способен поддерживать заданное давление насыщения теплоносителя, а вместе с ним, соответственно, и температуру испарителя. Данное устройство способно решать задачу термостатирования испарителя КнТТ и, посредством этого, охлаждаемого с помощью данной КнТТ тепловыделяющего оборудования.
На Фиг. 1 схематично показано указанное теплопередающее устройство. Оно выполнено на базе контурной тепловой трубы, содержащей испаритель (1) с капиллярным насосом, соединенный с ним с помощью, паро- (2) и конденсатопровода (3), конденсатор (4) и клапан (5) с байпасной линией (6). В клапане имеется сильфон (7), в зоне размещения которого поддерживается заданный уровень давления сред. С одной стороны сильфона находится теплоноситель, с другой - инертный газ, давление которого и определяет давление настройки клапана, поскольку оно намного меньше зависит от температуры, чем давление двухфазного теплоносителя. Сильфон является элементом, обеспечивающим перемещение седла клапана.
В случае снижения давления в КнТТ клапан закрывает циркуляцию через конденсатор и открывает байпасную линию. Последующий за этим нагрев испарителя приводит к повышению давления, и клапан вновь открывает путь для циркуляции теплоносителя через конденсатор. Поскольку для насыщенного теплоносителя температура и давление однозначно связаны, применение описанного выше метода одновременно с поддержанием уровня давления позволяет поддерживать заданный температурный уровень испарителя КнТТ.
В представленном на Фиг. 1 устройстве шток клапана совершает возвратно-поступательные движения и должен перемещать (для изменения циркулирующих потоков) седло клапана, либо золотник. В обоих случаях поступающий на вход клапана (от выхода испарителя) теплоноситель распределяется между выходами из клапана, первый из которых направлен на вход конденсатора, а второй - в байпасную линию (в обход конденсатора). При этом выход конденсатора с помощью конденсатопровода, подсоединен ко входу испарителя, а также имеет соединение через байпасную линию с (выходом) трехходовым клапаном. Таким образом, с помощью клапана в режиме саморегулирования расход теплоносителя, проходящего через конденсатор, увеличивается либо уменьшается, за счет чего и осуществляется стабилизация температуры испарителя.
В указанном устройстве для поддержания относительно постоянной температуры охлаждаемого объекта, предлагается наполнять клапан инертным газом, либо двухфазным теплоносителем, причем, в первом случае регулятор является пассивным, а во втором, для поддержания заданного уровня давления, следует использовать маломощный нагреватель, управление которым осуществляется с помощью блока автоматики, т.е. для управления устройством требуется дополнительная энергия. В связи с этим для заявляемого изобретения более предпочтительным является вариант пассивного регулирования, как наименее энергозатратный и обеспечивающий большую автономность устройства.
Одним из существенных недостатков прототипа является то, что сильфон должен функционировать, находясь внутри герметичного корпуса КнТТ и, кроме того, являясь одновременно чувствительным элементом и приводным механизмом клапана, совершает возвратно-поступательные перемещения штока клапана. Это приводит к следующему:
1) нельзя обеспечить максимальную точность регулирования температуры оборудования, т.к. (при пассивном регулировании) в устройстве фактически стабилизируется температура насыщенного пара (теплоносителя КнТТ), а не температура непосредственно охлаждаемого оборудования.
2) снижается надежность КнТТ, т.к. сильфон, обеспечивающий возвратно-поступательное движение (штока клапана), является ненадежным элементом: клапан со штоком, прикрепленные к подвижному концу сильфона (упругого элемента), под действием инерционных сил, например, вибраций различной частоты, могут совершать возвратно-поступательные движения (колебания), вплоть до попадания в резонанс, что может вызвать нарушение регулирования температуры за счет периодического отклонения клапана от расчетного положения, а также вызывать износ тарельчатого клапана, остаточную деформацию сильфона, или его разгерметизацию. В результате названных неисправностей клапана, либо теряется способность к регулированию, либо полностью выходит из строя КнТТ, что было зарегистрировано на практике в процессе эксплуатации реальных регулируемых КнТТ в составе КА.
3) снижается точность и усложняется технологическая процедура настройки самого клапана (на заданную температуру), т.к. это можно осуществить только за счет точной заправки заданным количеством инертного газа внутренней полости сильфона, имеющей весьма малый объем (делается посредством подсоединения сильфона клапана к внешней системе через штуцер), при этом, возможность точной выставки запорно-распределительного элемента относительно сильфона внутри герметичного корпуса заправленной КнТТ практически отсутствует.
Технической проблемой, решаемой с помощью предлагаемого изобретения, является повышение надежности клапана за счет реализации вращательного движения запорно-распределительного элемента со штоком (сбалансированных относительно оси вращения) вместо возвратно-поступательного (например, использование поворотного цилиндрического золотника), а также более точное поддержание заданной температуры непосредственно охлаждаемого оборудования, а не температуры пара в КнТТ, благодаря размещению приводного механизма (клапана) снаружи КнТТ.
Указанная техническая проблема решается за счет того, что в отличие от известной регулируемой контурной тепловой трубы, содержащей испаритель, конденсатор, паропровод, конденсатопровод, трехходовой клапан с приводным механизмом и байпасную линию, причем выход испарителя соединен со входом трехходового клапана, первый выход клапана подсоединен ко входу в конденсатор, а второй выход клапана к байпасной линии, при этом, выход конденсатора посредством конденсатопровода, подсоединен ко входу испарителя и через байпасную линию - к трехходовому клапану новым является то, что трехходовой клапан снабжен поворотным запорно-распределительным элементом, подсоединенным к приводному механизму посредством бесконтактной магнитной муфты, содержащей ведомую и ведущую полумуфты, при этом, поворотный запорно-распределительный элемент и ведомая полумуфта установлены соосно внутри тепловой трубы, а ведущая полумуфта и подсоединенный к ней приводной механизм размещены снаружи тепловой трубы.
Кроме того, приводной механизм выполнен в виде биметаллической пружины, обеспечивающей через бесконтактную магнитную муфту вращательное движение поворотного запорно-распределительного элемента в зависимости от изменения температуры.
Кроме того, приводной механизм снабжен нагревателем, посредством включения или выключения которого осуществляется температурное воздействие на биметаллическую пружину и разворот запорно-распределительного элемента в одно из двух крайних положений, обеспечивающих прекращение или возобновление циркуляции теплоносителя через конденсатор.
Кроме того, приводной механизм снабжен термоэлектрическим микрохолодильником, у которого один спай контактирует с биметаллической пружиной, а другой с термостатируемым объектом, при этом, смена полярности электропитания термоэлектрического микрохолодильника позволяет нагревать либо охлаждать биметаллическую пружину и тем самым управлять температурой срабатывания клапана.
Кроме того, приводной механизм снабжен механическим элементом настройки, позволяющим изменять и фиксировать относительное угловое положение вала ведущей полумуфты и вала приводного механизма и, тем самым, изменять температуру срабатывания клапана.
Кроме того, к механическому элементу настройки подсоединен шаговый электродвигатель, позволяющий дистанционно изменять относительное угловое положение вала ведущей полумуфты и вала привода и, тем самым, изменять температуру срабатывания клапана.
Кроме того, магнитная муфта содержит две пары симметрично расположенных постоянных неодимовых магнитов, из которых одна пара установлена в торцевой части ведущей полумуфты, а другая в торцевой части ведомой полумуфты, герметично закрытой корпусом из немагнитного материала.
Кроме того, на одной или обоих полумуфтах установлены механические ограничители, определяющие крайние положения запорно-распределительного элемента.
Кроме того, ведущая полумуфта и приводной механизм соединены между собой с помощью гибкого или карданного вала.
Кроме того, к ведущей полумуфте подсоединен шаговый электродвигатель, обеспечивающий поворот ведущей полумуфты по командам блока управления, формируемым на основе показаний температурного датчика, установленного в месте регулирования температуры.
Снабжение трехходового клапана поворотным запорно-распределительным элементом, подсоединенным к приводному механизму посредством бесконтактной магнитной муфты, содержащей ведомую и ведущую полумуфты, позволяет разделить «пространства», в которых находятся приводной механизм и приводимое устройство, т.е. разместить приводной механизм (который также может являться чувствительным элементом), осуществляющий перемещение запорно-распределительного элемента (фактически, золотника), снаружи КнТТ, а сам запорно-распределительный элемент оставить внутри, и обеспечить его функционирование за счет вращательного, а не поступательного движения штока. Это, в совокупности, обеспечивает повышение надежности клапана, а, следовательно, регулируемой КнТТ, и дает возможность поддержания заданной температуры самого прибора, а не температуры пара в КнТТ. Для того чтобы регулирование осуществлялось по температуре прибора, необходимо чтобы чувствительный элемент непосредственно контактировал с местом установки прибора, что становится возможным, именно, благодаря размещению данного чувствительного элемента снаружи КнТТ.
Выполнение приводного механизма в виде биметаллической пружины, позволяет совместить в едином конструктивном элементе, как чувствительный элемент, так и механизм, обеспечивающий вращательное движение запорно-распределительного элемента в зависимости от изменения температуры. При этом, размещение биметаллической пружины снаружи КнТТ позволяет исключить прямое воздействие теплоносителя КнТТ на температурное состояние пружины.
Снабжение биметаллической пружины нагревателем, позволяет использовать приводной механизм для управления температурой термостатирования КнТТ (за счет управления температурой пружины с помощью датчика температуры и контроллера). Кроме этого, посредством прямого включения либо выключения нагревателя (пружины) можно активировать или прекращать циркуляцию теплоносителя через конденсатор КнТТ, т.е. использовать КнТТ как тепловой выключатель.
Замена нагревателя на термоэлектрический микрохолодильник, у которого один спай контактирует с приводным механизмом, а другой с термостатируемым объектом, позволяет при смене полярности электропитания термоэлектрического микрохолодильника нагревать, либо охлаждать биметаллическую пружину, и тем самым управлять срабатыванием клапана. Такое решение может быть удобным, когда в зоне установки биметаллической пружины невозможно организовать отрицательный тепловой баланс, т.е. когда прекращение нагрева пружины не влечет за собой ее пассивного охлаждения (под воздействием окружающей среды) и, следовательно, управление с помощью нагревателя будет неэффективным или невозможным.
Применение в соединении вала ведущей полумуфты с приводным механизмом механического элемента настройки, позволит изменять угловое положение вала ведущей полумуфты относительно вала приводного механизма и, соответственно, начальное положение для вращающегося запорно-распределительного элемента. Это дает возможность менять температуру срабатывания клапана и, соответственно, температуру регулирования, обеспечиваемую с помощью контурной тепловой трубы.
Подсоединение к механическому элементу настройки соединения вала ведущей полумуфты с валом привода шагового электродвигателя позволяет дистанционно изменять их относительное угловое положение и, тем самым, изменять температуру настройки клапана.
Выполнение магнитной муфты в виде ведущей и ведомой полумуфт и двух пар симметрично расположенных постоянных неодимовых магнитов, из которых одна пара установлена в торцевой части ведущей полумуфты, а другая в торцевой части ведомой полумуфты, герметично закрытой корпусом из немагнитного материала, позволяет разместить приводной механизм снаружи КнТТ, а запорно-распределительный элемент - внутри. Это позволяет обеспечить вращательное функционирование запорно-распределительного элемента и вынести приводной механизм (и чувствительный элемент) за пределы КнТТ.
Установка на одной или обоих полумуфтах механических ограничителей, определяющих крайние положения запорно-распределительного элемента, позволяет избежать его разворотов на недопустимые углы, обеспечивая четкую фиксацию в заданных крайних положениях.
Соединение ведущей полумуфты и приводного механизм посредством гибкого или карданного вала позволяет размещать приводной механизм на удалении от бесконтактной муфты с клапаном, что расширяет конструкторские возможности в части выбора места установки приводного механизма, чувствительного элемента и самой КнТТ а, следовательно, выбора места регулирования температуры и места диссипации тепла.
Подсоединение шагового электродвигателя непосредственно к ведущей полумуфте позволит обеспечивать повороты ведущей полумуфты по командам блока управления, формируемым на основе показаний температурного датчика, установленного в месте регулирования температуры, что будет способствовать повышению точности регулирования. При этом, КнТТ утрачивает свойство автономности.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
Фиг. 1 - принципиальная схема пассивно регулируемой КнТТ, снабженной трехходовым клапаном с сильфоном, заполненным инертным газом, и обеспечивающим возвратно-поступательное движение запорно-распределительного элемента;
Фиг. 2 - принципиальная схема регулируемой КнТТ, снабженной трехходовым клапаном с поворотным запорно-распределительным элементом и бесконтактной магнитной муфтой с внешним приводным механизмом;
Фиг. 3 - изометрическое изображение трехходового клапана с поворотным запорно-распределительным элементом и приводным механизмом.
Фиг. 4 - трехходовой клапан с поворотным запорно-распределительным элементом в разрезе.
Фиг. 5 - сечение А-А, разрез трехходового клапана с поворотным запорно-распределительным элементом в месте выхода паропровода и байпасной линии.
Фиг. 6 - сечение Б-Б, разрез приводного механизма использующего биметаллическую пружину.
Фиг. 7 - сечение В-В, разрез в месте установки механического элемента настройки.
В соответствии с Фиг. 2, предлагаемая регулируемая КнТТ содержит испаритель (1), оснащенный капиллярным насосом, а также соединенный с испарителем с помощью паропровода (2) и конденсатопровода (3) конденсатор (4), встроенный в радиатор, отводящий тепло в окружающее пространство. Распределение циркулирующего в КнТТ теплоносителя обеспечивается с помощью трехходового клапана (5) с приводным механизмом (8) и байпасной линии (6). Выход испарителя соединен со входом трехходового клапана, первый выход клапана подсоединен ко входу в конденсатор, а второй выход клапана к байпасной линии. Выход конденсатора посредством конденсатопровода, подсоединен ко входу испарителя и через байпасную линию - к трехходовому клапану. Трехходовой клапан снабжен поворотным запорно-распределительным элементом (9), подсоединенным к приводному механизму посредством магнитной бесконтактной муфты, содержащей ведомую (10) и ведущую (11) полумуфты. Запорно-распределительный элемент (9) и ведомая полумуфта (10) установлены соосно, (в общем корпусе) внутри тепловой трубы, а ведущая полумуфта (11) и приводной механизм (8) размещены снаружи тепловой трубы (см. также Фиг. 3).
На Фиг. 4 показано, что приводной механизм клапана может быть выполнен в виде биметаллической пружины (12), обеспечивающей вращательное движение поворотного запорно-распределительного элемента в зависимости от изменения температуры. Магнитная муфта может быть оснащена двумя парами симметрично расположенных постоянных неодимовых магнитов (13), из которых одна пара установлена в торцевой части ведущей полумуфты (11), а другая в торцевой части ведомой полумуфты (10), герметично закрытой корпусом из немагнитного материала.
На Фиг. 4 и Фиг. 7 показано, что соединение вала ведущей полумуфты с валом приводного механизма может быть снабжено механическим элементом настройки (14), позволяющим изменять относительное угловое положение вала ведущей полумуфты и вала привода и, соответственно, начальное положение для поворота вращающегося запорно-распределительного элемента, что обеспечит возможность регулировки температуры срабатывания клапана и, следовательно, температуры уставки для регулируемой контурной тепловой трубы.
Кроме того, на одной или обоих полумуфтах установлены механические ограничители 15, определяющих крайние положения запорно-распределительного элемента.
Регулируемая контурная тепловая труба работает следующим образом. Тепло, подводимое от тепловыделяющего оборудования к испарителю (1) КнТТ, инициирует циркуляцию двухфазного теплоносителя и, за счет этого, тепловой поток начинает передаваться от испарителя (1) к конденсатору (4), где рассеивается в окружающую среду. Если испаритель (1) охладит место установки оборудования ниже заданного значения (температуры уставки), тогда приводной механизм (8), он же чувствительный элемент, например, биметаллическая пружина, повернет запорно-распределительный элемент (9) (запорно-распределительный элемент, здесь, функционально, вращающийся вокруг собственной оси золотник, имеющий цилиндрическую форму) на необходимый угол так, чтобы ограничить или прекратить циркуляцию теплоносителя через конденсатор (4), для чего используется обход циркулирующего потока теплоносителя через байпасную линию (6). Температура конденсатора (4) начнет падать, а температура испарителя (1) расти. Биметаллическая пружина (12) отреагирует на рост температуры оборудования и испарителя, начнет поворачивать золотник в обратном направлении и заново откроет путь циркуляции теплоносителя через конденсатор (4). Теперь испаритель (1) начнет охлаждаться. Далее цикл будет повторяться, пока клапан (5) не примет стабилизировавшееся промежуточное состояние.
Поворот золотника (т.е. запорно-распределительного элемента) должен осуществляться на относительно небольшой угол, достаточный для необходимого смещения отверстий (Фиг. 5, где показано положение радиатор открыт, байпас закрыт), регулирующих потоки теплоносителя, однако, пружина (или другой приводной механизм) может поворачивать золотник на слишком большие углы, которые могут вновь закрывать и открывать клапан (полный оборот). Чтобы избежать увеличенных (нежелательных) поворотов золотника на одной или обоих полумуфтах могут быть установлены механические ограничители, определяющие его крайние положения.
Приводной механизм (он же, в большинстве случаев чувствительный элемент) неудобно размещать рядом с клапаном и/или рядом с испарителем (в силу компоновочных ограничений). Его можно установить непосредственно в зоне охлаждаемой аппаратуры, температуру которой требуется поддерживать. В этом случае, для соединения ведущей полумуфты (11) и приводного механизма (8) может быть использован гибкий или карданный вал. Это позволит удалять друг от друга и произвольно располагать в пространстве указанные элементы, которые должны взаимодействовать между собой механически, но требуют разных температурных условий для работы.
Если на приводной механизм типа биметаллической пружины (т.е. механизм, который чувствителен к температуре) установить нагреватель, тогда температурой термостатирования КнТТ можно управлять посредством нагревателя (с использованием температурного датчика и контроллера), либо, включая или выключая нагреватель, чтобы активировать или остановить контурную трубу, можно использовать КнТТ как тепловой выключатель. Например, если нагреватель постоянной мощности поддерживает температуру пружины на 5 градусов выше температуры уставки, то фактическая температура стабилизации охлаждаемого оборудования станет на 5 градусов ниже.
Для активного управления биметаллической пружиной вместо нагревателя можно также использовать термоэлектрический микрохолодильник. В этом случае, изменяя полярность электропитания термоэлектрического модуля можно нагревать либо охлаждать чувствительный элемент. Такое решение может быть удобным, когда в зоне установки биметаллической пружины невозможно организовать отрицательный тепловой баланс. Т.е. когда отключение нагревателя не влечет за собой пассивное охлаждение пружины (под воздействием окружающей среды) и, следовательно, управление с помощью нагревателя неэффективно или невозможно.
Управление КнТТ можно также осуществлять посредством подсоединенного к ведущей полумуфте шагового электродвигателя, обеспечивающего поворот ведущей полумуфты по командам блока управления, формируемым на основе показаний температурного датчика, установленного в месте регулирования температуры. В этом случае терморегулирующее устройство на базе КнТТ перестает быть пассивным, однако, энергопотребление шагового электродвигателя будет существенно ниже, чем у известных регуляторов теплового действия (например, у нагревателя на компенсационной полости испарителя КнТТ, [RU 2062970, F28D 15/06]).
Приводной механизм может быть пассивным, например, как биметаллическая пружина (т.е. функционировать без задействования бортовых систем энергоснабжения и управления), а может быть представлен в виде, например, шагового электродвигателя, потребляющего электроэнергию. Но, в обоих случаях, необходимо обеспечивать вращательное движение бесконтактной муфты.
Различные приводные механизмы, применяемые в термостатах, обычно, имеют элемент настройки, с помощью которого можно регулировать, а также зафиксировать начальное положение исполнительного органа. Используя подобный элемент настройки, например регулировочный винт, находящийся снаружи КнТТ, т.е. встроенный в соединение вала ведущей полумуфты с валом приводного механизма, удобно корректировать связь положения вращательного золотника клапана с положением вала приводного механизма (т.е. можно регулировать температуру уставки).
Если КнТТ целиком находится вне доступа оператора, который мог бы «вручную» подрегулировать настройку клапана относительно привода, тогда это можно выполнять дистанционно, с помощью используемого с данной целью шагового электродвигателя, поворачивающего элемент настройки.
Предлагаемое техническое решение позволяет повысить точность регулирования за счет обеспечения возможности поддержания заданной температуры самого прибора, а не рабочей температуры пара в КнТТ, повысить надежность клапана, а также расширить выбор компоновочных решений при размещении регулируемой КнТТ в составе системы терморегулирования.