ТЕПЛОВАЯ ТРУБА

Устройство относится к системам охлаждения электронной аппаратуры, в частности тепловым трубам.
Известна тепловая труба (ТТ) гравитационного типа, описанная, например, в книге [Васильев Л.Л. Низкотемпературные тепловые трубы. - Минск, НАУКА И ТЕХНИКА 1976, 235 с.].
Конструкция этой ТТ представляет собой герметичный корпус в виде цилиндра постоянного сечения. В нижней части корпуса расположено рабочее вещество с нагревателем, а в верхней - конденсор.
Принцип работы состоит в том, что при нагреве рабочего вещества внешним источником тепла происходит его испарение. Пар движется вдоль корпуса в его верхнюю часть, где располагается конденсор. Охлаждаясь в конденсоре рабочее вещество переходит в жидкое состояние и стекает обратно по стенкам корпуса вниз. Т.о. образуется замкнутый цикл в работе тепловой трубы.
Тепловая энергия внешнего источника тепла затрачивается на осуществление фазового преобразования рабочего вещества и передается через конденсор в окружающую среду. При этом температура внешнего источника тепла снижается.
Место испарения рабочего вещества называется зоной испарения, место образования конденсата - зоной конденсации, а между ними - адиабатическая зона паропровода.
Признаком аналога, совпадающим с существенными признаками заявляемого устройства, является наличие нагреваемого в зоне испарения и
охлаждаемого в зоне конденсации герметичного корпуса.
Недостатком конструкции ТТ в аналоге является то, что корпус имеет постоянное сечение, что ограничивает скорость пара в адиабатической зоне паропровода звуковым порогом.
Другой близкой по технической сущности к устройству является ТТ, описанная в патенте РФ №2031347.
ТТ представляет собой холодильную камеру с зоной конденсации, в которой установлены кольцевые продольные вставки, образующие с корпусом конфузорные паровые каналы. Между зоной конденсации и холодильной камерой установлена пористая перегородка. Перед вставкой холодильной камеры установлено пористое сопло Витошинского. Со стороны вставки поры выполнены закрытыми. Обращенные друг к другу поверхности сопла и вставки, перегородки и вставки выступа на торце зоны конденсации имеют аналогичный крыловидный дозвуковой профиль.
Признаком аналога, совпадающим с существенными признаками заявляемого устройства, является наличие нагреваемого в зоне испарения и охлаждаемого в зоне конденсации герметичного корпуса.
Недостатком конструкции ТТ в аналоге является то, что корпус имеет переменное сечение в виде дозвукового сопла, что по определению ограничивает скорость пара в адиабатической зоне паропровода звуковым порогом. Из-за этого эффективность такой ТТ снижается.
Наиболее близкой по технической сущности к устройству является ТТ описанная в патенте РФ №2222757.
ТТ содержит герметичный корпус с обогреваемой снаружи зоной испарения, адиабатической зоной паропровода и охлаждаемой зоной конденсации, с размещенной у внутренней поверхности корпуса капиллярной структурой, причем в зоне испарения и в части адиабатической зоны паропровода, примыкающей к зоне испарения, капиллярная структура
выполнена профилированной с внутренней поверхностью в зоне испарения в виде дозвукового сопла, а в части адиабатической зоны паропровода - с внутренней поверхностью в виде дозвукового диффузора.
Признаком прототипа, совпадающим с существенными признаками заявляемого устройства, является герметичный корпус с обогреваемой снаружи зоной испарения, адиабатической зоной паропровода и охлаждаемой зоной конденсации.
Недостатком конструкции ТТ в прототипе является то, что корпус выполнен профилированным с внутренней поверхностью в зоне испарения в виде дозвукового сопла, а в части адиабатической зоны паропровода - с внутренней поверхностью в виде дозвукового диффузора, что и является причиной, препятствующей достижению необходимого технического результата, а именно предельного теплового потока.
Если адиабатическую зону паропровода выполнять с постоянным сечением, то, по крайней мере, часть пара рабочего вещества, испарившегося на участках зоны испарения вблизи края ТТ, сконденсируется не в зоне конденсации ТТ, а в зоне испарения на участках вблизи границы зон испарения и адиабатической. Тем самым часть тепла вернется в теплоноситель, т.е. произойдет рекуперация тепла. По этой причине при высоких плотностях тепловых потоков от теплоносителя через корпус в зоне испарения (по крайней мере, на участках у края), эффективный коэффициент теплопередачи от теплоносителя снижается.
Если же сечение адиабатической зоны паропровода выполнено профилированным дозвуковым соплом, то скорость теплопередачи в тепловой трубе снижается по определению звуковым порогом.
Задачей заявляемого устройства является повышение эффективности теплоотвода тепловой трубы за счет сохранения сверхзвуковой скорости движения пара с момента испарения в адиабатической зоне паропровода.
Технический результат достигается тем, что адиабатическая зона паропровода выполнена в виде расходящегося раструба, расширение которого начинается непосредственно из зоны испарения рабочего вещества, причем угол раствора раструба для каждого вида теплоносителя имеет свое минимальное значение, определяемое по формуле .
Для достижения технического результата в тепловой трубе, содержащей герметичный корпус с обогреваемой снаружи зоной испарения, адиабатической зоной паропровода и зоной конденсации, адиабатическую зону паропровода следует выполнять в виде расходящегося раструба, расширение которого начинается непосредственно из зоны испарения рабочего вещества, причем угол раствора раструба для каждого вида теплоносителя имеет свое минимальное значение, определяемое по формуле .
зв
Действительно, в начальный момент времени, скорость испаряющихся молекул сверхзвуковая и равна , где γ - показатель адиабаты и, например, для одноатомных газов принимает значение , V - скорость звука, см. [Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. Справочник по физике. М. Из-во «Наука» 1968 г. 914 с.]
Но далеко не все молекулы вылетают с поверхности раздела фаз перпендикулярно этой поверхности. Скорость части молекул, вылетающих под углом, будет уменьшаться из-за соударений и ударений с поверхностью паропровода. Именно поэтому расширение паропровода должно начинаться непосредственно из зоны испарения, чтобы минимизировать влияние стенок паропровода на среднюю скорость молекул. В этом случае скорость массопереноса будет увеличиваться.
мол
Можно рассуждать и по другому. Любой объект (в нашем случае испарившиеся молекулы рабочего вещества) порождает фронт волны. При скорости объекта равного V, угол фронта Θ можно определить из соотношения .
При чем для разных типов теплоносителей, угол раствора будет иметь свое минимальное значение, например для воды он составит 34°.
Из этого также следует, что угол раствора адиабатической зоны паропровода ТТ должен быть не менее угла Θ для уменьшения влияния волны на перемещение теплоносителя, и обеспечения сверхзвуковой скорости переноса.
Конструктивно такая ТТ будет состоять из герметичного корпуса, условно разделенного на три зоны: испарения, паропровода и конденсации. В зоне испарения находится теплоноситель, который нагревается внешним источником тепла и переходит в парообразное состояние. Образующийся пар движется в адиабатической зоне паропровода и достигает зоны конденсации. Непосредственно из зоны испарения (от поверхности жидкого теплоносителя) адиабатическая зона паропровода тепловой трубы выполнена в виде раструба, с углом раствора, определяемым видом теплоносителя.
ТТ работает следующим образом:
В рабочем состоянии испаряющийся теплоноситель движется по адиабатической зоне паропровода, конденсируется в зоне конденсации, и конденсат возвращается в зону испарения.
Пар переносится из зоны испарения по адиабатической зоне паропровода к зоне конденсации. В зоне конденсации, благодаря отводу тепла с внешней стороны ТТ, происходит конденсация паровой фазы рабочего вещества. Сконденсировавшееся рабочее вещество, через адиабатическую зону возвращается в зону испарения где процесс повторяется.
зв
Техническим преимуществом предложенной конструкции ТТ является увеличение скорости теплопереноса. Например, для одноатомного газа  происходит увеличение скорости переноса тепла до 1,34 V.