ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
HEAT STORAGE DEVICE

Изобретение относится к области теплотехники, более конкретно к теплоаккумулирующим устройствам, использующим скрытую теплоту фазовых переходов рабочего вещества для обеспечения требуемого теплового режима источников тепловой энергии (ИТЭ) при их циклической работе, а также в качестве их защиты от кратковременных воздействий внешних тепловых потоков.
Теплоаккумулирующие устройства обеспечивают тепловой режим радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Благодаря теплоемкости корпусов устройств в них аккумулируется тепло наряду с использованием обратимых эндотермических процессов плавления рабочих веществ, сопровождающихся дополнительным поглощением тепла при фазовых превращениях этих веществ из твердого в жидкое состояние после достижения ими температуры фазового перехода. Такие устройства, как правило, представляют собой тонкостенные металлические емкости с гладкой или оребренной поверхностью, герметичный объем которых заполняется плавящимся рабочим веществом.
После окончания работы РЭА или прекращения воздействия пиковых внешних тепловых потоков происходит остывание рабочего вещества и его затвердевание вследствие теплообмена с окружающей средой. Время между повторными включениями РЭА должно быть таким, чтобы рабочее вещество успело полностью затвердеть к началу следующего цикла включения аппаратуры. Плавящееся рабочее вещество в устройстве располагается в емкостях или полостях, которые должны быть герметичными для предотвращения выливания из них расплавленной массы рабочего вещества. Обычно емкость выполняется из металлического корпуса с высокой теплопроводностью (чаще из алюминиевых сплавов), а ИТЭ или весь блок с РЭА размещаются снаружи или внутри емкости.
В связи с тем что рабочее вещество изменяет свой объем в процессе работы, в конструкции устройства должна быть предусмотрена соответствующая компенсация изменения объема за счёт упругой деформации, например, стенок корпуса. Это может быть достигнуто применением для некоторых деталей корпуса (например, крышки корпуса) материалов с высокой характеристикой упругости (резина, полимеры).
Известна конструкция теплоаккумулирующего устройства, герметичный корпус которого выполнен в виде радиатора из алюминиевого сплава, наполненного плавящимся рабочим веществом (в данном случае парафином) [В.А. Алексеев. Охлаждение радиоэлектронной аппаратуры с использованием плавящихся веществ. Под. Ред. А.В. Ревякина. М.: Энергия, 1975, стр.71-72]. С помощью такой конструкции осуществляется отвод тепла от полупроводниковых приборов.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является конструкция теплоаккумулирующего устройства (Патент RU 2306494, опубл. 20.09.2007), содержащего 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, сообщающаяся с окружающей средой. Корпус теплоаккумулирующего устройства может быть выполнен в виде сотопанели или в виде радиатора.
Основным недостатком вышеперечисленных конструкций является ограниченная возможность увеличения теплопередачи от металлической поверхности, передающей тепло от тепловыделяющего объекта к теплоаккумулирующему веществу без значительного ухудшения массогабаритных показателей, что ограничивает возможную передаваемую мощность и время аккумулирования тепла без перегрева объекта.
Увеличение теплопередачи при других равных условиях в любых теплообменных аппаратах, в том числе теплоаккумулирующих, и при минимизации массогабаритных показателей является основным направлением совершенствования при их создании.
Задачами изобретения являются уменьшение массы и габаритов теплоаккумулирующего устройства за счёт значительного увеличения эффективности теплообмена, создания универсальной конструкции, позволяющей применение как обычного не формоустойчивого, так и формоустойчивого теплоаккумулирующего вещества. Причём следует понимать, что применение этих веществ даёт неодинаковые массогабаритные показатели теплоаккумулирующих устройств и других показателей, поэтому комплексный результат зависит от выбора теплоаккумулирующего вещества.
Техническими результатами настоящего изобретения являются улучшение массогабаритных характеристик, что особенно актуально для аппаратуры специального назначения, сохранение постоянной величины энтальпии от цикла к циклу, повышение надежности и технологическая простота изготовления.
Указанные технические результаты достигаются тем, что в конструкции теплоаккумулирующего устройства используется корпус, имеющий полости, заполненные теплоаккумулирующим фазопереходным рабочим веществом, два источника тепловой энергии, установленные на корпусе, плиту, крышку и блок сеток, жестко прикрепленных к плите. Для усиления теплопередачи к теплоаккумулирующему веществу применяется блок из набора параллельно расположенных сеток из высокотеплопроводных материалов, например, меди, плоскости сеток перпендикулярны тепловыделяющей поверхности, причём крепление сеток осуществлено на тепловыделяющей поверхности.
Применение блока из сетки из материала с хорошей теплопроводностью позволяет значительно увеличить эффективность теплообмена и вследствие этого добиться улучшения массогабаритных показателей теплоаккумулятора, повысить допустимую подводимую к нему тепловую мощность и время аккумулирования тепла без перегрева тепловыделяющего объекта.
Примеры выполнения предлагаемого устройства иллюстрируются чертежами, представленными на Фиг. 1, 2.
На Фиг. 1 показан общий вид теплоаккумулирующего устройства с источниками тепловой энергии, установленными на корпусе, выполненном в виде блока из сетки.
На Фиг. 2 показана схема теплоаккумулирующего устройства с источниками тепловой энергии в поперечном разрезе.
На Фиг. 1 изображено теплоаккумулирующее устройство с источниками 1 тепловой энергии, установленными на корпусе, состоящем из плиты 2, крышки 3 и блока из сеток 4, жёстко прикреплённых к плите. Полость между плитой 2 и крышкой 3 заполнена теплоаккумулирующим веществом 5, равномерно распределённым между плоскостями сеток, имеющих прямоугольные ячейки, вытянутые в сторону от плиты 2, и проникающим в ячейки сеток. Параметры сеток (форма ячеек, их размер, сечение проволок) и блока сеток (расстояние между сетками) выбираются из условия обеспечения достижения максимальной эффективности теплопередачи от плиты к теплоаккумулирующему веществу при условии получения приемлемых массогабаритных параметров аккумулятора при требуемой аккумулируемой тепловой мощности и потребном времени аккумуляции без перегрева источника тепловой энергии. Как правило, при оптимальном выборе размеров сеток и расстояния между ними в блоке, эксплуатационные характеристики теплоаккумулятора повышаются и превосходят характеристики других конструкций по причине возможности организации значительно большей эффективности теплопередачи. Полость теплоаккумулятора может быть заполнена любым теплоаккумулирующим фазопереходным веществом, в том числе и формоустойчивым, расположенным между сетками в виде тонких пластин. При использовании формоустойчивого теплоаккумулирующего вещества оно располагается между сетками в виде пластин и удерживается от смещения в любую сторону за счёт фиксации его ячейками сеток, что является дополнительным преимуществом конструкции.
Устройство работает следующим образом.
Корпус с блоком сеток и соприкасающееся с ними фазопереходное вещество нагреваются за счет тепла, получаемого от источников тепловой энергии. При достижении в присеточных слоях температуры плавления фазопереходное вещество начинает плавиться. Передача теплоты во внутренний объем фазопереходного вещества осуществляется посредством теплопроводности. При плавлении фазопереходное вещество поглощает количество теплоты, равное энергоемкости фазопереходного вещества при фазовом переходе и нагреве, при этом в объеме фазопереходного вещества находятся твердая и жидкая фазы, при этом граница раздела фаз подвижная, изменяющаяся во времени.
При выключении источников тепловой энергии происходит остывание фазопереходного вещества и его затвердевание за счет передачи теплоты от источников тепловой энергии и корпуса в окружающую среду за более длительный период времени. При этом выделяется количество теплоты, поглощенное теплоаккумулирующим устройством в период работы источников тепловой энергии.
Следует отметить, что габариты и масса теплоаккумулятора зависят от: мощности тепловыделения источников тепловой энергии, площади основания теплоаккумулятора, примыкающей к плите, и времени теплоаккумулирования. В сравнении с гипотетическим теплоаккумулятором, содержащим только парафин (в принципе в подавляющем большинстве случаев неосуществимым по причине низкой теплопроводности парафина), масса конструкции теплоаккумулятора (точнее теплоаккумулирующего блока), выполненного по предлагаемой схеме, будет ориентировочно на 25% больше, а объём на 13%. В сравнении с теплоаккумулятором, использующим массу корпуса РЭА из дюраля, предлагаемый термоаккумулятор будет в 5 раз легче и 1,6 раз меньше по объёму. Указанные выше сравнительные параметры теплоаккумулятора относятся к конкретной конструкции с определёнными исходными данными. Другие исходные данные (мощность, площадь, время) потребуют расчёта массогабаритных параметров и подбора параметров сеток и расстояния между ними.