ТЕПЛОВАЯ ТРУБА И ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩАЯ ПАНЕЛЬ

Полезная модель относится к двухфазным теплопередающим устройствам, в частности, к плоским тепловым трубам и предназначена для транспортировки теплового потока от теплонагруженных элементов электронных плат к теплорассевающему элементу. Предпочтительной областью использования полезной модели являются приборы с модульным типом крепления электронных плат, работающие в условиях воздействия сил гравитации и инерции.
Известна тепловая труба, описанная в патенте SU 1673824 A1, 30.08.1991, в которой внутренняя поверхность выстлана сеточной капиллярной структурой, содержащая двухфазный теплоноситель. Основным недостатком такой тепловой трубы является невозможность обеспечения полноценного функционирования тепловой трубы в вертикальном положении, что необходимо при свободной ориентации теплоотводящего устройства, например в авиационной технике. Таким образом, при использовании известной тепловой трубы для охлаждения теплонагруженных элементов в условиях изменяющегося положения относительно горизонтального, в частности при вертикальном положении воздушного судна, известная тепловая труба не обеспечивает охлаждение теплонагруженных элементов, что при длительном нахождении теплонагруженных элементов в вертикальном положении приведет к выходу этих элементов из строя.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание устройства обеспечивающего отвод тепла от теплонагруженных элементов электронной платы в условиях сил гравитации и инерции при любой ориентации охлаждающего теплоотводящего устройства.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявленная полезная модель, является обеспечение возможности полноценного функционирования устройства при любой ориентации тепловой трубы, а соответственно и устройства охлаждения - тепловой панели, в состав которой входит тепловая труба, что позволяет избежать выхода теплонагруженных элементов из строя, а соответственно повысить сроки эксплуатации всего устройства в целом.
Заявленный технический результат достигается в тепловой трубе, внутренняя поверхность которой выстлана сеточной капиллярной структурой, причем, по меньшей мере, в одном месте сеточная капиллярная структура выполнена выступающей в паровое пространство тепловой трубы.
Сеточная капиллярная структура, выступающая в паровое пространство тепловой трубы, сформирована из сеточной капиллярной структуры выстилающей внутреннюю поверхность и образована путем создания гофр из сеточной капиллярной структуры, выстилающей внутреннюю поверхность или выполнена в виде дополнительного элемента из сетчатой капиллярной структуры контактирующего с сеточной капиллярной структурой, выстилающей внутреннюю поверхность.
Желательно, что бы сеточная капиллярная структура, выступающая в паровое пространство тепловой трубы, была выполнена проходящей вдоль корпуса тепловой трубы, а в наиболее предпочтительном варианте, что бы сеточная капиллярная структура, выступающая в паровое пространство тепловой трубы, выполнена в двух местах тепловой трубы и расположена симметрично относительно продольной оси трубы.
Для достижения оптимального эффекта параметры сеточной капиллярной структуры выбираться в соответствии с соотношением:
,
,
,
c,opt
где: d - оптимальное значение диаметра проволоки сеточной
c
c
ж
ж
a
2
кс,доп
то
тт
капиллярной структуры (принято, что ширина ячеек на просвет не может быть меньше диаметра образующей его проволоки d, поэтому в качестве эффективного радиуса пор используется величина d/2); A, B - комплексы теплофизических характеристик теплоносителя, геометрических параметров тепловой трубы и капиллярной структуры, µ, ρ, σ - динамическая вязкость, плотность и коэффициент поверхностного натяжения двухфазного теплоносителя; g - ускорение свободного падения, n≥1 - величина перегрузки; b и h - ширина участка контактного теплообмена и толщина внутреннего пространства плоского корпуса тепловой трубы, F - площадь сечения дополнительной капиллярной структуры, l - протяженность участка теплообмена, l - протяженность тепловой трубы.
Сеточная капиллярная структура представляет собой сеточное полотно.
Прижатие сеточной капиллярной структуры к внутренней поверхности трубы и поддержка сеточной капиллярной структуры, выступающей в паровое пространство тепловой трубы, обеспечивается с помощью, по меньшей мере, одного распорного элемента и, по меньшей мере, один распорный элемент представляет собой распорную пружину.
В торцах трубы выполнены пазы, а сама тепловая труба выполнена в виде трубы плоского типа.
Заявленный технический результат также достигается в теплоотводящей панели, состоящей из тепловых труб, внутренняя поверхность которых выстлана сеточной капиллярной структурой, содержащих двухфазный теплоноситель, соединенных между собой несущими элементами, являющимися тепловыми стоками, причем, по меньшей мере, в одной тепловой трубе, по меньшей мере, в одном месте, сеточная капиллярная структура выполнена выступающей в паровое пространство тепловой трубы.
Сеточная капиллярная структура, выступающая в паровое пространство, по меньшей мере одной тепловой трубы, сформирована из сеточной капиллярной структуры выстилающей внутреннюю поверхность и образована путем создания гофр из сеточной капиллярной структуры, выстилающей внутреннюю поверхность выполнена в виде дополнительного элемента из сетчатой капиллярной структуры контактирующего с сеточной капиллярной структурой, выстилающей внутреннюю поверхность.
Сеточная капиллярная структура, выступающая в паровое пространство, по меньшей мере одной тепловой трубы, выполнена проходящей вдоль корпуса тепловой трубы, а в наиболее предпочтительном варианте, что бы сеточная капиллярная структура, выступающая в паровое пространство, по меньшей мере одной тепловой трубы, выполнена в двух местах тепловой трубы и расположена симметрично относительно продольной оси трубы.
Для достижения оптимального эффекта параметры сеточной капиллярной структуры, по меньшей мере одной тепловой трубы должны выбираться в соответствии с соотношением:
,
,
,
c
opt
c
c
ж
ж
a
2
кс,доп
то
тт
где: d, - оптимальное значение диаметра проволоки сеточной капиллярной структуры (принято, что ширина ячеек на просвет не может быть меньше диаметра образующей его проволоки d, поэтому в качестве эффективного радиуса пор используется величина d/2); A, B - комплексы теплофизических характеристик теплоносителя, геометрических параметров тепловой трубы и капиллярной структуры, µ, ρ, σ - динамическая вязкость, плотность и коэффициент поверхностного натяжения двухфазного теплоносителя; g - ускорение свободного падения, n≥1 - величина перегрузки, b и h - ширина участка контактного теплообмена и толщина внутреннего пространства плоского корпуса тепловой трубы, F - площадь сечения дополнительной капиллярной структуры, l - протяженность участка теплообмена, l - протяженность тепловой трубы.
Сеточная капиллярная структура, по меньшей мере одной тепловой трубы представляет собой сеточное полотно.
Прижатие сеточной капиллярной структуры к внутренней поверхности, по меньшей мере одной тепловой трубы и поддержка сеточной капиллярной структуры, выступающей в паровое пространство, по меньшей мере одной тепловой трубы, обеспечивается с помощью, по меньшей мере, одной распорной пружины.
В торцах, по меньшей мере одной тепловой трубы выполнены пазы, по меньшей мере одна тепловая труба выполнена в виде трубы плоского типа, а несущие элементы выполнены таким образом, что служат заглушками тепловых труб.
Кроме того, в разрыве или разрывах тепловой трубы или тепловых труб установлена, по меньшей мере одна кондукционная пластина с, по меньшей мере одним окном, для выступающих теплонагруженных элементов.
Полезная модель поясняется чертежами:
Фиг. 1 - общий вид теплопередающей панели.
Фиг. 2 - особенности конструкции тепловых труб теплопередающей панели.
Фиг. 3 - разрез и вид капиллярной структуры тепловой трубы.
Фиг. 4 - размещение теплопередающей панели на электронной плате.
Фиг. 5 - варианты исполнения теплопередающей панели для плат с менее теплонагруженными выступающими электронными элементами.
На чертежах введены: 1 - тепловая труба, 2 - несущий элемент (выступающий в роли торцевой заглушки тепловой трубы); 3 - заправочный штенгель; 4 - основная сеточная капиллярная структура раздающая теплоноситель по корпусу; 5 - корпус тепловой трубы; 6 - дополнительная капиллярная структура выступающая в паровое пространство тепловой трубы; 7 - распорная пружина прижимающая основную капиллярную структуру и удерживающая дополнительную; 8 - салазки боковых стенок тепловой трубы; 9 - прижимная пластина (или фиксатор платы); 10 - корпус прибора (радиатор), рассеивающий мощность; 11 - теплонагруженные элементы; 12 - печатная плата; 13 - кондукционная пластина с окном; 14 - области с теплонагруженными элементами.
Тепловая труба 1 (Фиг. 2), внутренняя поверхность которой 5 выстлана сеточной капиллярной структурой 4, причем, по меньшей мере, в одном месте сеточная капиллярная структура выполнена выступающей в паровое пространство тепловой трубы. Таким образом, за счет того, что в паровом пространстве трубы выполнен, по меньшей мере один выступающий элемент 6 (Фиг. 3) из капиллярной структуры, обеспечивается возможность полноценного функционирования устройства при любой ориентации тепловой трубы, т.к. такой элемент 6 способствует подводу необходимого количества теплоносителя к зоне испарения и его раздаче основной сеточной капиллярной структуре 4.
За счет того, что сеточная капиллярная структура, выступающая в паровое пространство тепловой трубы, сформирована из сеточной капиллярной структуры выстилающей внутреннюю поверхность обеспечивается упрощение изготовления конструкции и целостность сеточной капиллярной структуры. Наиболее простым вариантом изготовления является создание гофра или гофр из сеточной капиллярной структуры, выстилающей внутреннюю поверхность, причем желательно плотно сжатого. Однако возможно выполнение выступающей части в виде дополнительного элемента из сетчатой капиллярной структуры контактирующего с сеточной капиллярной структурой, выстилающей внутреннюю поверхность, что позволит применять отходы от обрезки основного выстилающего сеточного полотна.
Желательно, что бы сеточная капиллярная структура, выступающая в паровое пространство тепловой трубы, была выполнена проходящей вдоль корпуса тепловой трубы, т.к. это обеспечивает подвод теплоносителя к основной сеточной капиллярной структуре по всей длине тепловой трубы.
В наиболее предпочтительном варианте, что бы сеточная капиллярная структура, выступающая в паровое пространство тепловой трубы, была выполнена в двух местах тепловой трубы и расположена симметрично относительно продольной оси трубы, т.к. это обеспечивает симметричный подвод теплоносителя к основной капиллярной структуре тепловой трубы по всей ее длине.
Для достижения оптимального эффекта параметры сеточной капиллярной структуры выбираться в соответствии с соотношением:
,
,
,
т.к. это обеспечивает максимальную величину предельной тепловой мощности передаваемой тепловой трубой против сил тяготения и инерции.
В предпочтительном варианте сеточная капиллярная структура представляет собой сеточное полотно, т.к. данный материал технологичен в изготовлении, обеспечивает постоянную толщину слоя и гомогенность свойств капиллярной структуры для транспортировки теплоносителя.
Для прижатия сеточной капиллярной структуры к внутренней поверхности трубы и поддержки сеточной капиллярной структуры, выступающей в паровое пространство тепловой трубы, обеспечивается с помощью, по меньшей мере, одного распорного элемента и, по меньшей мере, один распорный элемент представляет собой распорную пружину, что обеспечивает жесткость конструкции, отличное прижатие основной капиллярной структуры и технологичность тепловой трубы в целом.
В торцах трубы выполнены пазы, для ее крепления на несущих элементах, а сама тепловая труба выполнена в виде трубы плоского типа, что обеспечивает максимальную площадь теплообмена с теплонагруженным элементом электронной платы и размещение тепловой тубы в узком зазоре между платами.
Аналогичные эффекты достигаются в тепловой панели, однако предпочтительно выполнение несущих элементов таким образом, что бы на них были элементы служащие заглушками тепловой трубы, что обеспечить упрощение сборки конструкции тепловой панели и повысит жесткость и устойчивость ее конструкции.
Кроме того, для выступающих частей слабо теплонагруженных элементов необходимо выполнить разрывы в тепловых трубах. Однако выполнение просто разрывов не обеспечит жесткость всей конструкции панели и теплопередающие свойства тепловых труб в обоих направлениях - от торца к торцу. Для чего необходимо в разрывах установить кондукционные пластины с окном, для этих выступающих теплонагруженных элементов. В случае местоположения, слабо теплонагруженных элементов с выступающими частями, смещенного к одному из торцов тепловых труб, в конструкцию может быть введена сложная форма несущего элемента 2 (Фиг 5.).
Тепловая труба 1 (Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 4) работает следующим образом: тепловая мощность, выделяющаяся в радиоэлектронных элементах 11 печатной платы 12 (Фиг. 4), поглощается в месте контакта с корпусом тепловой трубы 5 (Фиг. 2) и заставляет испаряться двухфазный теплоноситель из капиллярной структуры. Затем теплоноситель конденсируется в торцах тепловой трубы в местах с заглушками 2 (Фиг. 2) и за счет капиллярных сил по выступающему в паровое пространство элементу сеточной капиллярной структуры 6 (Фиг. 3) возвращается в область испарения, попутно раздавая теплоноситель капиллярной структуре выстилающей корпус тепловой трубы 4. Причем распорные пружины или пружина 7 обеспечивают удержание выступающего элемента капиллярной структуры от соприкосновения с выстилающей корпус капиллярной структурой и тем самым исключают преждевременный перегрев теплоносителя до его подведения к зоне испарения. Затем цикл повторяется. Поглощаемая тепловой трубой 1 (Фиг. 1, Фиг. 2) мощность через несущие элементы 2 поступает на крепежные элементы 8 и 9 (фиксатор, салазки), а затем через термический контакт на стенки корпуса прибора 10, после чего рассеивается в окружающее пространство естественной конвекцией и излучением.
Для передачи максимальной предельной тепловой мощности против сил тяготения и инерции, и самовосстановления после воздействия перегрузок выбор параметров составной капиллярной структуры и корпуса плоских тепловых труб для теплопередающей панели осуществляется по следующим соотношениям:
1) Оптимальное значение диаметра проволоки сетки капиллярной структуры, при котором передается максимальная предельная мощность:
,
,
,
c,opt
c
с
ж
ж
a
2
кс,доп
то
тт
где: d - оптимальное значение диаметра проволоки сеточной капиллярной структуры (принято, что ширина ячеек на просвет не может быть меньше диаметра образующей его проволоки d, поэтому в качестве эффективного радиуса пор используется величина d/2); A, B - комплексы теплофизических характеристик теплоносителя, геометрических параметров тепловой трубы и капиллярной структуры, µ, ρ, σ - динамическая вязкость, плотность и коэффициент поверхностного натяжения двухфазного теплоносителя; g - ускорение свободного падения, n≥1 - величина перегрузки; b и h - ширина участка контактного теплообмена и толщина внутреннего пространства плоского корпуса тепловой трубы, F - площадь сечения дополнительной капиллярной структуры, l - протяженность участка теплообмена, l - протяженность тепловой трубы.
2) Величина предельной тепловой мощности передаваемой тепловой трубой против сил тяготения и инерции с оптимальными параметрами капиллярной структуры:
,
c,opt
c
c
ж
ж
a
2
кс,доп
то
тт
где d - оптимальное значение диаметра проволоки сеточной капиллярной структуры(принято, что ширина ячеек на просвет не может быть меньше диаметра образующей его проволоки d, поэтому в качестве эффективного радиуса пор используется величина d/2); µ, ρ, σ и L - динамическая вязкость, плотность, коэффициент поверхностного натяжения и теплота парообразования теплоносителя; g - ускорение свободного падения, n≥1 - величина перегрузки; b и h - ширина участка контактного теплообмена и толщина внутреннего пространства плоского корпуса тепловой трубы, F - площадь сечения дополнительной капиллярной структуры, l - протяженность участка теплообмена, l - длина тепловой трубы.
h
3) Время t, за которое капиллярная структура заполнится теплоносителем после воздействия предельной перегрузки:
,
c,орt
c
c
ж
ж
a
2
кс,доп
то
тт
где d - оптимальное значение диаметра проволоки сеточной капиллярной структуры (принято, что ширина ячеек на просвет не может быть меньше диаметра образующей его проволоки d, поэтому в качестве эффективного радиуса пор используется величина d/2); µ, ρ, σ и L - динамическая вязкость, плотность, коэффициент поверхностного натяжения и теплота парообразования теплоносителя; g - ускорение свободного падения, n≥1 - величина перегрузки; b и h - ширина участка контактного теплообмена и толщина внутреннего пространства плоского корпуса тепловой трубы, F - площадь сечения дополнительной капиллярной структуры, l - протяженность участка теплообмена, l - длина тепловой трубы.
Особенности конструкции тепловой панели следующие: описываемое устройство включает в себя сборку плоских тепловых труб 1 (Фиг. 1) с двумя тепловыми стоками в виде торцевых несущих элементов крепления 2 и заправочными штенгелями 3. По торцам плоских тепловых труб и в одном из несущих элементов выполнены пазы для крепления несущих элементов и штенгеля (Фиг 2). Внутренняя поверхность корпусов плоских тепловых труб выстлана капиллярной структурой 4 в виде сеточного полотна, основное назначение которой заключается в создании капиллярного напора, необходимого для транспортировки теплоносителя и его равномерного распределения по поверхности теплообмена при любом положении теплопередающей панели в пространстве (Фиг 3.). Для увеличения осевой проницаемости и передаваемой мощности гомогенная структура 4 дополняется сформированной из того же материала капиллярной структурой 6, вынесенной в паровое пространство (Фиг 3.). Прижатие капиллярных структур 4 и 6 осуществляется распорными пружинами 7, установленными по всей длине тепловой трубы (Фиг 3.). Для того чтобы конструкция теплопередающей панели не ограничивала свободный доступ к соседним модулям «электронная плата - теплопередающее устройство» и допускала возможность замены сервисной электроники в составе модуля, несущие элементы 2 (Фиг 4.) выполнены виде ступеньки. Кроме того, для выступающих частей слабо теплонагруженных элементов в конструкцию теплопередающей панели включают кондукционные пластины с окном 13 (Фиг. 5) или введена сложная форма несущего элемента 2 (Фиг 5.).
Осуществление устройства показано на примере, который в полной мере иллюстрирует сущность предложенного решения для расширения возможностей применения тепловых труб плоского типа, однако не ограничивает область его использования.
Тепловая панель работает аналогично тепловой трубе.
Полезную модель легко изготовить на известном оборудовании известными способами.