ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩАЯ СИСТЕМА

Полезная модель относится к теплотехнике, в частности к двухфазным теплопередающим устройствам с капиллярной прокачкой теплоносителя и тепловым трубам.
Обеспечение тепловых режимов различного оборудования и электроники, в частности, является одной из актуальных проблем современной техники. Для решения этой проблемы разрабатываются специальные теплопередающие устройства и системы, которые осуществляют сбор и передачу тепла. Их эффективность оценивается по теплопередающей способности, общему термическому сопротивлению, массогабаритным параметрам и т.д. Улучшение этих параметров и повышение технологичности изготовления является одним из основных направлений в разработке теплопередающих систем.
Известна теплопередающая система [Патент США №4602679], представляющая собой двухфазный циркуляционный контур, выполненный в виде плоских панелей. Каждая панель состоит из двух толстостенных пластин с выемками, образующими корпус, между которыми размещена плоская капиллярная структура (фитиль). На внутренней поверхности теплоприемной пластины, находящейся в контакте с поверхностью плоской капиллярной структуры, выполнена система канавок для отвода пара, которые сообщаются с паровым коллектором и основным паропроводом. На другой пластине, находящейся в контакте с противоположной стороной плоской капиллярной структуры, выполнена система канавок для распределения жидкости из жидкостного коллектора, сообщающегося с основным конденсатопроводом системы.
Недостатком этого устройства является повышенная масса испарителей, плоская форма которых требует большой толщины стенок, чтобы выдерживать давление паров теплоносителя при рабочей температуре.
2
Поскольку, как правило, в подобных теплопередающих устройствах используется аммиак в качестве рабочей жидкости, являющийся наилучшим теплоносителем в диапазоне температур от 20 до 60°С, это давление может составлять величину 1,5-3,0 МПа. Даже при относительно малой величине контактной поверхности такого устройства равной, например 200 см, сила, действующая на каждую из пластин его корпуса, может составлять 600 кгс. Толщина стенок, способная выдержать на изгиб такое давление, должна составлять не менее 5 мм. Большая толщина стенок испарителя приводит также к увеличению термического сопротивления устройства.
Известно также теплопередающее устройство [Патент РФ №2120593], включающее контурную тепловую трубу и плоскую тепловую трубу. Активная зона испарителя контурной тепловой трубы, содержащего внутри капиллярную структуру, размещена внутри корпуса плоской тепловой трубы. На наружной поверхности испарителя контурной тепловой трубы выполнена капиллярная структура, например, в виде мелкой винтовой нарезки, гидравлически связанная с капиллярной структурой плоской тепловой трубы, выполненной в виде нескольких слоев металлической сетки.
2
Основной недостаток этого теплопередающего устройства также связан с необходимостью увеличения толщины стенок плоской тепловой трубы при большой площади тепловоспринимающей поверхности (более 200 см). Это приводит к увеличению термического сопротивление устройства и массы. Кроме того, недостатком устройства является сложность конструкции, которая требует относительно сложных технологических приемов, как на стадии сборки, так и заправки двух тепловых труб, образующих единую неразъемную конструкцию.
Наиболее близкой к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является теплопередающая система [Патент США №7345877В2], включающая пульсирующую тепловую трубу в виде петлеобразных каналов, распределительную пластину из теплопроводного материала с зоной подвода тепловой нагрузки, при этом, по меньшей мере, часть пульсирующей тепловой трубы связана с распределительной пластиной, и контурную тепловую трубу, испаритель которой соединен с пульсирующей тепловой трубой посредством теплового интерфейса, образуя зону теплового контакта.
Пульсирующая тепловая труба имеет простую конструкцию и обеспечивает сбор тепла с большой поверхности и передачу его к контурной тепловой трубе, которая, в свою очередь, передает полученное тепло к охладителю. Контурная тепловая труба обладает высокой теплопередающей способностью и передает тепло на значительные расстояния и при любой ориентации. Такая система имеет высокую степень конфигурационной гибкости и адаптации к сложным техническим объектам.
2
2
th
Однако данная система недостаточно эффективна, как по термическому сопротивлению, так и по теплопередающей способности, из-за различия теплопередающих характеристик этих двух типов тепловых труб. Так, например, коэффициенты теплообмена в каналах пульсирующих тепловых труб составляют порядка 1500-4000 Вт/м·К [А.Н.Наумова, В.Ю.Кравец. Исследование теплоотдачи в пульсационной тепловой трубе. Восточно-Европейский журнал передовых технологий // научный журнал. - Харьков: Технологический центр, 2010. - №3/10 (45). 29-32 с.], а в зоне испарения контурных тепловых труб они могут составлять 20000-100000 Вт/м·К [Yu. F. Maydanik. Loop Heat Pipes - Theory, Experimental Developments and Application. Proc. of the 13 Int. Heat Transfer Conf., 2006, keynote lecture n19.]. Также, в общем случае, различается и теплопередающая способность труб, характеризуемая величиной максимальных передаваемых тепловых нагрузок. Это означает, что теплопередающая способность системы, выполненной по последовательной схеме, ограничивается характеристиками «слабого» звена системы. С другой стороны, большие линейные размеры пульсирующей тепловой трубы и распределительной пластины, приводят к необходимости иметь большую длину испарителя контурной тепловой трубы, которая оказывается избыточной, с точки зрения теплопередающей способности, и приводит к увеличению веса системы.
Кроме того, обеим тепловым трубам свойственна зависимость их характеристик от величины плотности теплового потока. Причем для каждой из них существует свой диапазон плотностей теплового потока, при котором они работают в оптимальном режиме и имеют минимальное термическое сопротивление. Несовпадение этих минимумов приводит к повышенному термическому сопротивлению системы в целом.
В основу полезной модели положена задача повышения теплопередающей способности, снижения термического сопротивления и веса теплопередающей системы путем согласования тепловых и конструкционных параметров пульсирующей и контурной тепловых труб, входящих в систему.
Поставленная задача решается тем, что в теплопередающей системе, включающей пульсирующую тепловую трубу в виде петлеобразных каналов, распределительную пластину из теплопроводного материала с зоной подвода тепловой нагрузки, при этом, по меньшей мере, часть пульсирующей тепловой трубы связана с распределительной пластиной или вложена в нее, и контурную тепловую трубу, состоящую из соединенных между собой раздельными трубопроводами испарителя с капиллярной структурой внутри и конденсатора, причем испаритель контурной тепловой трубы соединен с пульсирующей тепловой трубой посредством теплового интерфейса, образуя зону теплового контакта, согласно полезной модели, в зоне теплового контакта тепловых труб каналы пульсирующей тепловой трубы размещены более плотно, чем в зоне подвода тепловой нагрузки.
При этом:
- плотность каналов пульсирующей тепловой трубы в зоне теплового контакта тепловых труб, как минимум, в два раза больше плотности каналов, чем в зоне подвода тепловой нагрузки;
- пульсирующая тепловая труба целиком сопряжена с распределительной пластиной (вложена или выполнена в ней), а испаритель контурной тепловой трубы выполнен цилиндрическим и соединен с поверхностью пластины посредством теплового интерфейса из теплопроводного материала, с плоской контактной поверхностью;
- каналы пульсирующей тепловой трубы частично выполнены в виде плоской спирали и соединены с распределительной пластиной, а частично в виде цилиндрической спирали, соединены с испарителем контурной тепловой трубы;
- тепловой интерфейс цилиндрического испарителя имеет цилиндрическую контактную поверхностью, которая охватывается спиральными каналами пульсирующей тепловой трубы.
Каждая из тепловых труб заполнена своим теплоносителем, обеспечивающим каждой максимальную теплопередающую способность в заданном температурном диапазоне. Например, контурная тепловая труба заполнена аммиаком, пульсирующая тепловая труба - фреоном 141 b.
Пульсирующая тепловая труба обеспечивает сбор тепла от источников большой площади, или нескольких небольших распределенных источников, и передачу его к испарителю контурной тепловой трубы. За счет увеличенной плотности витков в зоне теплового контакта с испарителем контурной тепловой трубы пульсирующая тепловая труба выполняет функцию трансформатора теплового потока. При этом, размеры испарителя контурной тепловой трубы (диаметр, длина) определяются в основном величиной передаваемой тепловой нагрузки и не зависят от характерных размеров зоны подвода тепловой нагрузки у пульсирующей тепловой трубы. Это позволяет снизить массу и габариты системы. Контурная тепловая труба осуществляет передачу тепла на значительные расстояния и является основным теплопередающим звеном системы.
Пульсирующая тепловая труба может быть выполнена непосредственно в распределительной пластине из теплопроводного материала в виде каналов или сформирована из трубки, которая полностью или частично соединена с пластиной. В зависимости от этого тепловой контакт пульсирующей тепловой трубы с цилиндрическим испарителем контурной тепловой трубы осуществляется посредством теплового интерфейса из теплопроводного материала, с плоской или цилиндрической контактной поверхностью. Тепловой интерфейс с плоской контактной поверхностью служит для сопряжения цилиндрической поверхности испарителя с плоской поверхностью пластины. Тепловой интерфейс с цилиндрической контактной поверхностью необходим для спиральной навивки каналов пульсирующей трубы, изготовленной из трубки. При этом радиус испарителя может быть меньше предельного радиуса изгиба трубки. При достаточно большом радиусе испарителя контурной тепловой трубы, который больше предельного радиуса изгиба капиллярной трубки, тепловой контакт осуществляется спиральной навивкой трубки пульсирующей тепловой трубы непосредственно на корпус испарителя контурной тепловой трубы.
Таким образом, предлагаемое увеличение плотности каналов пульсирующей тепловой трубы в зоне контакта с испарителем контурной тепловой трубы позволило согласовать теплопередающие и геометрические параметры тепловых труб и обеспечило создание теплопередающей системы обладающей высокой теплопередающей способностью, минимальным термическим сопротивлением, весом и имеющей поверхность любых необходимых размеров в зоне подвода тепловой нагрузки.
На фиг.1 изображен общий вид теплопередающей системы и местного сечения зоны теплового контакта тепловых труб.
На фиг.2 представлен вариант размещения испарителя контурной тепловой трубы в центральной части пластины с поперечным расположением каналов пульсирующей тепловой трубы относительно центральной оси испарителя.
На фиг.3 представлен вариант размещения испарителя контурной тепловой трубы на краю пластины с расположением каналов пульсирующей тепловой трубы в зоне контакта вдоль центральной оси испарителя.
На фиг.4 представлен общий вид теплопередающей системы, в которой пульсирующая тепловая труба выполнена из трубки и тепловой контакт с испарителем контурной тепловой трубы реализован путем спиральной навивки этой трубки на корпусе испарителя.
На фиг.5 представлен вариант организации теплового контакта пульсирующей тепловой трубы из трубки с испарителем контурной тепловой трубы с помощью цилиндрического теплового интерфейса.
На фиг.6 представлен вариант расположения испарителя контурной тепловой трубы в центральной части пульсирующей тепловой трубы, выполненной из трубки.
На фиг.7 представлена схема экспериментальной модели теплопередающей системы.
На фиг.8 представлен общий вид (фото) экспериментальной модели теплопередающей системы.
На фиг.9 приведены результаты испытаний экспериментальной модели теплопередающей системы в виде зависимости термических сопротивлений от тепловой нагрузки.
Теплопередающая система включает пульсирующую тепловую трубу 1 и контурную тепловую трубу 2. Пульсирующая тепловая труба 1, представляющая собой систему каналов 3 капиллярных размеров в виде витков (меандра), соединена с распределительной пластиной 4 из теплопроводного материала, например сплава алюминия, с зоной 5 подвода тепловой нагрузки. Каналы 3 пульсирующей тепловой трубы 1 могут быть выполнены непосредственно в пластине 4 или сформированы из трубки, которая полностью, или частично соединена с пластиной 4. Контурная тепловая труба 2 включает испаритель 6, конденсатор 7, паропровод 8 и конденсатопровод 9. Внутри испарителя 6 размещена капиллярно-пористая структура 10 и снабжена в области контакта с внутренней поверхностью корпуса испарителя 6 системой пароотводных каналов 1 1, котор ые образуют зону испарения. В конфигурациях системы, в которых пульсирующая тепловая труба 1 полностью соединена с пластиной 4 (фиг.1-3), испаритель 6 контурной тепловой трубы 2 снабжен тепловым интерфейсом 12 из теплопроводного материала с плоской контактной поверхностью. Тепловой интерфейс 12 охватывает зону испарения испарителя 6, а его контактная поверхность соединена с пластиной 4 в зоне 13 теплового контакта, где плотность каналов пульсирующей тепловой трубы 1 увеличена. В конфигурациях системы, в которых пульсирующая тепловая труба 1 выполнена из капиллярной трубки и частично соединена с пластиной 4 (фиг.4-6), зона 13 теплового контакта образована спиральной навивкой трубки 14 на корпусе испарителя 6, либо на цилиндрическом седле 15.
Теплопередающая система работает следующим образом. Тепло, которое выделяется одним или несколькими источниками тепловой нагрузки, расположенными на одной или двух главных плоскостях пластины 4 в зоне 5 подвода тепловой нагрузки, передается кондуктивным способом к пульсирующей тепловой трубе 1. Возникшие перепады температур и давлений между зонами 5 и 13 подвода тепловой нагрузки и теплового контакта с контурной тепловой трубой 2, соответственно, вызывают хаотические колебания парожидкостной смеси в каналах 3 пульсирующей тепловой трубы 1. При этих колебаниях тепло в виде скрытой теплоты парообразования и энтальпийной составляющей передается в зону 13 теплового контакта с испарителем 6 контурной тепловой трубы 2. Далее, посредством теплового интерфейса 12 (или 15) или напрямую коаксиальными витками 14 трубки пульсирующей тепловой трубы 1 тепло концентрируется в зоне испарения испарителя 6 контурной тепловой трубы 2. Теплоноситель, находящийся в капиллярно-пористой структуре 10 испарителя 6, испаряется и по пароотводным каналам 11 поступает через паропровод 8 в конденсатор 7, где конденсируется и отдает тепло внешнему приемнику тепла. Образовавшийся конденсат по конденсатопроводу 9 возвращается в испаритель 6, замыкая рабочий цикл передачи тепла.
В лаборатории теплопередающих устройств Института теплофизики УрО РАН были проведены испытания экспериментальной модели заявляемой теплопередающей системы. Ниже представлены результаты испытаний.
2
2
Согласно формуле предлагаемой полезной модели была изготовлена экспериментальная модель теплопередающей системы. Конструкция системы в главных проекциях и изометрическом виде показана на фиг.7. Согласно п.п.1-3 формулы пульсирующая тепловая труба 1 была целиком сопряжена с распределительной пластиной 4, а цилиндрический испаритель 6 контурной тепловой трубы соединен с поверхностью пластины 4 посредством теплового интерфейса 12 из теплопроводного материала с плоской контактной поверхностью. Пульсирующая тепловая труба 1 была изготовлена из медной трубки и припаяна к распределительной пластине 4 из алюминия. Плотность каналов 3 пульсирующей тепловой трубы в зоне контакта составляла 0,14 каналов/см, в зоне подвода тепловой нагрузки - 0,035 каналов/см. Тепловой интерфейс 12 из алюминиевого сплава имел плоскую контактную поверхность и был соединен с испарителем 6 контурной тепловой трубы пайкой. Конструкционный материал контурной тепловой трубы - нержавеющая сталь. Соединение теплового интерфейса 12 испарителя 6 с распределительной пластиной 4 было разъемным с винтовым креплением. В зоне контакта теплового интерфейса 12 с распределительной пластиной 4 использовалась теплопроводная паста КПТ8. Пульсирующая тепловая труба была заправлена фреоном 141b в качестве теплоносителя, контурная тепловая труба - аммиаком. Другие важные конструктивные характеристики системы приведены в таблице.
Таблица.
Элемент/параметр элемента
Значение параметра
Трубка пульсирующей тепловой трубы / нар. ⌀ × стенка, мм
2×0,35
Распределительная пластина / длина × ширина × толщина, мм
260×200×1
Зона подвода тепловой нагрузки / длина × ширина, мм
200×200
Зона теплового контакта тепловых труб / длина × ширина, мм
200×50
Испаритель контурной тепловой трубы / нар. ⌀ × длина, мм
8×100
Зона испарения испарителя / длина, мм
60
Трубопроводы контурной тепловой трубы / нар. ⌀ × стенка, мм
2×0,25
Контурная тепловая труба / общ. длина, мм
590
Габариты системы / длина × ширина × высота, мм
593×200×260
Вес системы, г
732
Общий вид теплопередающей системы, подготовленной к испытаниям, показан на фиг.8. Испытания проводились в лабораторных условиях с имитатором тепловой нагрузки в виде плоского электрического нагревателя с поверхностью 200×200 мм, который крепился к распределительной пластине 4 винтами с использованием крепежных отверстий 16. Отвод тепла от конденсатора 7 контурной тепловой трубы 1 проводился на холодную плиту, охлаждаемую термостатируемой жидкостью. В экспериментах производились измерения тепловой мощности, выделяемой имитатором, и полей температур в зонах 5 и 13, и в зоне охлаждения (на конденсаторе). По полученным данным вычислялись соответствующие средние значения температур зон и термические сопротивления основных участков и системы в целом. Термические сопротивления определялись по стандартной формуле, равной отношению разности температур на конкретном участке передачи тепла к передаваемой тепловой нагрузке. Результаты испытаний в виде зависимости термических сопротивлений системы от тепловой нагрузки представлены на фиг.9. Видно, что в интервале тепловых нагрузок 60-100 Вт тепловые трубы имели не только минимальные значения термического сопротивления, но и значения, близкие по величине, различающиеся в пределах ±0,01°С/Вт. Это обеспечило оптимальные характеристики системы в целом, общее термическое сопротивление которой, в указанном диапазоне тепловых нагрузок, составило 0,26±0,01°С/Вт.
2
Таким образом, экспериментально была доказана высокая эффективность предлагаемого технического решения и возможность его практической реализации. За счет высокой эффективной теплопроводности тепловых труб и согласования их теплопередающих и геометрических параметров путем увеличения плотности каналов 3 пульсирующей тепловой трубы 1 в зоне 13 теплового контакта с испарителем 6 контурной тепловой трубы 2 обеспечивается высокая теплопередающая способность, низкое термическое сопротивление и оптимальные массогабаритные характеристики теплопередающей системы. При этом, данная система позволяет собирать тепло с большой поверхности при относительно низких плотностях теплового потока (порядка 0,1-1,0 Вт/см), концентрировать его и передавать на значительные расстояния при любых ориентациях в поле массовых сил. Пространственное разнесение каналов 3 пульсирующей тепловой трубы 1 в плоскости пластины 4 позволяет иметь на ней необходимое количество отверстий 16 или других крепежных элементов, предназначенных для фиксации источников тепловой нагрузки. Кроме того, пульсирующая тепловая труба 1 является одним из простейших типов тепловых труб, что обеспечивает высокую технологичность изготовления системы и надежность эксплуатации. Функциональные возможности данной системы, обеспечивающие сбор тепла с большой поверхности и передачу его на значительные расстояния при минимальных массогабаритных параметрах, позволяют эффективно решать задачи, связанные, в первую очередь, с охлаждением электронного оборудования.