Испарительная камера контурной тепловой трубы

 

Изобретение относится к тепловым трубам и может быть использовано для отвода тепла от теплонапряженных объектов. Сущность: испарительная камера тепловой трубы имеет плоскую (дискообразную) форму. Она содержит корпус, включающий боковую стенку 1 с паровым коллектором 2 и две торцевые стенки 3 и 4. К первому паровому коллектору 2 подключен паропровод 5 контурной тепловой трубы. Внутри корпуса размещена капиллярно-пористая насадка 6, прилегающая к боковой стенке 1 на части ее длины и к торцевой стенке 3. На внутренней поверхности торцевой стенки 3 выполнены кольцевые концентрические канавки 7, а на прилегающей к ней поверхности насадки 6 - продольные проточки 8, образующие единую систему пароотводных каналов, сообщающихся с паровым коллектором 2. Внутренняя поверхность торцевой стенки 3 и прилегающая к ней поверхность насадки 6 образуют первую термоконтактную поверхность. Между насадкой 6 и торцевой стенкой 4 образован зазор 9, служащий для аккумулирования рабочей жидкости и сообщающийся с конденсатопроводом 10. 5 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к тепловым трубам и может быть использовано для отвода тепла от различных теплонапряженных объектов с плоской контактной поверхностью.

Известна плоская испарительная камера тепловой трубы.

Камера содержит корпус с плоской контактной поверхностью, в котором наряду с капиллярной структурой использована дополнительная гофрированная вставка, расположенная между торцевой стенкой камеры и капиллярной структурой. С целью повышения термодинамической активности на гофрах вставки в зоне контакта корпуса с капиллярной структурой выполнены сквозные прорези, сообщающиеся с паровыми каналами [1] Недостатком такой испарительной камеры является повышенное термическое сопротивление в зоне теплообмена, поскольку между капиллярной структурой и стенкой введен элемент, обладающий дополнительным термическим сопротивлением.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к предлагаемому изобретению является испарительная камера тепловой трубы. Камера имеет плоский корпус, включающий боковую и две торцевые стенки и расположенную внутри корпуса капиллярно-пористую насадку. Насадка прилегает к боковой и торцевым стенкам камеры на части их длины, имеет кольцевую периферийную полость, сообщающуюся с паропроводом, и центральную полость, сообщающуюся с конденсатопроводом. Насадка снабжена также пароотводными каналами, связывающими термоконтактную поверхность, образованную частью по крайней мере одной из торцевых стенок камеры и прилегающей к ней поверхностью насадки с периферийной полостью, выполняющей роль парового коллектора [2] Недостатком такой испарительной камеры является, во-первых, недостаточно развитая поверхность зоны испарения ввиду ограниченного числа пароотводных каналов, во-вторых, повышенное гидравлическое сопротивление из-за необходимости фильтрации жидкости в насадке из центральной полости вдоль обогреваемой поверхности, и в-третьих, невозможность использования всей торцевой поверхности испарительной камеры для подвода тепловой нагрузки.

В основу предлагаемого изобретения положена задача создания испарительной камеры контурной тепловой трубы, конструкция которой позволяет обеспечить эффективный отвод тепла от теплонапряженных элементов с плоской поверхностью тепловыделения, например мощных теплопроводниковых тиристоров, диаметр которых может достигать 100 мм, а плотность рассеиваемого теплового потока 20 Вт/см².

Поставленная задача решается тем, что испарительная камера имеет плоскую (дискообразную) форму. Она содержит корпус, включающий боковую стенку с размещенным на ней паровым коллектором и две торцевые стенки. Расположенная внутри корпуса капиллярно-пористая насадка прилегает к боковой стенке на части ее длины и к одной из торцевых стенок. Система пароотводных каналов расположена на термоконтактной поверхности и сообщается с паровым коллектором, который, в свою очередь, сообщается с паропроводом контурной тепловой трубы. Вся термоконтактная поверхность образована по крайней мере внутренней поверхностью указанной торцевой стенки и прилегающей к ней поверхностью насадки. Причем система пароотводных каналов выполнена в виде мелких концентрических кольцевых канавок на этой торцевой стенке и более крупных проточек, параллельных диаметру на прилегающей к ней поверхности насадки. Между насадкой и второй торцевой стенкой образован зазор, выполняющий роль полости для аккумулирования рабочей жидкости, которая сообщается с конденсатопроводом тепловой трубы.

Испарительная камера согласно изобретению может быть снабжена дополнительной крупнопористой насадкой, расположенной в зазоре со стороны конденсатопровода и находящейся в контакте с основной насадкой. Размер пор дополнительной насадки должен быть достаточным по крайней мере для подъема рабочей жидкости на высоту, равную ее толщине. Это необходимо для того, чтобы обеспечить устойчивый запуск и работу камеры при любой ориентации в поле тяжести независимо от ориентации самой контурной тепловой трубы.

Торцевая стенка камеры, через которую подводится тепло, может быть выполнена в виде фланца, который позволяет осуществить плотное механическое соединение с охлаждаемым объектом.

Испарительная камера может быть также снабжена сквозным каналом, расположенным вдоль центральной оси камеры, который проходит сквозь насадку, образующую выступ, прилегающий ко второй торцевой стенке. Такой канал может быть использован, во-первых, для крепления охлаждаемого объекта и, во-вторых, для дополнительной фиксации торцевых стенок камеры в случае использования теплоносителей, имеющих избыточное давление при рабочей температуре по отношению к внешнему давлению.

В некоторых случаях для более рационального размещения охлаждаемых объектов необходимо использовать обе торцевые стенки испарительной камеры. Для этого она может иметь две насадки и соответственно две термоконтактные поверхности, расположенные симметрично. При такой компоновке полость для аккумулирования рабочей жидкости размещается в зазоре между первой и второй насадками и сообщается с конденсатопроводом, который в этом случае подключен к боковой стенке камеры.

В других случаях, когда по условиям размещения контурной тепловой трубы, например, в системе охлаждения какого-либо оборудования, паропровод и конденсатопровод могут быть присоединены только к свободной торцевой стенке испарительной камеры, она снабжена дополнительным паровым коллектором, непосредственно сообщающимся с паропроводом и размещенным вдоль центральной оси насадки, которая образует выступ, прилегающий ко второй торцевой стенке. Пароотводные каналы на термоконтактной поверхности насадки в этом случае выполнены в виде радиальных проточек разной длины, часть которых непосредственно сообщается как с первым паровым коллектором, так и с дополнительным, а часть только с первым.

Предлагаемая конструкция испарительной камеры позволяет, во-первых, снизить термическое сопротивление между источником тепловой нагрузки, имеющим плоскую контактную поверхность, и теплоприемной поверхностью камеры, поскольку в данном случае отпадает необходимость в использовании каких-либо дополнительных переходных элементов. Во-вторых, она позволяет организовать более эффективный теплообмен внутри самой камеры на ее термоконтактной поверхности. Этого удается достичь за счет более разветвленной, ступенчатой системы каналов для удаления пара из зоны испарения в паропровод. Такая система пароотводных каналов позволяет снизить до минимума потери давления по пару в зоне испарения и, кроме того, сохранить оптимальную величину поверхности теплового контакта испаряющей поверхности насадка с испаряемой стенкой камеры. При этом стенка камеры может быть более тонкой и, следовательно, обладать более низким термическим сопротивлением, поскольку более глубокие и широкие пароотводные каналы размещены в насадке. Более многочисленные и значительно более мелкие кольцевые канавки, выполненные на торцевой стенке камеры, практически не влияют на ее толщину. Основная их роль заключается в образовании поверхности испарения. Эти канавки являются первой, самой короткой, ступенью в системе пароотводных каналов. С паровым коллектором они сообщаются через более широкие и глубокие проточки, выполненные на термоконтактной поверхности насадки, число которых значительно меньше. Наконец, в-третьих, отсутствие специальных переходных контактных элементов "цилиндр-полость" упрощает и удешевляет изготовление систем охлаждения с использованием контурных тепловых труб.

На фиг. 1 представлен вертикальный разрез плоской испарительной камеры с одной термоконтактной поверхностью; на фиг. 2 вид внутренней поверхности торцевой стенки камеры с кольцевыми канавками; на фиг. 3 вид поверхности капиллярно-пористой насадки с продольными проточками; на фиг. 4 вертикальный разрез испарительной камеры с дополнительной крупнопористой капиллярной структурой; на фиг. 5 вертикальный разрез испарительной камеры с торцевой стенкой в виде фланца для крепления охлажденных элементов; на фиг. 6 - вертикальный разрез испарительной камеры со сквозным осевым каналом; на фиг. 7 вертикальный разрез испарительной камеры с двумя симметричными термоконтактными поверхностями; на фиг. 8 вертикальный разрез испарительной камеры с дополнительным паровым коллектором, выполненным в насадке; на фиг. 9 вид поверхности капиллярно-пористой насадки с радиальными проточками.

Испарительная камера согласно изобретению содержит корпус, включающий боковую стенку 1 с первым паровым коллектором 2, а также первую 3 и вторую 4 торцевые стенки. К первому паровому коллектору 2 подключен паропровод 5 контурной тепловой трубы. Внутри корпуса размещена капиллярно-пористая насадка 6, прилегающая к боковой стенке 1 на части ее длины и к первой торцевой стенке 3. На внутренней поверхности торцевой стенки 3 выполнены пароотводные каналы в виде кольцевых концентрических канавок 7, а на прилегающей к ней поверхности насадки 6 в виде продольных проточек 8. Мелкие кольцевые канавки 7 и более крупные проточки 8 образуют единую сообщающуюся между собой и первым паровым коллектором 2 систему пароотводных каналов. Внутренняя поверхность торцевой стенки 3 с кольцевыми канавками 7 и прилегающая к ней поверхность насадки 6 с продольными проточками 8 образуют первую термоконтактную (теплообменную) поверхность. Между первой насадкой 6 и второй торцевой стенкой 4 образован зазор 9 для аккумулирования рабочей жидкости сообщающейся с конденсатопроводом 10 контурной тепловой трубой. Испарительная камера может быть снабжена дополнительной крупнопористой насадкой 11, расположенной в зазоре 9 и находящейся в контакте с первой насадкой 6. Первая торцевая стенка 3 может быть выполнена в виде фланца с отверстиями (фиг. 5) для крепления охлаждаемых объектов на испарительной камере. Испарительная камера может иметь сквозной центральный канал 13 (фиг. 6) для крепления охлаждаемых объектов и для фиксации торцевых стенок 3 и 4 камеры при использовании теплоносителей, имеющих избыточное рабочее давление, который проходит через насадку 6, имеющую выступ 14 (фиг. 6), прилегающий ко второй торцевой стенке 4. Испарительная камера может иметь вторую термоконтактную поверхность, симметричную первой (фиг. 7), образованную внутренней поверхностью второй торцевой стенки 4 с кольцевыми канавками 15 и прилегающей к ней поверхностью второй насадки 16 с продольными проточками 16, сообщающимися со вторым паровым коллектором 18. Между первой насадкой 6 и второй насадкой 16 расположен зазор 19, образующий полость, которая выполняет роль аккумулятора рабочей жидкости, сообщающуюся с конденсатопроводом 10, присоединенным к боковой стенке 1 камеры. Испарительная камера может иметь также дополнительный паровой коллектор 20 (фиг. 8), размещенный вдоль центральной оси насадки 6, снабженный выступом 14, прилегающим ко второй торцевой стенке 4. На поверхности насадки 6, прилегающей к внутренней поверхности первой торцевой стенки 3, выполнены радиальные проточки 21, непосредственно сообщающиеся как с первым, так и с дополнительным паровым коллектором 20, и радиальные проточки 22 (фиг. 9), непосредственно сообщающиеся с первым паровым коллектором 2. Радиус насадки 11 выбирают из условия: где σ коэффициент повер. натяжения, q краевой угол смачивания, h толщина насадки 11.

При подводе тепловой нагрузки к первой торцевой стенке 3 камеры рабочая жидкость начинает испаряться из насадки 6 в канавки 7. По канавкам 7 пар устремляется в проточки 8 и затем в первый паровой коллектор 2. Из коллектора 2 пар попадает в паропровод 5, по которому движется в конденсатор контурной тепловой трубы. После конденсации жидкий теплоноситель по конденсатопроводу 10 поступает в зазор 9, выполняющий роль аккумулятора рабочей жидкости, из которого обеспечивается подпитка насадка 6. Если испарительная камера ориентирована в гравитационном поле так, что жидкость в нее поступает снизу, то целесообразно использовать дополнительную крупнопористую насадку 11, которая размещается в зазоре 9, находясь в контакте с насадкой 6. Относительно большой размер пор дополнительной насадки не создает значительного гидравлического сопротивления, но в то же время достаточен для подъема рабочей жидкости до насадки 6. Для плотного механического прижатия охлаждаемых объектов, например, мощных полупроводниковых тиристоров, торцевая стенка 3 камеры выполнена в виде фланца с отверстиями 12 для крепежных элементов. В тех случаях, когда охлаждаемый объект имеет один крепежный элемент, он может быть размещен в сквозном канале 13 испарительной камеры. Этот канал может быть использован также для дополнительной фиксации торцевых стенок 3 и 4 камеры при работе с теплоносителями, имеющими избыточное давление. Выступ насадки 14 выполняет здесь роль изолятора, препятствующего прогреву жидкости в зазоре 9 от перетечек пара из зоны испарения вдоль стенки сквозного канала 13. Одновременно выступ 14 выполняет роль капиллярной артерии для подпитки насадки 6. Если тепловая нагрузка подводится к обеим торцевым стенкам 3 и 4 камеры, то каждая из симметрично расположенных частей с насадками 6 и 16, системами пароотводных каналов 7, 8, 15, 17 и паровым коллектором 2 и 18 работает аналогичным образом. Подпитка насадок 6 и 16 в этом случае осуществляется из зазора 19, куда жидкость поступает из конденсатопровода 10, а пар из коллекторов 2 и 18 поступает в общий паропровод 5. Если паропровод 5 и конденсатопровод 10 крепятся к свободной торцевой стенке 4 камеры, то пар по радиальным проточкам 21 поступает как в первый паровой коллектор 2, так и в дополнительный коллектор 20, а пар из проточек 22 поступает в паровой коллектор 2 и оттуда по проточкам 21 в дополнительный коллектор 20, который непосредственно сообщается с паропроводом 5. Выступ насадки 14 выполняет роль изолятора, препятствующего перетечкам пара в зазор 9 с рабочей жидкостью, а также роль артерии, обеспечивающей подпитку насадки 6.

Формула изобретения

1. Испарительная камера контурной тепловой трубы, содержащая корпус, включающий боковую стенку, две торцевые стенки, расположенную внутри капиллярно-пористую насадку, прилегающую к боковой стенке на части ее длины и по крайней мере к одной из торцевых стенок, снабженную системой пароотводных каналов на термоконтактной поверхности, сообщающихся с паровым коллектором, и полостью для аккумулирования рабочей жидкости, сообщающуюся с конденсатопроводом, причем испарительная камера имеет плоскую форму, а вся ее термоконтактная поверхность образована по крайней мере внутренней поверхностью одной из торцевых стенок и прилегающей к ней поверхностью насадки, отличающаяся тем, что паровой коллектор расположен в боковой стенке корпуса, а система пароотводных каналов выполнена в виде мелких концентрических кольцевых проточек на внутренней поверхности торцевой стенки корпуса и пересекающих их более крупных проточек на прилегающей к ней поверхности насадки.

2. Камера по п. 1, отличающаяся тем, что она содержит дополнительную крупнопористую насадку, расположенную со стороны конденсатопровода и находящуюся в контакте с первой насадкой, причем эффективный радиус пор дополнительной насадки выбирается из условия где σ - коэффициент поверхностного натяжения рабочей жидкости; Θ - краевой угол смачивания; h толщина дополнительной насадки.

3. Камера по п.1, отличающаяся тем, что торцевая стенка камеры, образующая термоконтактную поверхность, выполнена в виде фланца для крепления охлаждаемых элементов.

4. Камера по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена сквозным осевым каналом, проходящим через насадку, которая образует выступ, прилегающий к второй торцевой стенке камеры.

5. Камера по п.1, отличающаяся тем, что она содержит вторую термоконтактную поверхность, симметричную первой, образованную второй торцевой стенкой и прилегающей к ней второй капиллярно-пористой насадкой, причем между первой и второй насадками образован зазор, выполняющий роль аккумулятора рабочей жидкости, сообщающийся с конденсатопроводом.

6. Камера по п.1, отличающаяся тем, что она содержит дополнительный паровой коллектор, непосредственно сообщающийся с паропроводом, выполненный вдоль центральной оси насадки, образующей выступ, прилегающий к второй торцевой стенке камеры, причем пароотводные каналы на термоконтактной поверхности насадки выполнены в виде радиальных проточек разной длины, часть из которых непосредственно сообщается как с первым, так и с дополнительным паровым коллекторами, а часть только с первым паровым коллектором.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9