Теплоаккумулирующее устройство

Теплоаккумулирующее устройство относится к области теплотехники, более конкретно к теплоаккумулирующим устройствам, использующим скрытую теплоту фазовых переходов рабочего вещества для обеспечения требуемого теплового режима источников энергии при их циклической работе, а также в качестве их защиты от кратковременных воздействий внешних тепловых потоков. Устройство содержит 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. Техническими результатами изобретения являются улучшение массогабаритных характеристик, что особенно актуально для бортовой аппаратуры; сохранение постоянной величины энтальпии от цикла к циклу; повышение надежности. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области теплотехники, более конкретно к теплоаккумулирующим устройствам, использующим скрытую теплоту фазовых переходов рабочего вещества для обеспечения требуемого теплового режима источников энергии (ИЭ) при их циклической работе, а также в качестве их защиты от кратковременных воздействий внешних тепловых потоков.

Теплоаккумулирующие устройства обеспечивают тепловой режим радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Для аккумулирования тепла в них наряду с теплоемкостью конструкции корпуса устройства используются обратимые эндотермические процессы плавления рабочих веществ, сопровождающиеся 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 конечных геометрических размеров с гладкой или оребренной поверхностью, герметичный объем которых заполняется плавящимся рабочим веществом [1] с.6, [2] с.20-25, [3] с.33-36.

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 ИЭ 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 с помощью упругой мембраны, сильфона или за счет заполнения объема перегретой жидкостью, если конструкция достаточно жестка и практически не изменяет своего объема при нагреве и охлаждении. При жесткой конструкции металлической емкости (или полости) заправку производят при максимальной температуре жидкого рабочего вещества, которой оно может достигнуть в процессе работы. Поэтому после затвердевания вещества, а также при низких температурах жидкой фазы внутри объема будет образовываться газовая полость, которая ухудшает теплообмен.

Известна конструкция теплоаккумулирующего устройства, герметичный корпус которого выполнен в виде радиатора из алюминиевого сплава, наполненного плавящимся рабочим веществом (в данном случае парафином) [1] стр.71-72. С помощью такой конструкции осуществляется отвод тепла от полупроводниковых приборов.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является конструкция теплоаккумулирующего устройства на основе фазопереходного рабочего вещества, представляющая собой корпус с заполненной натрием емкостью, разделенной на несколько герметичных отсеков с плоским основанием, служащим теплоприемником при работе электронного блока, размещенного на нем с хорошим тепловым контактом (США, патент №3328642, кл. 361/705, 1964 г.).

Основными недостатками вышеперечисленных конструкций являются:

- необходимость герметизации и, как следствие, сложная технология изготовления такого рода теплоаккумулирующих устройств, что приводит к ухудшению массогабаритных характеристик аппаратуры, работающей в пиковых режимах включения, и снижению надежности;

- наличие газовых областей во внутренних полостях конструкции, ухудшающих теплообмен.

Задачами изобретения являются уменьшение массы теплоаккумулирующего устройства, упрощение технологии его изготовления, улучшение теплообмена, обеспечение стабильной работы устройства за счет отказа от герметизации корпуса.

Техническими результатами настоящего изобретения являются

- улучшение массогабаритных характеристик, что особенно актуально для бортовой аппаратуры;

- сохранение постоянной величины энтальпии от цикла к циклу;

- повышение надежности.

Указанные технические результаты достигаются тем, что в известном теплоаккумулирующем устройстве, содержащем 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.

Применение формоустойчивого фазопереходного материала (ФПМ) устраняет необходимость герметизации корпуса, что облегчает конструкцию и уменьшает ее габариты, а также позволяет избежать ухудшающих теплообмен газовых областей в полостях корпуса. Таким образом, обеспечивается стабильная работа теплоаккумулирующего устройства.

Примеры выполнения предлагаемого устройства иллюстрируются чертежами, представленными на фиг.1-2.

На фиг.1 показан общий вид теплоаккумулирующего устройства с источником энергии, установленным на корпусе, выполненном в виде сотопанели;

на фиг.2 показана схема теплоаккумулирующего устройства с источником энергии, установленном на корпусе, выполненном в виде радиатора.

На фиг.1 изображено теплоаккумулирующее устройство с источником 1 энергии, установленном на корпусе, состоящем из двух панелей 2, между которыми расположены соты 3, заполненные формоустойчивым ФПМ 4, соприкасающимся с окружающей средой. В качестве формоустойчивых ФПМ (например, для обеспечения теплового режима радиоэлектронной аппаратуры) могут использоваться композиции из компонентов, обеспечивающих требуемый эндотермический эффект, значение температуры фазового перехода плавящегося рабочего вещества и его высокую формоустойчивость в заданном интервале температур устройства, на которых установлены источники энергии. Если принять, что температура окружающей среды не превышает 50°С, а максимально допустимая температура источников энергии может находиться в пределах от 80 до 150°С, то выбор плавящегося рабочего вещества определяется, исходя из этих условий. Поэтому для охлаждения устройств во время сеансов циклической работы ИЭ можно использовать, например, формоустойчивый теплоаккумулирующий материал с температурой плавления фазопереходного компонента, превышающей максимальную температуру окружающей среды. Для низкотемпературных устройств в настоящее время наиболее пригодна композиция теплоаккумулирующего материала, изготовленная по патенту RU №2190656 от 08.06.2001 г., температура стабилизации которого достигается при значениях 50-55°С при высоком суммарном тепловом эффекте и сохранении прочностных свойств и формоустойчивости материала.

На фиг.2 показана другая схема выполнения теплоаккумулирующего устройства с источником 5 энергии, установленном на корпусе 6, полости которого заполнены формоустойчивым ФПМ 7, сообщающимся с окружающей средой. В качестве ФПМ может быть использована композиция по патенту RU №2190656 от 08.06.2001 г.

Устройство работает следующим образом.

Корпус и соприкасающийся с ним ФПМ нагревается за счет тепла, получаемого от ИЭ. При достижении в пристеночных слоях температуры плавления ФПМ начинает плавиться. Передача теплоты во внутренний объем ФПМ осуществляется теплопроводностью. При плавлении ФПМ поглощает количество теплоты, равное энергоемкости ФПМ при фазовом переходе и нагреве, при этом в объеме ФПМ находятся твердая и жидкая фазы. Граница раздела фаз подвижная, изменяющаяся во времени.

При выключении ИЭ происходит остывание ФПМ и его затвердевание за счет передачи теплоты от ИЭ и корпуса в окружающую среду за более длительный период времени. При этом выделяется количество теплоты, поглощенное теплоаккумулирующим устройством в период работы ИЭ.

Использованные источники

1. В.А.Алексеев. Охлаждение радиоэлектронной аппаратуры с использованием плавящихся веществ. Под ред. А.В.Ревякина, М.: Энергия, 1975.

2. С.П.Нечепаев, В.В.Бучок. Разработка конструкции малогабаритного блока РЭА и системы его охлаждения на основе плавящегося вещества. - Ж. Вопросы радиоэлектроники. Серия: Общие вопросы радиоэлектроники (Тепловые режимы, термостатирование и охлаждение радиоэлектронной аппаратуры), выпуск 12, 1987.

3. И.А.Зеленев, А.Ф.Клишин, В.М.Ковтуненко, А.Ф.Шабарчин. Методы обеспечения теплового режима автоматических межпланетных станций «Венера» в атмосфере планеты. - Ж. Космические исследования, Т.XXVI, выпуск 1, М.: Наука, 1988.

1. Теплоаккумулирующее устройство, содержащее корпус, имеющий полости, заполненные теплоаккумулирующим фазопереходным рабочим веществом, отличающееся тем, что в качестве рабочего вещества использована композиция формоустойчивого материала, сообщающаяся с окружающей средой.

2. Теплоаккумулирующее устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус выполнен в виде сотопанели.

3. Теплоаккумулирующее устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус выполнен в виде радиатора.