Тепловая труба с принудительной циркуляцией жидкости

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для передачи значительных потоков теплоты от устройства к устройству, от окружающей среды к устройству или наоборот и, в частности, для охлаждения тепловыделяющих элементов компьютера. Техническим результатом является обеспечение регулируемого возврата жидкости из зоны конденсации в одну или несколько испарительных зон независимо от ориентации в поле силы тяжести. Технический результат достигается тем, что между теплоотдающей зоной и жидкостным трубопроводом расположен обратный клапан, перегородка из мелкопористого материала или капиллярный участок трубопровода, жидкостный трубопровод имеет ответвление в виде герметично закрытого с одной стороны накопительного трубопровода, который снабжен устройством периодического нагрева до температуры выше, чем температура теплоотдающего участка, и периодического охлаждения до температуры ниже, чем температура теплоотдающего участка. Форма и размеры сечения жидкостного и накопительного трубопроводов обеспечивают возможность перемещения парожидкостной смеси в режиме, при котором порции жидкости перемещаются по трубопроводу вместе с паровыми пробками без расслоения на отдельные паровые и жидкостные потоки. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для передачи значительных потоков теплоты от устройства к устройству, от окружающей среды к устройству или наоборот, от устройства к окружающей среде, в частности может быть использовано для охлаждения тепловыделяющих элементов компьютера.

Известна тепловая труба, состоящая из одного или нескольких тепловоспринимающих участков, одного или нескольких паровых трубопроводов, одного или нескольких жидкостных трубопроводов и одного или нескольких теплоотдающих участков, образующих замкнутую систему, внутри которой находится рабочее тело в виде жидкости и ее паров; в тепловой трубе между теплоотдающим участком и жидкостным трубопроводом, подающим жидкость из теплоотдающего участка в тепловоспринимающий участок, расположена перегородка из мелкопористого материала или капиллярный участок трубопровода; начальный участок жидкостного трубопровода, расположенный за перегородкой, снабжен устройством периодического или импульсного нагрева поступающей через перегородку жидкости, а форма и размеры сечения жидкостного трубопровода обеспечивают возможность перемещения парожидкостной смеси по трубопроводу в режиме "снарядного" кипения, при котором порции жидкости перемещаются по трубопроводу вместе с паровыми пробками без расслоения на отдельные паровые и жидкостные потоки. (RU 2275764 С1, Ермаков С.А. "Тепловая трубка с принудительной циркуляцией жидкости и тепловая трубка для охлаждения ноутбуков", 27.04.2006 г.)

Это техническое решение по выполняемой функции и достигаемому результату является наиболее близким к заявленному по выполняемым функциям и достигаемому результату. Оно принято в качестве ближайшего аналога (прототипа).

Недостатком прототипа является необходимость строгой ориентации тепловой трубы в поле силы тяжести для обеспечения стабильности своей работы.

Настоящее изобретение направлено на устранение этого недостатка и решает техническую задачу обеспечения возможности функционирования тепловой трубы независимо от направления силы тяжести.

Для решения этой технической задачи тепловая труба, состоящая из одного или нескольких тепловоспринимающих участков, одного или нескольких паровых трубопроводов, одного или нескольких жидкостных трубопроводов и одного или нескольких теплоотдающих участков, образующих замкнутую систему, внутри которой находится рабочее тело в виде жидкости и ее паров, в которой между теплоотдающим участком и жидкостным трубопроводом, подающим жидкость из теплоотдающего участка в тепловоспринимающий участок, расположена перегородка из мелкопористого материала или капиллярный участок трубопровода, а форма и размеры сечения жидкостного трубопровода за счет капиллярных сил (сил поверхностного натяжения) обеспечивают возможность перемещения парожидкостной смеси по трубопроводу в режиме, при котором порции жидкости перемещаются по трубопроводу вместе с паровыми пробками без расслоения на отдельные паровые и жидкостные потоки, снабжена ответвлением от жидкостного трубопровода в виде герметично закрытого с одной стороны накопительного трубопровода; форма и размеры сечения накопительного трубопровода обеспечивают возможность перемещения парожидкостной смеси по нему в режиме, при котором порции жидкости перемещаются по трубопроводу вместе с паровыми пробками без расслоения на отдельные паровые и жидкостные потоки, а накопительный трубопровод снабжен устройством периодического нагрева до температуры выше, чем внутренняя температура теплоотдающего участка, и периодического охлаждения до температуры ниже, чем внутренняя температура теплоотдающего участка.

Вместо перегородки из мелкопористого материала или капиллярного участка трубопровода, расположенного между теплоотдающим участком и жидкостным трубопроводом, подающим жидкость в тепловоспринимающий участок, может быть применен обратный клапан.

В качестве устройства периодического нагрева и охлаждения накопительного трубопровода предпочтительно применен термоэлектрический модуль (элемент Пельтье), подсоединенный вторым нагреваемым/охлаждаемым спаем к теплоотдающему участку тепловой трубы.

В качестве устройства периодического нагрева накопительного трубопровода может быть применен резистивный электрический нагреватель, охлаждение накопительного трубопровода при этом осуществляется путем отдачи тепла от трубопровода в окружающую среду при помощи теплоотводящего или вентиляционного устройства.

Тепловоспринимающие участки тепловой трубы частично заполнены теплопроводящим капиллярно-пористым материалом, облицовывающим внутренние стенки участка с обеспечением плотного теплового контакта между тепловоспринимающими стенками и капиллярно-пористым материалом.

Тепловоспринимающие участки тепловой трубы предпочтительно имеют форму теплосъемников, выполненных с возможностью плотного теплового контакта с охлаждаемыми устройствами.

Теплоотдающие участки тепловой трубы предпочтительно выполнены в виде оребренного трубопровода со значительной поверхностью теплоотдачи; форма и внутренние размеры оребренного трубопровода предпочтительно обеспечивают возможность перемещения парожидкостной смеси по нему в режиме, при котором порции жидкости перемещаются по трубопроводу вместе с паровыми пробками без расслоения на отдельные паровые и жидкостные потоки.

Жидкостные, накопительные и оребренные трубопроводы предпочтительно имеют небольшой внутренний диаметр и округлое сечение.

Использование заявленного изобретения позволит получить следующий технический результат.

Устройство позволит обеспечить регулируемый возврат жидкости из зоны конденсации в зону испарения по трубопроводу без применения динамического оборудования, только за счет создания перепадов теплового поля. При этом работоспособность устройства обеспечивается независимо от его ориентации в поле силы тяжести. Способность жидкости перемещаться в любом направлении одновременно с вытесняющими или засасывающими ее потоками пара обеспечивается малым диаметром и округлым сечением жидкостных и накопительных трубопроводов, благодаря капиллярным силам, удерживающим паровые и жидкостные пробки в трубопроводах от слияния и расслоения.

Устройство позволит обеспечить возврат жидкости из одной зоны конденсации в несколько зон испарения с возможностью регулирования величины каждого жидкостного потока, при помощи соответствующего количества нагревающих/охлаждающих устройств и выбора режима их работы.

Применение в качестве охлаждающих устройств термоэлектрических модулей, перекачивающих тепловую энергию от накопительных трубопроводов к теплоотдающему участку тепловой трубы (к конденсатору), позволит увеличить скорость охлаждения накопительного трубопровода по сравнению с его естественным охлаждением. Охлаждение накопительного трубопровода до температуры ниже, чем температура теплоотдающего участка, требуется для обеспечения всасывания жидкости из теплоотдающего участка в накопительный трубопровод независимо от направления силы тяжести.

Применение в качестве нагревающих устройств термоэлектрических модулей, перекачивающих тепловую энергию от теплоотдающего участка тепловой трубы (конденсатора) к накопительным трубопроводам позволит снизить затраты дополнительной энергии, требующейся для нагрева накопительного трубопровода и образования вытесняющих паровых потоков, перемещающих жидкость из накопительного трубопровода в тепловоспринимающие участки тепловой трубы.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где показан вариант конструкции тепловой трубы с одним теплоотдающим участком (конденсатором), двумя линиями возврата жидкого рабочего тела и тремя тепловоспринимающими участками (испарителями).

Конструкция тепловой трубы состоит из испарителей 1-3, паровых трубопроводов 4, конденсатора 5, обратных клапанов 6 и 7, жидкостных трубопроводов 8 и 9, накопительных трубопроводов 10 и 11, термоэлектрических модулей 12 и 13. Внутри испарителей расположен теплопроводящий капиллярно-пористый материал 14, плотно облицовывающий тепловоспринимающие стенки испарителя.

Работа тепловой трубы осуществлена следующим образом.

Первоначально обеспечивают плотный тепловой контакт испарителей 1-3 с нагретыми охлаждаемыми устройствами.

Жидкое рабочее тело, заполняющее поры капиллярно-пористого материала 14, испаряется, отбирая поступающую от охлаждаемого устройства теплоту. Пары рабочего тела по паровому трубопроводу 4 под действием перепада давлений перемещаются в конденсатор 5, в котором конденсируются, отдавая теплоту конденсации окружающей среде или другому теплоотводящему устройству.

Возврат сконденсированного рабочего тела из конденсатора 5 в испарители 1-3 осуществляется в два цикла.

В цикле охлаждения термоэлектрический модуль 12 (элемент Пельтье) отбирает теплоту от накопительного трубопровода 10 и передает ее конденсатору 5. При охлаждении накопительного трубопровода ниже температуры конденсатора 5 в накопительном трубопроводе снижается давление паров рабочего тела за счет их конденсации. Под действием возникшего перепада давлений через обратный клапан 6 происходит заполнение накопительного трубопровода 10 жидким рабочим телом из конденсатора 5. Заполнение накопительного трубопровода будет происходить независимо от расположения трубопровода относительно конденсатора, при условии, что температура в накопительном трубопроводе 10 поддерживается ниже, чем температура жидкого рабочего тела в конденсаторе 5.

После заполнения накопительного трубопровода жидким рабочим телом в результате полной конденсации заполняющих его паров переходят к циклу нагрева накопительного трубопровода. В результате переполюсовки термоэлектрический модуль 12 начинает отбирать теплоту от конденсатора 5 и передавать ее накопительному трубопроводу 10. Заполняющее накопительный трубопровод 10 жидкое рабочее тело вскипает. Образующиеся пары рабочего тела повышают давление внутри накопительного трубопровода, в результате чего заполняющее накопительный трубопровод 10 жидкое рабочее тело вытесняется в жидкостный трубопровод 8 и перемещается по нему в испаритель 1, в котором вновь поглощается капиллярно-пористым материалом 14. Обратный клапан 6 препятствует возврату жидкого рабочего тела из накопительного трубопровода 10 в конденсатор 5. Влагопоглотительная способность капиллярно-пористого материала 14 ограничена объемом его пор, поэтому после полного заполнения капиллярно-пористого материала в испарителе 1 подаваемое в него жидкое рабочее тело вместе с потоком пара, вырабатываемого испарителем 1, поступает в испаритель 2. Паровой поток проходит через испаритель, а жидкое рабочее тело поглощается капиллярно-пористым материалом, находящимся в испарителе 2. Избыточно поданное жидкое рабочее тело вместе с паровым потоком, вырабатываемым испарителями 1 и 2, по паровому трубопроводу 4 возвращается в конденсатор 5.

После полного вытеснения жидкого рабочего тела из накопительного трубопровода 10 и жидкостного трубопровода 8 в испаритель 1 переходят к циклу охлаждения накопительного трубопровода 10.

Аналогичным образом работает контур, включающий в себя испаритель 3, паровой трубопровод 4, конденсатор 5, обратный клапан 7, жидкостный трубопровод 9, накопительный трубопровод 11 и термоэлектрический модуль 13.

В упрощенном варианте тепловой трубы вместо термоэлектрических элементов 12 и 13 применяют обычные резистивные электронагреватели, а цикл охлаждения накопительного трубопровода осуществляют за счет его теплоотдачи в окружающую среду при помощи устройств, обеспечивающих эту теплоотдачу.

Вместо обратных клапанов 6 и 7 могут быть применены капилляры или мелкопористые перегородки. При использовании вместо обратного клапана капилляра или перегородки из мелкопористого материала надежность работы тепловой трубы повышается, так как в этом случае в конструкции трубы полностью отсутствуют механически перемещаемые части, однако энергозатратность тепловой трубы несколько повышается из-за того, что в цикле нагрева накопительного трубопровода часть заполняющей его жидкости через капилляр или мелкопористую перегородку возвращается обратно в конденсатор.

1. Тепловая труба, состоящая из одного или нескольких тепловоспринимающих участков, одного или нескольких паровых трубопроводов, одного или нескольких жидкостных трубопроводов и одного или нескольких теплоотдающих участков, образующих замкнутую систему, внутри которой находится рабочее тело в виде жидкости и ее паров, в которой между теплоотдающим участком и жидкостным трубопроводом, подающим жидкость из теплоотдающего участка в тепловоспринимающий участок, расположен обратный клапан или перегородка из мелкопористого материала или капиллярный участок трубопровода, а форма и размеры сечения жидкостного трубопровода обеспечивают возможность перемещения парожидкостной смеси по трубопроводу в режиме, при котором порции жидкости перемещаются по трубопроводу вместе с паровыми пробками без расслоения на отдельные паровые и жидкостные потоки, отличающаяся тем, что жидкостный трубопровод имеет ответвление в виде герметично закрытого с одной стороны накопительного трубопровода; форма и размеры сечения накопительного трубопровода обеспечивают возможность перемещения парожидкостной смеси по нему в режиме, при котором порции жидкости перемещаются по трубопроводу вместе с паровыми пробками без расслоения на отдельные паровые и жидкостные потоки, а накопительный трубопровод снабжен устройством периодического нагрева до температуры выше, чем температура теплоотдающего участка, и охлаждения до температуры ниже, чем температура теплоотдающего участка.

2. Тепловая труба по п.1, отличающаяся тем, что в качестве устройства периодического нагрева и охлаждения накопительного трубопровода применен термоэлектрический модуль, подсоединенный вторым нагреваемым/охлаждаемым спаем к теплоотдающему участку тепловой трубы.

3. Тепловая труба по п.1, отличающаяся тем, что в качестве устройства периодического нагрева накопительного трубопровода применен электрический нагреватель, а охлаждение накопительного трубопровода осуществляется путем теплоотдачи в окружающую среду при помощи теплоотводящего или вентиляционного устройства.

4. Тепловая труба по п.1, отличающаяся тем, что тепловоспринимающие участки тепловой трубы частично заполнены теплопроводящим капиллярно-пористым материалом, облицовывающим внутренние стенки участка.

5. Тепловая труба по п.1, отличающаяся тем, что тепловоспринимающие участки тепловой трубы имеют форму теплосъемников, выполненных с возможностью плотного теплового контакта с охлаждаемыми устройствами.

6. Тепловая труба по п.1, отличающаяся тем, что теплоотдающие участки тепловой трубы имеют форму оребренного трубопровода со значительной поверхностью теплоотдачи; размеры сечения трубопровода обеспечивают возможность перемещения парожидкостной смеси по нему в режиме, при котором порции жидкости перемещаются по трубопроводу вместе с паровыми пробками без расслоения на отдельные паровые и жидкостные потоки.

7. Тепловая труба по п.1, отличающаяся тем, что трубопроводы имеют небольшой внутренний диаметр и округлое сечение.