Теплосъемник - испаритель

 

Использование: системы охлаждения приборов и аппаратуры с использованием испзрительно-конденсационных циклов. Сущность изобретения: в корпусе 1 выполнена продольная полость 3. На ее стенках размещен крупнодисперсный слой металлического войлока. На внутренней поверхности слоя расположен мелкодисперсный слой спеченного металлического порошки в виде замкнутой по периметру продольной оболочки. В крупнодисперсном слое выполнены паровые каналы в виде отверстий. 5 з. п. ф-лы, 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sr)s F 28 D 15/02

ГОСУДАРСТВЕННОЕ JlATEHTHOF

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ,ЦЕТЕЛ6СТВУ (21) 4838708/06 (22) 20,04.90 (46) 15.02,93. Бюл. М 6 (75) Е. С, Яценко (56) Авторское свидетельство СССР

К 1000725, кл. F 28 D 15/02, 1981, (54) ТЕПЛОСЪЕМНИК-ИСПАРИТЕЛЬ (57) Использование; системы охлаждения приборов и аппаратуры с использованием испарительно-конденсацйонных циклов.

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к элементам устройств, работающих по замкнутому испарительно-конденсационному циклу — тепловых труб и терм осифонов.

Повышение мощностных и массогабаритных характеристик современных устройств, например, элементов силовой электроники (тиристоров) влечет за собой необходимость разработки систем их охлажденйя, соответствующих им по указанным параметрам.

Одной из особенностей компактизации является необходимость теплоотвода в длинных узких щелях, труднодоступных для прокачки жидкого теплоносителя, но в то же время обладающих большим тепловыделением, например, матриц и пуансонов для горячего прессования, шкафов с силовым оборудованием с плотной укладкой элементов, рубашек охлаждения.

Кроме того, к теплосъемным устройствам предьявляются требования по прочности, позволяющей прижимать их к охлаждаемым объектам. Так, для создания удовлетворительных тепловых контактов между тиристором и радиатором необходимо обеспечивать усилие прижатия 200 кг, „,5U„„1795254 А1

Сущность изобретения: в корпусе t выполнена продольная полость 3, На ее стенках размещен крупнодисперсный слой металлического войлока, На внутренней поверхности слоя расположен мелкодисперсный слой спеченного металлического порошка в виде замкнутой по периметру продольной оболочки. В крупнодисперсном слое выполнены паровые каналы в виде отверстий. 5 з. и. ф-лы, 4 ил.

Исходя из вышеуказанного, в качестве критерия сравнения выбран комплекс из описанных контрольных величин, а именно, плотности теплового потока р, длины (протяженности) теплосъемного устройства i u его поперечного размера (или толщины) д

Этот комплекс именуется ниже как мощноqi стно-габаритный критерий MG= - Г-Известны цельнометаллические радиаторы для отвода тепла от мощных электрических вентилей и тиристоров, рассеивающие тепло в воздух. Возможности их ограничены теплопроводностью материала. Мощностно-габаритный критерий собственно теплосъемной части их можно (Л оценить, пользуясь соотношениями для ... Дь стенки с внутренними источниками тепла (см, фиг. 1). считая, что тепло,подеодимое по поверхности (q), генерируется в объеме qv — . Перепад температуры по длине I paг Р вен ЛТ=, где Л вЂ” коэффициент теплопроводности материала, Отсюда мощноетно-габаритный критерий MG= .о! 2 АЛТ

1795254 т 10 Па, что нецелеПринимая допуск каемый перепадтемпе- ку при этом составляет 0 альное использорат ры ЛТсп 50 К, l 0,1 м, получим для сообразно, Кроме того, реальное и и Л =380 Вт/м K) MG= 4 10 Вт/м . вание таких каналов невозможно еще и

Известны жидкостные охладители, в ко- потому, то

5 фильт ом для жидкости и быстро забьются торых зона теплосъема имеет полости для ф р и, На и к ляции внутри нее жидкости. ощност.M щност- взвешенными в жидкости частицами, а практике минимальный размер каналов для но-габа итный критерий их выше, чем у но- р, О ° ф- проточных систем охлаждения составляет цельнометаллических, Он ограничен коэфт вн т енней по- несколько мм, чему соответств ет гидравлифициентомотеплоотдачи от внутренней noMG=10 В /м а тепверхности к. жидкости, гидравлическим ческоеог аничение на = т м;

6 2 сопротивлением каналов и теплоемкостью ловое MG-10 Вт/м . ти, М6 — к итерий можно оценить как От этого недостатка свободны системы с замкнутой циркуляций теплоносителя с аЛТ! использованием его фазовых превращений. а

Аж "-" Известны охладители наосноветермосифолоотдачи, а = Nu — — критерий Нуссельта, нов и тепловых труб. Геплосъемная часть их

Nu= 4 (т. к. для узких каналов движение содержит полость, внутри которой происхоблизко к ламинарному), - ® — к

), -Л вЂ” оэффициент дит испарение жидкости. Для сепарации и кости, d — диаметр жидкости и пара в них используют капилтеплопроводности жидкости, — ди канала. Для рассматриваемого д емого диапазона 20 лярные покрытия. Подача жидкости к поверразмеров! 0 см, см и и и

10, d 1 с. ользова- хности испарения осуществляется путем ния воды MG = 10 Вт/м . Уменьшение d растекания ее по покрытию вдоль тракта. и иводит к увеличению, однако и

MG ако при MG-критерий ограничен, во-первых, кризир д у. сом кипения и, во-вторых, гидравлическим этом возрастают гидравлические потери, о ность на прокачку, по- 25 сопротивлением тракта, Для наилучшего следовательно, мощн т ля — во ы — и едельная плотскольку необходимо поддерживать расход теплоносителя — воды — р и сти- ность теплового потока при кипении в больтеплоносителя, соответствующии допусти1 5 106 Вт/м2 (5,6). его например, д Т = 15 К, шом объеме составляет 1,5 . съ мника линой1

Qrpavusexve MG гидравлическими потеря- Следовательно, для тепло е д ми можно оценить по формуле ф рмуле Ь Р= 0 10 см и диаметром d 1 см MG= 1,5 10

Вт/м . В стесненных условиях предельная, где $ коэффициенттрения плотность теплового потока меньше, т. е. ия пло .снабжение удаленных участков поверхно cTvI жидкостью затрудняется вследствие изапариванияп капилляр ой структуры а

Р /Р гдето площадьпопеРечногосечениЯ ьшения эФФективного проходного секанала, =, и — (длЯ чения. Увеличение MG-критерия за счет изКе менения соотношения между 1 и d паминарного режима}, где Re= —,/г — ограничено гидраалическими потерями, и, и 40 Они равны сумме потерь для жидкости и коэффициент динамической вязкости жид32 6 пара. чит . С ая движение ламинарным, их кости, получим Л}с = — — +-. При турбу- можно оценить как

p cl лентном движении ЛР будет больше, à MG, 32 Gсти }ж соответственно, меньше. Расход G долже 45 н ЛРу +

Р г обеспечивать теплосъем с внутренней по326,1п верхности Q= q л dl при заданном подогреве теплоносителя д Т, т. е, Q= Gc д Т, р, FF, d2 р.7гd l где G — массовый расход, откУда G= — . ПодставлЯЯ это в фоР- 50 " — коэффициент динамической вязкоС Т мулу для потерь давления, получим сти, г я — пористость, М6= — — - - . НапоР на прокачкУ F — площадь проходного сечения, 32 л,и l

2 имеет порядок величины 10 Па. Он равен С

55 ж — и

ЬР . Подставляя численные значения для воды, получим = т м, д, у MG=2 10 В /, Размер d d — гидравлический диаметр (для жидкот для которого тепловое и гидравлическое ог- сти — р р ти — азме капилля ра бк).

MG авны, составляет 0,1 мм. При петлевой схеме движения и равенстве раничения равны, со

При этом = т м, MG=10 В /, Напор на прокач- 1}к=!у} выражение можно преобраз у1795?54

q лг11 тем подстановки G= — --- —, где — плот- . ность теплового потока, д О! — площадь теплоподвода, r — удельная теплота парообрэзования, к виду 5

Л р я 16 т I p + Яп тр О г О Ог

Движущий перепад давления создается капиллярными силами и гравитацией. Они имеют порядок 10 Па. Для капилляров разл мером 0,1 мм и вышеприведенных разме1зов MG= 10 Вт/м, причем уменьшение г

Диаметра канала не приводит к увеличению

IVIG.Òàê, ïðèd -1 мм М6=6 10 Втlм, чему причиной является уменьшение гидравлиЧеского диаметра для парового потока, Попытка применения мелкодисперсного покрытия (например, спеченного порошка) приведет также к снижению MG-критерия, V. к. напор является линейной функцией от

1/dp, а потери — квадратичной, П ри ленение же грубой капиллярной структуры (Ок 1 мм) в узком канале (d 1 мм) практически невозМож но.

Очевидно, что улучшение параметров теплосьемника возможно путем изменения способа орошения поверхности жидкостью, Бо всяком слу.ае, необходимо исключить жесткую взаимосвязь между принимаемостью капиллярной структуры и ее капиллярнЫм напором.

Наиболее близким техническим решением является зона испарения тепловой трубы в виде корпуса с выполненной внутри нЕго протяженной полостью, на стенках котОрой размещена комбинированная капилл рно-пористая структура, состоящая из сикоев металлического войлока и спеченного мфталлического порошка. Металлический войлок по своей структуре является крупнодИсперсным, а спеченный порошок выполнен более мелкодисперсным по сравнению с войлоком. С поверхностью полости непос редственно контактирует крупнодисперснь!й слой войлока, мелкодисперсный слой расположен на крупнодисперсном и контактирует непосредственно с ним по его внутренней поверхности.

Испарение происходит на стыке мелкои крупнодисперсных слоев, Расположение слОев позволяет сочетать высокий капиллярный напор с небольшими гидравлическими потерями, поскольку генерация напора происходит в мелкодисперсном слое, э движение теплоносителя — в основном в крупнодисперсной структуре и лишь на очень малом участке — по мелкодисперсной. э именно по и.р; м лкодпсперсного слоя.

Эти огобенносги создают вь сокие потенциальные возмо.кности для работы в стесненных условиях.

Целью настоящего изобретения является улучшение л ассо-габаритных характеристик, э именно, уменьшение поперечного размера.

10 Недостатками описанного устройства, мешающими достижению поставленной цели, являются следующие конструктивные особенности.

Конкретное исполнение капиллярной

15 структуры прототипа представляет собой жгуты, содержащие описанные крупно-и мелкодисперсные слои, Жгуты укреплены на внутренней поверхности стенки тепловой трубы. Свободное пространство между

20 жгутами образует паровой канал. Гидравлические потери в нем значительно ниже, че л при движении пара в крупнодисперсном слое. Поэтому уменьшение поперечного габарита устройства возможно за счет умень25 шения поперечного сечения канала до размера, при котором за счет уменьшения поперечного сечения канала до размера, при котором гидравлические потери в нем приблизятся к таковым в крупнодисперс30 ном слое, Как показывает расчет, этот размер имеет порядок толщины крупнодисперсного слоя, Однако при сужении парового канала капиллярные жгуты приближаются друг к другу, не позволяя су35 щественно уменьшить его размер. При соприкосновении их (см. фиг.2) паровой канал разделяется на центральный, составленный из вершин жгутов, и на щели между жгутами. От центрального канала можно отка40 заться,если выполнить щели размером с толщину крупнодисперсного слоя, Далее, совокупное сечение жгутов также может быть существенно уменьшено, поскольку по ним движется жидкость и гидравлические

45 потери в них малы. Поэтому жгуты можно объединить в единый канал для жидкости. безусловно необходимо, чтобы мелкодисперсные слои жгутов обьединились в единый мелкодисперсный слой, т. к, в

50 противном случае давление пара будет передаваться в жидкость.

Исходя из сказанного, поставленная цель может быть решена (см. фиг. 3) путем выполнения мелкодисперсного слоя в виде

55 замкнутой по периметру протяженной 060лочки 2, заполняющей большую часть полости 3, за исключенИем кольцевого пристеночного участка с крупнодисперсным слоем 4. Оболочка установлена вдоль оси полости. Паровой канал выполнен и ви1795254 де по-крайней мере одного отверстия 5 в крупнодисперсном слое. Возможно и большее количество отверстий, Устройство работает следующим образом. При воздействии теплового потока на корпус 1 в полости 3 возникает петлевая схема движения теплоносителя; из тракта тепловой трубы внутрь оболочки 2 всасывается жидкость, фильтруется через стенку ее и испаряется при переходе в крупнодисперсный слой 4. Образующийся пар вытесняется из полости 3 по паровым каналам 5.

Тепловое ограничение на MG-критерий такого теплосъемника зависит от предельной плотности тепловог0 потока, а здесь она того же порядка, что и при кипении в большом объеме, т. к. процессу испарения активно способствуют капиллярные силы, и достигает 3 . 10 . Следовательно, б Вт м

MG=3 10 Вт/м, а для диаметра канала

7 2 порядка единиц мм тепловое ограничение нэ MG составит 3 10" Вт/м., Гидравлическое сопротивление ограничивает MG примерно в той же степени. Действительно, сумма гидравлических потерь равна р 32 G ж I 32 Gèк до тр

Рж Гж d е я л d l dp г г

32 б ь д/2 32 О„ип 1

gpÄ l akp dip рп Г. дг где первое слагаемое описывает потери при движении жидкости внутри оболочки, F

-d; второе — при движении жидкости через г, стенку оболочки толщиной д, и размером капилляров ее структуры d; третье — потери при движении пара по крупнодисперсному слою до парового канала, (длина пути d/2), kp толщина крупнодисперсного слоя, dkd — размер его капилляров; четвертое — потери при уви>кении пара по паровому каналу, F, д . Подставляя в выражение 6=

2 цкд! —, получим

AI rp- — - — X зги г d

Ш ч яжооо ч, ч яп!

Р d2 Р,к 42 I 27CPn kD dkD Е Р 42

Для размеров dp -1 мкм, до Dkp «0,1 мм значения слагаемых в скобках при исполь5

50 зовании воды будут равны соответственно

0,03; 0,3; 0,05; 3. Для капилляров размером

1 мкм капиллярный напор имеет порядок

10 Па. Следовательно, MG-критерий равен 3 10 Бт/мг.

В зависимости от условий эксплуатации возможны различные модификации еплосъемника. Так, наиболее эффективными формами корпуса являются, eо-первь1х, стержень с одной полостью, ориентированной вдоль оси стер>кня (см. фиг. За) и, во-вторых, пластина с несколькими раздельными полостями, ориентированными вдоль ее поверхности (cM. фиг, Зб). Оболочки могут быть сквозными и глухими. Глухие оболочки позволяют, изменив несколько схему движения теплоносителя, стабилизировать работу теплосъемника, облегчить запуск его нэ рабочий режим и, наконец, упростить конструкцию и условия эксплуатации, позволив, во-первых, подавать с одной стороны только жидкость, а с другой отводить только пар (см, фиг. 4а), и, во-вторых, осуществлять подвод-отвод теплоносителя только с одной стороны, выполнив сами полости с той же ориентацией глухого и открытого концов, что и у оболочки (см. фиг. 4б).

Оптимизация теплосьемникэ может осуществляться в направлении профилирования диаметров полости и оболочки, Так, вследствие убывания расхода жидкости через поперечное сечение оболочки в направлении заглушенного торца сечение можно сделать убывающим. П ри постоя н ном сечении полостей в прямоточном теплосъемнике (см. фиг, 4а) это позволяет увеличивать соответственно толщину крупнодисперсного слоя, что отвечает возрастанию расхода пара через него. Для одностороннего подвода-отвода теплоносителя (см. фиг, 4б) целесообразно также профилировать и сечение полостей, так чтобы оно убывало от открытого конца к глухому, соответствуя расходам пара и жидкости по ним.

В заключение необходимо отметить, что предлагаемая конструкция позволяет минимизировать поперечное сечение полости примерно в 3 — 5 раз, поскольку оболочку из мелкодисперсного слоя технически возможно выполнить диаметром порядка единиц мм. Примерно того же порядка будут и размеры корпуса. Выполнить же и разместить в таком корпусе кап иллярную структуру по схеме прототипа — невозмо>кно, 1795254

Формула изобретения

Теплосъемник-испаритель, содержащий корпус с выполненной внутри него по крайней мере одной продольной полостью, на стен ках которой размещены. круп нодисперсный слой металлического войлока и мелкодисперсный слой спеченного металлического порошка. контактирующий со слоем войлока по его внутренней поверхности, причем внутри полости размещен также паровой канал, отл ич а ю щи и с я тем, что, с целью улучшения массогабари ных характеристик, мелкодисперсный слой выполнен в виде замкнутой по периметру продольной оболочки и установлен по оси полости, а паровой канал выполнен в виде по краиней åðå одного отверстия в крупнодисперсном слое, 2. Теплосъемник-испаритель по и. 1, о тл и ч а ю шийся тем, что корпус выполнен в виде пластины с несколькими полостями, оси которых параллельны поверхности пластины.

3. Теплосъемник-испаритель по и, 1, о тл и ч а ю шийся тем, что оболочка заглушена с одного торца.

4, Теплосъемник-испаритель по пп, 1, 3, I от л и ч а ю шийся тем, что корпус заглушен на торце с той же стороны, что и оболочка.

5. Теплосъемник-испаритель по пп. 1, 3, отличающийся тем, что оболочка выполнена с площадью поперечного сечения, убывающей в направлении ее заглушенного торца.

6. Теплосъемник-испаритель по пп, 1, 4, отличающийся тем, что полость выполнена с площадью а поперечного сечения, убывающей в направлении заглушенного торца корпуса.

1795254

Составитель E.ßöåíêo

Техред М.Моргентал Корректор С.Лисина

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 421 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5