Тепловая труба
Заявленное изобретение предназначено для применения в области теплотехники. Тепловая труба содержит герметичный частично заправляемый жидким теплоносителем корпус в виде трубки с продольными ребрами и каналами между ними, зонами подвода и отвода тепла и транспортными зонами между ними. Продольные ребра выполнены со сходящимися к центру трубки стенками и образуют сужающиеся к центру трубки каналы, причем при соприкосновении ребер своими вершинами образуются замкнутые пристенные каналы и центральный канал, разобщенный с пристенными каналами в радиальном направлении. Изобретение позволяет обеспечить повышение теплопередающей способности тепловой трубы. 5 з.п. ф-лы, 16 ил.
Изобретение относится к теплотехнике, а именно к теплопередающим устройствам, и касается конструктивного исполнения тепловой трубы и может быть использовано в электронике, преобразовательной технике, электротехнике для отвода тепла от микросхем, обмоток электрических машин и др.
Известна конструкция тепловой трубы (см. а.с. СССР №1278564, МПК: F 28 D 15/02, опубл. 23.12.86), представляющая собой трубчатый корпус с зонами испарения и конденсации и капиллярной структурой в виде продольных пазов на внутренней стороне, сообщающихся между собой в зоне испарения посредством каналов, выполненных на перемычках между пазами. Каналы выполнены переменной глубины, увеличивающейся в направлении, противоположном зоне конденсации. При высоких тепловых нагрузках за счет увеличения глубины каналов в направлении, противоположном зоне конденсации, происходит эффективное снабжение их теплоносителем, что позволяет повысить величину первичного теплового потока и приводит к увеличению теплопередающей способности тепловой трубы.
Недостатком является недостаточная теплопередающая способность тепловой трубы из-за незначительного капиллярного напора продольных пазов.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является тепловая труба по а.с. СССР №1740951, МПК: F 28 D 15/02, опубл. 15.06.92, содержащая герметичный частично заправляемый жидким теплоносителем корпус с продольными ребрами и каналами между ними, зонами подвода и отвода тепла и транспортными зонами между ними, выполненными в виде продольных капиллярных канавок на внутренней поверхности трубы, разделенных ребрами, причем на части периметра трубы ребра выполнены с переменной по периметру высотой таким образом, что между смежными высокими ребрами расположено, по крайней мере, одно низкое ребро.
Высокие ребра могут быть выполнены со скругленными вершинами, и низкие могут иметь треугольный профиль сечения. Кроме того, высокие ребра выполнены большей толщины, чем низкие. При подводе и отводе тепла в соответствующих зонах через трубу осуществляется тепло- и массоперенос с изменением агрегатного состояния теплоносителя, при этом в зоне отвода тепла и в зоне транспорта теплоносителем заполнены самые широкие канавки, образованные высокими ребрами, а высота мениска жидкости, максимальная в зоне отвода тепла, постепенно уменьшается, его прогиб в зоне транспорта увеличивается, и перед зоной отвода тепла мениск касается более низких ребер и разбивается на большее число менисков в капиллярных канавках, что обеспечивает увеличение капиллярного напора и соответствующее увеличение теплопередающей способности тепловой трубы.
Недостатком известного устройства является невысокая теплопередающая способность тепловой трубы из-за того, что при больших скоростях пара касательные напряжения на поверхности жидкости будут препятствовать течению жидкости в открытых канавках.
Задачей, решаемой предлагаемым устройством, является повышение теплопередающей способности тепловой трубы.
Поставленная задача решается следующим образом.
В известной тепловой трубе, содержащей герметичный частично заправляемый жидким теплоносителем корпус в виде трубки с продольными ребрами и каналами между ними, зонами подвода и отвода тепла и транспортными зонами между ними, продольные ребра выполнены со сходящимися к центру трубки стенками и образуют сужающиеся к центру трубки каналы, причем при соприкосновении ребер своими вершинами образуются замкнутые пристенные каналы и центральный канал, разобщенный с пристенными каналами в радиальном направлении.
При этом высота ребер переменна по длине трубы, и в зоне отвода тепла высота меньше, чем в зоне подвода тепла и/или в транспортной зоне.
Высота ребра прямоугольной формы, при которой образуются замкнутые пристенные каналы, связана с параметрами тепловой трубы соотношением:
где h - высота ребра,
d - диаметр трубы по основанию пристенного канала,
b - ширина ребра,
δ - размер основания пристенного канала.
Тепловая труба может быть выполнена с непроницаемой центральной трубкой, касающейся вершин ребер и отделяющей пристенные каналы друг от друга.
Тепловая труба может быть выполнена таким образом, что продольные ребра сомкнуты своими вершинами в зоне подвода тепла и/или в транспортной зоне, а в зоне отвода тепла между вершинами ребер имеется зазор.
Тепловая труба может быть выполнена таким образом, что центральная трубка имеется в зоне подвода тепла и/или транспортной зоне, а в зоне отвода тепла между вершинами ребер имеется зазор.
Предлагаемое изобретение изображено на фиг.1-16.
На фиг.1 - тепловая труба с ребрами неизменной высоты.
На фиг.2 - сечение А-А, выполненное на фиг.1.
На фиг.3 - тепловая труба с ребрами переменной высоты.
На фиг.4 - сечение А-А на фиг.3.
На фиг.5 - сечение В-В на фиг.3.
На фиг.6 - тепловая труба с сомкнутыми вершинами ребрами неизменной высоты.
На фиг.7 - сечение А-А на фиг.6.
На фиг.8 - тепловая труба с центральной трубкой и ребрами неизменной высоты.
На фиг.9 - сечение А-А на фиг.8.
На фиг.10 изображена тепловая труба с ребрами переменной высоты с сомкнутыми вершинами в зоне подвода тепла и транспортной зоне.
На фиг.11 - сечение А-А на фиг.10.
На фиг.12 - сечение В-В на фиг.10.
На фиг.13 изображена тепловая труба с ребрами переменной высоты и центральной трубкой в транспортной зоне.
На фиг.14 - сечение А-А на фиг.13.
На фиг.15 - сечение В-В на фиг.13.
На фиг.16 - сечение С-С на фиг.13.
Тепловая труба, представленная на фиг.1-13, представляет собой герметичный частично заправляемый жидким теплоносителем корпус в виде цилиндрической трубки 1 с продольными ребрами 2 и каналами 3 между ними, зонами подвода 4 и отвода 5 тепла и транспортной зоной 6 между ними.
В тепловой трубе, изображенной на фиг.2, сечение А-А, продольные ребра с прямоугольным поперечным сечением и неизменной высотой образуют своими боковыми поверхностями сужающиеся к оси трубки каналы, которые имеют основание постоянной ширины и сообщаются с центральной частью трубки через зазор 7 постоянной ширины, образованный между вершинами ребер.
Из канала 3 в зону 4 подвода тепла пар через зазор между вершинами ребер попадает в центральную часть трубки и движется вдоль нее к противоположному торцу. Далее в зоне 5 отвода тепла пар через зазор, образованный вершинами ребер, попадает в пристенные каналы и конденсируется на их поверхностях, а конденсат по каналам подается в зону подвода тепла.
Преимущество этой тепловой трубы по сравнению с прототипом состоит в том, что она имеет более низкое тепловое сопротивление, обусловленное более высоким капиллярным напором и меньшим тормозящим конденсат встречным ему потоком пара.
В тепловой трубе, представленной на фиг.3-5, высота ребер переменна по длине: в зоне отвода тепла высота ребер меньше, а в зоне подвода тепла и транспортной зоне больше. В этом случае в зоне отвода тепла зазор между вершинами ребер больше, чем в зоне подвода тепла и транспортной зоне, что облегчает доступ пара к поверхностям ребер для конденсации. Работает такая тепловая труба так же, как изображенная на фиг.1, 2.
Такая тепловая труба эффективна при вертикальном и наклонном положении зоны отвода тепла, в этом случае потеря капиллярного напора от встречного потока пара компенсируется гравитационной силой, а в зоне подвода тепла и транспортной зоне из-за меньшего зазора между вершинами ребер сохраняется высокий капиллярный напор.
В тепловой трубе, представленной на фиг.6-7, продольные ребра 2 прямоугольной формы сомкнуты своими вершинами с образованием замкнутых пристенных каналов 3 и центрального канала 8, разобщенных гидродинамически друг от друга. Вследствие замкнутости пристенных капиллярных каналов 3 треугольной формы предлагаемая тепловая труба имеет меньшее тепловое сопротивление, чем известная из прототипа тепловая труба тех же размеров.
Пар из зоны подвода тепла через кольцевую проточку 9 попадает в центральный канал 8, движется к противоположному торцу, проходит через кольцевую проточку в пристенные каналы, конденсируется в зоне отвода тепла 5, а конденсат по каналам подается в зону подвода тепла 4.
Высота ребра прямоугольной формы, при которой образуются замкнутые пристенные каналы, связана с параметрами тепловой трубы следующим соотношением:
где h - высота ребра,
d - диаметр по основанию пристенного канала,
b - ширина ребра,
δ - ширина основания пристенного канала.
В тепловой трубе, представленной на фиг.8-9, сужающиеся к центру трубки пристенные каналы образованы продольными ребрами неизменной высоты и центральной непроницаемой трубкой 10, касающейся своей внешней поверхностью вершин ребер. Центральная трубка делает пристенные каналы замкнутыми, разобщает их друг от друга и образует центральный канал.
Пар из зоны подвода тепла через кольцевую проточку попадает внутрь центральной трубки, движется по ней к противоположному торцу корпуса и через кольцевую проточку заходит в пристенные каналы и конденсируется в зоне отвода тепла, а конденсат подается в зону подвода тепла.
По сравнению с прототипом эта тепловая труба имеет более низкое тепловое сопротивление при аналогичных размерах, теплоносителе и материале корпуса.
Тепловая труба, представленная на фиг.10-12, имеет продольные ребра переменной высоты, причем в транспортной зоне и зоне подвода тепла ребра сомкнуты своими вершинами с образованием замкнутых пристенных каналов и разобщенного с ними центрального канала. В зоне отвода тепла высота ребер меньше, сужающиеся к оси трубки каналы сообщаются с центральной частью трубки через зазоры между вершинами ребер.
Пар из зоны подвода тепла через кольцевую проточку попадает в центральный канал, образованный вершинами ребер, движется по нему до зоны отвода тепла, проходит в каналы через зазоры между вершинами ребер, конденсируется на стенках каналов, а конденсат по каналам транспортной зовы подается в зону подвода тепла.
В тепловой трубе, изображенной на фиг.13-16, продольные ребра имеют различную высоту вдоль трубки, между которыми находятся сужающиеся каналы, имеющие различную ширину щели. Щели сообщают эти каналы с центральной частью трубки. Здесь высота ребер в зоне отвода тепла меньше, чем в зоне подвода тепла и транспортной зоне, в которой к тому же имеется непроницаемая центральная трубка, касающаяся своей внешней поверхностью вершин ребер. В транспортной зоне она делает пристенные каналы замкнутыми, разобщенными друг от друга и от центральной части трубки.
Пар из области подвода тепла через щели между вершинами ребер из пристенных каналов попадает в центральную часть тепловой трубы, проходит через центральную трубку к зоне отвода тепла, поступает через щели между вершинами ребер в пристенные каналы и коденсируется на их поверхностях, а конденсат через каналы транспортной зоны подается в зону подвода тепла.
В данной тепловой трубе обеспечивается облегченный доступ пара к поверхностям конденсации пристенных каналов в зоне отвода тепла, высокая эффективность теплоотдачи в зоне подвода тепла и высокий капиллярный напор в транспортной зоне. Эти свойства данной тепловой трубы определяют ее преимущества перед прототипом.
В предлагаемом техническом решении, в отличие от прототипа, стенки каналов сближаются в радиальном направлении с удалением от стенки трубки. При этом каналы имеют форму, близкую к трапециевидной или треугольной при смыкании ребер, с малым углом (3-5 градусов) между боковыми сторонами. Такая форма пристенных каналов обеспечивает более высокий капиллярный напор.
По этой причине предлагаемая тепловая труба имеет по сравнению с прототипом лучшие характеристики: более низкое тепловое сопротивление, более высокие предельные тепловые потоки.
Кроме того, предлагаемая тепловая труба сохраняет работоспособность при отклонении оси трубы на угол до десяти градусов относительно горизонтального положения с подъемом зоны подвода тепла.
1. Тепловая труба, содержащая герметичный, частично заправляемый жидким теплоносителем корпус в виде трубки с продольными ребрами и каналами между ними, зонами подвода и отвода тепла и транспортными зонами между ними, отличающаяся тем, что продольные ребра выполнены со сходящимися к центру трубки стенками и образуют сужающиеся к центру трубки каналы, причем при соприкосновении ребер своими вершинами образуются замкнутые пристенные каналы и центральный канал, разобщенный с пристенными каналами в радиальном направлении.
2. Тепловая труба по п.1, отличающаяся тем, что высота ребер переменна по длине трубы, и в зоне отвода тепла высота меньше чем в зоне подвода тепла и/или в транспортной зоне.
3. Тепловая труба по п.1, отличающаяся тем, что высота ребра прямоугольной формы, при которой образуются замкнутые пристенные каналы, связана с другими параметрами тепловой трубы соотношением:
где h - высота ребра,
d - диаметр трубы по основанию пристенного канала,
b - ширина ребра,
δ - размер основания пристенного канала.
4. Тепловая труба по п.1, отличающаяся тем, что она имеет непроницаемую центральную трубку, касающуюся вершин ребер и отделяющую пристенные каналы друг от друга.
5. Тепловая труба по п.1 или 2, отличающаяся тем, что ребра сомкнуты своими вершинами в зоне подвода тепла и/или в транспортной зоне, а в зоне отвода тепла между вершинами ребер имеется зазор.
6. Тепловая труба по п.1 или 4, отличающаяся тем, что центральная трубка имеется в зоне подвода тепла и/или транспортной зоне, а в зоне отвода тепла между вершинами ребер имеется зазор.
