Универсальное охлаждающее устройство для агрегатов с большой тепловой мощностью

Изобретение относится к теплообменным устройствам на основе тепловых труб, которые могут использоваться для охлаждения электронных устройств, электротехнических и энергетических агрегатов. Предлагаемое устройство содержит холодильный агрегат, жидкостный контур и нагреватель. Холодильный агрегат выполнен в виде множества фитильных тепловых труб, связанных между собой общим объемом в двухслойную тепловую панель-радиатор с пирамидальными выпукло-вогнутыми ячейками, расположенными в шахматном порядке. В его состав входит также термоэлектрический холодильник, жестко прикрепленный по всей поверхности к указанной панели-радиатору. Жидкостный контур содержит ветви контурных тепловых труб, присоединенных своими конденсаторными трубками к испарителям, а испарительными трубками - к конденсаторам тепловых труб указанной панели-радиатора. Предусмотрен гидроаккумулятор с теплоносителем, сообщенный с панелью-радиатором через трубку с фитилем. К его внешней поверхности прикреплен термоэлектрический нагреватель, снабженный системой термодатчиков охлаждаемого агрегата и его частей. Эти датчики соединены через электронные усилители системы управления с электропитанием нагревателя. Устройство может быть использовано для охлаждения как всего теплового агрегата, так и отдельных его блоков. Технический результат изобретения состоит в увеличении коэффициента теплопередачи, расширении диапазона допустимой тепловой мощности охлаждаемого агрегата и динамическом отслеживании ее изменения, а также в устранении шумов и вибраций при работе устройства. 3 ил.

 

Изобретение относится к технике теплообменных устройств, используемых для охлаждения электронной техники.

Известно устройство (прототип RU 02233773 С2, 2004 г.) по обеспечению теплового режима агрегата с большой тепловой мощностью (космический спутник) за счет процесса излучающего теплоотдвода тепловой мощности. В наземном исполнении теплоотвод осуществляется технологическим теплообменным оборудованием, охлаждаемым специальной термостатирующей установкой. Технологическое теплообменное оборудование выполнено в виде жидкостного контура, заправленного жидким теплоносителем, включающего холодильник, электронасосный агрегат, нагреватель, установленный в параллельном холодильнику тракте регулятор температуры теплоносителя с датчиками температуры, узел соединения, компенсационное устройство с сильфоном, измеритель расхода теплоносителя, гибкие трубопроводы с гидравлическими разъемами на концах и управлением режимом работы такого теплообменника. Для реализации теплообмена между системой обеспечения теплового режима и теплоносителем охлаждаемого агрегата используется схема жидкость - жидкость теплообменника с развитой большой площадью теплообменной поверхностью. Кроме того, в составе теплообменного оборудования вводятся компенсационные устройства соединительных трубопроводов. Для качественной работы теплообменника нагреватель системы охлаждения установлен непосредственно на выходе из контура, компенсационное устройство установлено перед нагревателем и выполнен в виде частично заполненной теплоносителем емкости, над поверхностью жидкости, в котором проходит участок жидкостной магистрали, соединяющий холодильник и нагреватель, ниже уровня жидкости установлен обогреватель, регулируемый системой управления, а перед компенсационным устройством установлен рекуперативный теплообменник с байпасной линией, имеющий регулируемый дроссель, что в совокупности обеспечивает кипение теплоносителя при отводе тепловой нагрузки. Работа предлагаемой системы охлаждения агрегата происходит по следующей схеме. Жидкий теплоноситель из холодильника подается электронасосом в нагреватель, проходя по пути через рекуперативный теплообменник и теплообменный участок магистрали компенсационного устройства. В рекуперативном участке магистрали происходит первичный подогрев теплоносителя. В теплообменном участке магистрали температура теплоносителя приближается к точке кипения. Поступая в нагреватель, поток теплоносителя начинает кипеть и при процентном содержании пара 5-10% поступает в технологическое теплообменное оборудование, где процесс испарения обеспечивает эффективный механизм отвода тепла от агрегата (спутника). Предлагаемая схема системы охлаждения обеспечивает режим работы, при котором в технологическое теплообменное оборудование подается теплоноситель в парожидкостном состоянии.

В известном устройстве используется один основной блок системы охлаждения, который может быть использован для обеспечения теплового режима только по объему агрегата, но не обеспечивает тепловым режимом отдельные элементы конструкций агрегата, которые при превышении критических температурных значений могут вывести из теплового режима весь агрегат. Кроме того, для подачи теплоносителя в нагреватель и дальнейшего продвижения его по всей магистрали системы охлаждения используется электронасос, что приводит к вибрационным колебаниям в самой системе охлаждения и внешним шумовым эффектам. Для некоторых агрегатов, например таких, как компьютеры, электронные системы управления, системы точной механики, в которых необходимо использовать систему охлаждения, шум и вибрация противопоказаны. Кроме того, при использовании известного устройства в системе охлаждения спутников в условиях невесомости продвижение жидкости в фитиле происходит за счет капиллярных сил, а не за счет конвективной подачи парожидкостной смеси носителя электронасосом. В качестве холодильника в рассматриваемой системе используются обычные конвективные методы теплообмена по схеме - труба в трубе с противотоком и по потоку. Использование такой схемы, как показывают и сами авторы, требует очень большой развитой поверхности, что увеличивает как размеры такой системы охлаждения и ее вес, так и малую эффективность теплопередачи тепла к холодильнику. Естественно, что как для самой системы охлаждения, так и для холодильника необходимо использовать отдельные нагреватели, что приводит в этом случае как к дополнительным энергетическим затратам, так и к увеличению дополнительных элементов конструкции и к дополнительной системе управления. В предлагаемой системе охлаждения используется только статическая система управления, при которой придерживаются заданным интервалам параметров режима работы системы, но не рассмотрен вопрос динамической системы управления, когда параметры режима работы при охлаждении агрегата должны меняться в зависимости от изменения тепловой мощности охлаждаемого агрегата. Использование статической системы управления может привести к выводу из строя агрегата в случае достаточно быстрого изменения режима работы самого агрегата. Кроме того, автоматическая система управления увеличивает к.п.д. работы агрегата и расширяет интервалы режима работы агрегата.

Таким образом, предлагаемая система охлаждения агрегатов с большой тепловой мощностью в заданной конструкции малоэффективна при универсальных условиях охлаждения агрегатов, когда необходимо охлаждать агрегаты не только в земных условиях или в условиях невесомости, но и при которых необходимо осуществлять охлаждение не только объем агрегата, но и некоторые элементы конструкции этого агрегата, а также агрегатов, для которых вибрационные и шумовые колебания противопоказаны. Кроме того, отсутствие динамической системы управления, при которой происходит подстраивание системы охлаждения к изменению режимов работы агрегата, также является отрицательной характеристикой такой системы охлаждения. Для некоторых агрегатов, таких как, например, компьютер, статическая система управления режимом работы охлаждающего устройства не может отследить локальное изменение температуры в каком-либо электронном блоке, например в процессоре, для которого при нагреве за счет выделяемой тепловой мощности превышение критического значения температуры, естественно, приведет к выходу из строя всего компьютера.

Технический результат изобретения состоит в увеличении коэффициента теплопередачи, расширении диапазона допустимой тепловой мощности охлаждаемого агрегата и динамическом отслеживании ее изменения, а также в устранении шумов и вибраций при работе устройства.

Данный технический результат достигается в настоящем изобретении тем, что предложенное устройство содержит холодильный агрегат, жидкостный контур и нагреватель. При этом холодильный агрегат выполнен в виде множества фитильных тепловых труб, связанных между собой общим объемом в двухслойную тепловую панель-радиатор с пирамидальными выпукло-вогнутыми ячейками, расположенными в шахматном порядке, термоэлектрического холодильника, жестко прикрепленного по всей поверхности к указанной панели-радиатору, указанный жидкостный контур содержит ветви контурных тепловых труб, присоединенных своими конденсаторными трубками к испарителям, а испарительными трубками - к конденсаторам тепловых труб указанной панели-радиатора, а также гидроаккумулятор с теплоносителем, сообщенный с панелью-радиатором через трубку с фитилем, при этом нагреватель выполнен термоэлектрическим, жестко прикрепленным к внешней поверхности указанного гидроаккумулятора и снабжен системой термодатчиков автоматической системы управления, соединенных через электронные усилители с электропитанием термоэлектрического нагревателя.

Числу охлаждаемых элементов агрегата соответствует множество контурных труб, прикрепленных со стороны испарителя к поверхности этих элементов, причем с другой стороны эти контурные трубы соединены своими конденсаторными трубками к испарителям, а испарительными трубками они соединены к конденсаторам фитильных тепловых труб панели-радиатора со стороны охлаждаемого агрегата.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где

на фиг.1 показано многоконтурное охлаждающее устройство и подключение его к агрегату на примере компьютера элементами конструкции: основной охлаждающий блок в виде стенки компьютера;

на фиг.2 показаны элементы многоконтурной охлаждающей системы, состоящей из основного охлаждающего блока и ветвей контурных труб для охлаждения элементов конструкции агрегата;

на фиг.3 показаны элементы основного охлаждающего блока, системы из множества фитильных тепловых труб, расположенных в плоскости двухслойной панели в виде пирамидальных выпукло-вогнутых ячеек в шахматном порядке и имеющих один общий объем.

Устройство для осуществления режимов работы и охлаждения агрегата по объему и по элементам конструкций содержит основной охлаждающий блок 1, который изготовлен из тонких листов легкого металла путем штамповки с пирамидальными выпукло-вогнутыми ячейками в шахматном порядке и сложенных из двух ячеистых штамповок в виде плоского слоевого объема толщиной 4 см, с расстоянием 9 см между вершинами выпуклых пирамид и площадью соответствующей площади поверхности охлаждаемого агрегата, конденсатор 2 тепловой трубки охлаждающего блока, фитильный канал 3, выполненный в виде трубки из металла с выложенным внутри металлическим фитилем, для подачи жидкого теплоносителя из гидроаккумулятора 4, выполненный в виде металлического стакана объемом 0,2-0,3 л с жидким теплоносителем, стандартный термоэлектрический модуль 5 гидроаккумулятора с площадью, равной внешней площади поверхности гидроаккумулятора с температурной разницей нагрева 70-100°С для нагрева стенок гидроаккумулятора в случае подачи теплоносителя в объем основного охлаждающего блока, электронные блоки 6 компьютера (охлаждаемого агрегата), конденсаторный канал 7, выполненный в виде металлической трубки для жидкого теплоносителя в контурной тепловой трубке, испарительный канал 8 для паров теплоносителя, выполненный в виде металлической трубки в контурной тепловой трубе, испаритель тепловой трубки 9 основного блока, испаритель контурной тепловой трубки 10 в виде металлической плоской коробочки толщиной 1 см и площадью соответствующей площади охлаждаемого элемента конструкции агрегата, стандартный термоэлектрический теплообменник 11 с температурной разницей охлаждения 70-80°С с площадью соответствующей площади внешней поверхности основного охлаждающего блока для отсасывания теплового потока от основного охлаждающего блока и для передачи этого тепла в окружающую среду в результате конвективной теплопередачи при свободной конвекции, 12 - канал для паров аммиака основного блока, 13 - сетчатый металлический фильтр, 14 - холодная панель термоэлектрического теплообменника, 15 - полупроводниковые элементы термоэлектрического теплообменника, 16 - горячая панель теплоэлектрического теплообменника,

Работа предлагаемой охлаждающей системы осуществляется следующим образом. Тепловой поток разогретой среды объема охлаждающего агрегата за счет конвективной теплопередачи свободной конвекции передается поверхности 1 основного охлаждающего блока и разогревает конденсаторы 2 тепловых труб основного охлаждающего блока и тем самым разогревает теплоноситель в фитиле конденсатора 2, который поступает в основной охлаждающий блок через фитильный канал 3 гидроаккумулятора 4 за счет разогрева поверхности гидроаккумулятора термоэлектрическим нагревателем 5 в результате подачи электропитания на нагреватель 5 усиленного электрического сигнала усилительного электронного блока 6, одновременно с этим процессом происходит передача тепла при конденсации испаренного теплоносителя через конденсаторный канал 7 контурной трубки в результате поступления испаренного теплоносителя через испарительный канал 8, а через испаритель 9 теплоноситель в виде пара поступает на конденсатор 2 основного охлаждающего блока 1, в это же самое время в испарительный канал 8 поступает испаренный теплоноситель из испарителя 10 контурной тепловой трубы, тепловой поток от которого в результате конденсации также поступает на конденсатор 2, который отбирается по каналу 12, аммиак по фитилю передается на испаритель 9 термоэлектрическим холодильником 11 с последующей передачей теплового потока к холодной панели 14 термоэлектрического теплообменника через полупроводниковые элементы 15 термоэлектрического теплообменника и далее к горячей панели 16 теплоэлектрического теплообменника и соответственно в окружающую среду за счет конвективной теплопередачи при свободной конвекции.

Эффективность работы предлагаемого охлаждающего устройства агрегатов с большой тепловой мощностью заключается в том, что охлаждение агрегата производится одновременно и по объему и по отдельным элементам конструкции агрегата. При этом эти функции на себя берет основной охлаждающий блок, являющийся системой большого числа фитильных тепловых труб, с помощью которой можно произвести отсасывание тепла из агрегата с очень большой величиной плотности теплового потока, на много превышающей тепловой поток теплового источника агрегата. При этом предлагаемый тепловой насос работает за счет конвективной теплопередачи при свободной конвекции как внутри охлаждаемого объема, так и во внешней воздушной среде.

Предлагаемое двухфазное многоконтурное устройство охлаждения может быть применимо для различных типов тепловых агрегатов, в том числе и компьютеров, которые нуждаются в охлаждении как всего объема агрегата, так и отдельных его элементов конструкций. В данном случае все расчеты ведутся для определения параметров охлаждающей системы, которая может быть применено в качестве бесшумного компьютерного кулера для охлаждения внутреннего объема компьютера и процессора.

Техническим достижением настоящего изобретения является устранение указанных недостатков по предлагаемому устройству, увеличение коэффициента теплопередачи, увеличение интервала по тепловой мощности охлаждаемого устройства, увеличение передаваемого теплового потока, устранение шумов и вибраций в режиме работы охлаждения, динамическое отслеживание изменения тепловой мощности охлаждаемого устройства и подстраивание величины теплового потока охлаждающего устройства к измененной величине тепловой мощности охлаждаемого агрегата. Такие свойства предлагаемого охлаждающего устройства для агрегатов с большой тепловой мощностью возможно осуществить при объединении большого количества тепловых труб в одну систему, которая одновременно будет работать в режиме не только охлаждения объема всего охлаждаемого агрегата, но и охлаждения отдельных элементов конструкций агрегата. При этом для осуществления динамического регулирования процессов охлаждения агрегата в зависимости от изменения тепловой мощности агрегата и разогрева до критической температуры отдельных элемент конструкций агрегата вводится обратная связь между нагревателем гидроаккумулятора, с помощью которого изменяется масса теплоносителя в охлаждающей системе, и датчиками температуры, которые располагаются в объеме агрегата и на элементах конструкции агрегата. Для построения такой автоматической регулировки сигнал, который поступает от каждого термодатчика, усиливается электронным усилителем по току или по напряжению и подается в качестве дополнительного электропитания к основному электропитанию термоэлектрического нагревателя гидроаккумулятора. Естественно, что при увеличении напряжения или тока в схеме электропитания нагревателя происходит увеличение подачи массы теплоносителя за счет процесса испарения и тем самым увеличивается охлаждающий эффект элемента конструкции или объема охлаждаемого агрегата и наооборот.

Универсальное охлаждающее устройство для агрегатов с большой тепловой мощностью, содержащее холодильный агрегат, жидкостный контур и нагреватель, отличающееся тем, что холодильный агрегат выполнен в виде множества фитильных тепловых труб, связанных между собой общим объемом в двухслойную тепловую панель-радиатор с пирамидальными выпукло-вогнутыми ячейками, расположенными в шахматном порядке, термоэлектрического холодильника, жестко прикрепленного по всей поверхности к указанной панели-радиатору, указанный жидкостный контур содержит ветви контурных тепловых труб, присоединенных своими конденсаторными трубками к испарителям, а испарительными трубками - к конденсаторам тепловых труб указанной панели-радиатора, а также гидроаккумулятор с теплоносителем, сообщенный с панелью-радиатором через трубку с фитилем, при этом нагреватель выполнен термоэлектрическим, жестко прикрепленным к внешней поверхности указанного гидроаккумулятора, и снабжен системой термодатчиков автоматической системы управления, соединенных через электронные усилители с электропитанием термоэлектрического нагревателя.