Система пассивного охлаждения с двухфазной текучей средой, в частности, для охлаждения электронной аппаратуры, например приборов авионики
Изобретение относится к системе охлаждения, предназначенной, в частности, для охлаждения электронной аппаратуры, например приборов авионики. Технический результат - создание системы пассивного охлаждения с двухфазной текучей средой, позволяющей рассеивать в окружающую среду больше тепловой энергии с максимальным сохранением начальной температуры электронной аппаратуры, что позволяет снизить местный максимум температуры электронной аппаратуры, улучшая надежность и срок службы электронных компонентов этой аппаратуры, т.е. обеспечить теплоемкость при постоянной температуре в случае кратковременного повышения рассеивания тепла, называемого «энергетическим пиком». Достигается тем, что система охлаждения (10) содержит по меньшей мере один пластинчатый элемент (12), образующий стенку кожуха, внутри которого устанавливается охлаждаемая электронная аппаратура, имеющий первую сторону (12а), обращенную по направлению к аппаратуре, и вторую сторону (12b), противоположную первой стороне (12а), и проток текучей среды (14), образующийся в пластинчатом элементе (12). При этом контур текучей среды (14) содержит первый проток (14а), образующийся на первой стороне (12а) пластинчатого элемента (12) и проходящий по первому лабиринту, и второй проток (14b), образующийся на второй стороне (12b) пластинчатого элемента (12) и проходящий по второму лабиринту. Пластинчатый элемент (12) имеет первое (18) и второе (20) сквозные отверстия, через которые сообщаются первый проток (14а) и второй проток (14b). Контур текучей среды (14) также содержит пористый разделительный элемент (22), размещаемый в первом сквозном отверстии (18), через которое текучая среда благодаря капиллярному натяжению перетекает из второго протока (14b) в первый проток (14а). Текучая среда находится в газообразном состоянии в первом протоке (14а) и в жидком состоянии во втором протоке (14b). 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Настоящее изобретение относится к системе охлаждения, предназначенной, в частности, для охлаждения электронной аппаратуры, например приборов авионики, как указано в преамбуле независимого пункта 1.
Система охлаждения упомянутого выше типа известна из ЕР 2887788.
Воздушные или жидкостные системы охлаждения обычно используются для рассеивания тепла, производимого электронной аппаратурой, например, приборами авионики, устанавливаемыми на воздушных судах. Это системы охлаждения активного типа, поскольку они используют компоненты (например, вентиляторы, насосы и т.д.), к которым для работы необходимо подводить электропитание.
Известны также системы охлаждения с двухфазной текучей средой - так называемые КТТ (контурные тепловые трубы). Это системы охлаждения пассивного типа, т.е. они не требуют подвода электропитания для работы. Как известно, контур КТТ в основном состоит из испарительного устройства с первой и второй секциями, содержащими двухфазную текучую среду и сообщающимися через пористый разделительный элемент. В первой секции, выполняющей роль резервуара или компенсационной камеры, текучая среда находится в жидком состоянии, тогда как во второй секции, действующей в качестве, собственно, испарителя и размещаемой на стороне, контактирующей с охлаждаемой основной частью, для аккумулирования тепла, излучаемого этой основной частью, текучая среда находится в газообразном состоянии. Текучая среда в результате капиллярного натяжения перетекает из первой секции испарительного устройства во вторую, проходя через пористый разделительный элемент, а затем возвращается из второй секции в первую через трубку и конденсационное устройство (выполненное, например, в виде змеевика), где происходит фазовый переход из газообразного в жидкое состояние.
В 2020-2025 гг. воздушные суда будут потреблять больше электроэнергии и иметь больше электронных контуров, устанавливаемых на борту. Соответственно, плотность рассеиваемого тепла будет выше текущего значения, равного 100 Вт/см2. Таким образом, есть потребность в разработке систем охлаждения электронной аппаратуры, в частности, приборов авионики, обеспечивающих рассеивание большего количества тепла, чем сегодняшние системы охлаждения с двухфазной текучей средой, без ухудшения таких параметров как габариты, вес, расход энергии, безопасность и надежность.
Таким образом, настоящее изобретение имеет целью создание системы пассивного охлаждения с двухфазной текучей средой, позволяющей рассеивать в окружающую среду больше тепловой энергии, с максимальным сохранением начальной температуры электронной аппаратуры, что позволяет снизить местный максимум температуры электронной аппаратуры, улучшая надежность и срок службы электронных компонентов этой аппаратуры, т.е. обеспечить теплоемкость при постоянной температуре в случае кратковременного повышения рассеивания тепла (обычно называемого «энергетическим пиком»).
Эта и другие цели полностью достигаются в соответствии с настоящим изобретением благодаря тому, что система охлаждения имеет свойства, определенные в независимом пункте 1 формулы в приложении.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения, предмет которых должен рассматриваться как неотъемлемая и составная часть следующего описания.
Вкратце, изобретение основано на идее системы пассивного охлаждения с двухфазной текучей средой с по меньшей мере одним пластинчатым элементом, образующим часть кожуха, внутри которого устанавливается устройство, а циркуляция текучей среды обеспечивается в этом пластинчатом элементе(-ах), при этом у каждого пластинчатого элемента первая сторона обращена к устройству (т.е. внутрь кожуха), а вторая сторона напротив первой (т.е. вовне кожуха), при этом контур текучей среды состоит из первого протока на первой стороне пластинчатого элемента, который проходит вдоль первого лабиринта, и второго протока на второй стороне пластинчатого элемента, который проходит вдоль второго лабиринта, при этом в пластинчатом элементе есть первое и второе сквозное отверстие, через которые сообщаются первый и второй протоки, при этом контур текучей среды содержит также пористый разделительный элемент, который помещается в первое сквозное отверстие, через которое, благодаря капиллярному натяжению, текучая среда перетекает из второго протока в первый, при этом в первом протоке она в газообразном состоянии, а во втором - в жидком.
Следующие признаки и преимущества настоящего изобретения будут ясны из нижеприведенного подробного описания, которое дается исключительно в виде неограничивающего примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - вид в перспективе системы охлаждения настоящего изобретения, с первой стороны пластинчатого элемента
Фиг. 2 - вид в перспективе системы охлаждения настоящего изобретения, со второй стороны пластинчатого элемента
Фиг. 3 - вид в разрезе, в увеличенном масштабе, системы охлаждения, представленной на Фиг. 1 и 2, через профиль сечения, обозначенный на Фиг. 1 как III-III.
На чертежах система пассивного охлаждения с двухфазной текучей средой в соответствии с данным изобретением, далее называемая просто «система охлаждения», обычно обозначается 10. Данная система охлаждения была предложена для охлаждения электронной аппаратуры (не показанной на чертежах), такой как, в частности, приборов авионики для воздушного судна, но - как будет видно из дальнейшего описания - может использоваться во многих других сферах.
Система охлаждения 10 в первую очередь содержит пластинчатый элемент 12, образующий одну из стенок кожуха, в который будет устанавливаться электронная аппаратура. Пластинчатый элемент 12 предпочтительно должен быть плоским. В другом варианте осуществления, проиллюстрированном чертежами, пластинчатый элемент 12 имеет квадратную форму (или, в общем, прямоугольную форму).
У пластинчатого элемента 12 есть первая сторона 12а (показана на Фиг. 1), которая в рабочем положении обращена в сторону электронной аппаратуры (т.е. внутрь кожуха), и вторая сторона 12b (показана на Фиг. 2), противоположная первой стороне 12а (и, таким образом, в рабочем положении обращенная вовне кожуха).
В пластинчатом элементе 12 образуется контур 14 текучей среды, содержащий в качестве текучей среды двухфазную среду (например, воду, аммиак, пропилен и т.д.). Контур 14 текучей среды содержит первый проток 14а и второй проток 14b, сообщающиеся друг с другом. Первый проток 14а образуется на первой стороне 12а пластинчатого элемента 12 и идет вдоль первого лабиринта, как показано на Фиг. 1. Второй проток 14b образуется на второй стороне 12b пластинчатого элемента 12 и идет вдоль второго лабиринта, как показано на Фиг. 2. Как показано на Фиг. 3, первая пленка 16а для герметизации первого протока 14а прикрепляется к первой стороне 12а пластинчатого элемента 12 и, аналогично, вторая пленка 16b для герметизации второго протока 14b прикрепляется ко второй стороне 12b пластинчатого элемента 12. Каждый из лабиринтов, вдоль которых проложены протоки 14а и 14b, простирается по всей площади соответственно стороны 12а и 12b и имеет форму, максимально обеспечивающую равномерность температуры кожуха.
Пластинчатый элемент 12 имеет первое сквозное отверстие 18 и второе сквозное отверстие 20, через которые сообщаются первый проток 14а и второй проток 14b. Первый проток 14а проложен по направлению потока текучей среды через этот проток от первого отверстия 18 до второго отверстия 20, тогда как второй проток 14b проложен по направлению потока текучей среды через этот проток от второго отверстия 20 до первого отверстия 18. Текучая среда находится в газообразном состоянии в первом протоке 14а и в жидком состоянии во втором протоке 14b. В первом отверстии 18 установлен пористый разделительный элемент 22, через который текучая среда, благодаря капиллярному натяжению, перетекает из второго протока 14b в первый проток 14а. Секция первого отверстия 18 обращена в сторону первой стороны 12а, т.е. установлена между пористым разделительным элементом 22 и первой пленкой 16а и работает вместе с первым протоком 14а в качестве испарительного устройства, в котором текучая среда в жидком состоянии, перетекающая из второго протока 14b через пористый разделительный элемент 22, принимает тепло, излученное электронной аппаратурой, и испаряется. Второй проток 14b работает в качестве конденсатора, в котором текучая среда в газообразном состоянии, текущая из первого протока 14а во второе отверстие 20, выводит тепло в окружающую среду, переходя, таким образом, в жидкое состояние. Секция первого отверстия 18, обращенная ко второй стороне 12b, т.е. находящаяся между пористым разделительным элементом 22 и второй пленкой 16b, действует в качестве компенсационной камеры, в которой собирается текучая среда в жидком состоянии, прежде чем, благодаря капиллярному натяжению, перетечь через пористый разделительный элемент 22.
Хотя показаны чертежи только одного пластинчатого элемента 12, система охлаждения может содержать несколько пластинчатых элементов 12 с контуром 14 текучей среды аналогично описанному выше, что обеспечивает более высокую мощность теплового рассеивания (поскольку рассеянная тепловая мощность пропорциональна площади поверхности пластинчатых элементов).
Система охлаждения 10 работает следующим образом:
Текучая среда в жидком состоянии во втором протоке 14b контура 14 благодаря капиллярному натяжению перетекает через пористый разделительный элемент 22 и поступает в первый проток 14а, где переходит в газообразное состояние благодаря теплу, полученному от электронной аппаратуры (к которой обращен этот проток). Текучая среда в газообразном состоянии затем перетекает в первый проток 14а от первого отверстия 18 до второго отверстия 20 и через второе отверстие 20 возвращается во второй проток 14b. Когда текучая среда течет вдоль второго протока 14b от второго отверстия 20 до первого отверстия 18, она рассеивает тепло в окружающую среду и переходит из газообразного в жидкое состояние, а потом, наконец, через пористый разделительный элемент 22 вновь возвращается в первый проток 14а.
Система охлаждения в соответствии с предложенным изобретением имеет ряд преимуществ по сравнению с известными системами пассивного охлаждения, использующими двухфазную текучую среду.
Прежде всего, предложенная система охлаждения не требует отдельного свободного места, поскольку она целиком конструируется в толщине одной или нескольких стенок кожуха, внутри которого устанавливается электронная аппаратура.
Во-вторых, система охлаждения в настоящем изобретении проста и дешева в изготовлении и требует только выполнения первого и второго протоков, а также первого и второго отверстий в пластинчатом элементе, чтобы заполнить первый и второй проток текучей средой, а также прикрепления (например, клеем) первой и второй пленки на, соответственно, первую и вторую стороны пластинчатого элемента.
Кроме того, система охлаждения в настоящем изобретении позволяет поглощать пиковые выбросы тепла, поддерживая постоянную температуру путем испарения, а также рассеивать в окружающую среду больше тепловой энергии (пропорционально площади поверхности пластинчатого элемента(-ов), с той же максимальной температурой электронной аппаратуры благодаря равномерности температуры пластинчатого элемента(-ов).
Разумеется, не изменяя принцип настоящего изобретения, варианты осуществления изобретения и детали конструкции могут значительно отличаться от таковых, описанных и изображенных исключительно в виде неограничивающего примера.
1. Система охлаждения (10), предназначенная для охлаждения электронной аппаратуры, например приборов авионики, содержащая по меньшей мере один пластинчатый элемент (12), образующий стенку кожуха, в котором предполагается устанавливать электронную аппаратуру, упомянутый по меньшей мере один пластинчатый элемент имеет первую сторону (12а), обращенную в сторону аппаратуры, и вторую сторону (12b), противоположную первой стороне (12а), и контур текучей среды (14), образующийся в упомянутом по меньшей мере одном пластинчатом элементе (12), отличающаяся
тем, что первый контур текучей среды (14) содержит первый проток (14а), образующийся на первой стороне (12а) упомянутого по меньшей мере одного пластинчатого элемента (12) и проходящий по первому лабиринту, и второй проток (14b), образующийся на второй стороне (12b) упомянутого по меньшей мере одного пластинчатого элемента (12) и проходящий по второму лабиринту, и
тем, что упомянутый по меньшей мере один пластинчатый элемент (12) имеет первое сквозное отверстие (18) и второе сквозное отверстие (20), через которые сообщаются первый проток (14а) и второй проток (14b), и
тем, что контур текучей среды (14) также содержит пористый разделительный элемент (22), размещаемый в первом сквозном отверстии (18), через которое текучая среда благодаря капиллярному натяжению перетекает из второго протока (14b) в первый проток (14а), текучая среда находится в газообразном состоянии в первом протоке (14а) и в жидком состоянии во втором протоке (14b).
2. Система охлаждения по п. 1 также содержит первую пленку (16а), прикрепленную к первой стороне (12а) упомянутого по меньшей мере одного пластинчатого элемента (12), для герметизации первого протока (14а), а также первое и второе отверстия (18, 20) на той же стороне, что и первая сторона (12а), и вторую пленку (16b), прикрепленную ко второй стороне (12b) упомянутого по меньшей мере одного пластинчатого элемента (12), для герметизации второго протока (14b), а также первое и второе отверстия (18, 20) на той же стороне, что и вторая сторона (12b).
