CS212097B1 - Výměník tepla z kapilární tepelné trubice s čelním ohřevem - Google Patents

Description

Vynález se týká výměníku tepla z kapilární tepelné trubice s Čelním ohřevem, u kterého se řeší kapilární systém na vnitřním povrchu čela a způsob napojení tohoto kapilárního systému na kapilární soustavu na vnitřním povrchu pláště tepelné trubice.

V růaných oblastech techniky se používají vysoce tepelné exponované stroje a zařízení, 5 -2 ve kterých je nutné odvádět vysoké měrné tepelné toky q>10 W.m i při nízkých teplotách, např. kolem 100 ®C. Jaké příklad mohou být uvedeny výkonové polovodičové součástky, u kterých se neustále zvyšují výkonové parametry při přibližně stejných rozměrech. Zvyšují se tím i požadavky na odvod vznikajícího tepla při provozu polovodičových součástek. V současné době se k odvodu tepla o vysokém měrném tepelném toku používá zpravidla tří typů výměníků tepla :

První typ zastupují masivní vzduchové výměníky z materiálu o dobré tepělné vodivosti, obvykle z mědi, resp. hliníku. Výměníky mají žebrováním zvětšenou teplosměnnou plochu na vzduchové strana, aby se zlepšil přístup tepla z výměníku do chladícího vzduchu. Předností těchto výměníků je jednoduché provedení a spolehlivost. Nevýhodou jsou velké rozměry výměníků, protože odvod teple z výměníků závisí na jejich objemu přibližně exponenciálně. To má za následek velkou spotřebu materiálu s problémy s umisíováním např. výkonových polovodičových součástek s výměníky v zařízeních.

212 097

Druhý typ zastupují kapalinové výměníky tepla, které využívají vysokých hodnot součinitelů přestupu tepla při nuceném proudění teplonosného média kanály. Předností kapalinových výměníků je malý zastavěný objem, velká tepelná setrvačnost, která umožňuje krátkodobé teplotní přetížení zařízení bez znatelného vzrůstu teploty, nižší provozní teplota zařízení a nižší hlučnost proti vzduchovým výměníkům tepla. Nevýhody kapalinových chladičů jsou zvýšené pořizovací a provozní náklady narsložitý chladicí okruh a stálé nebezpečí úniku chladicí kapaliny netěsnostmi s možností elektrického zkratu.

Třetí typ zastupují uzavřené odparné výměníky tepla, využívajících příznivých tepelných vlastností při fázových změnách teplonosných médií. Mohou být jednak v gravitačním provedení s návratem kondenzátu z kondenzační do výperné části působením zemské tíže. Tyto výměníky mohou pracovat pouze za předpokladu, že kondenzační část je umístěna nad částí výparnou. Druhý universální provedení je kapilární, tzv. systém tepelné trubice (heat pipe). Princip činnosti tepelné trubice spočívá v tom, že ve výparné části nastává, vlivem tepelného toku z tepelného zdroje, vypařování teplonosného media. Vytvořená pára proudí parním prostorem tepelné trubice do vně chlazené kondenzační části a tem kondenzuje. Latentní teplo teplonosného media se sdílí stěnou trubky na vnější, obvykle rozšířenou plochou opatřený, povrch kondenzační části a dále do chladicího prostředí. V klasických kapilárních tepelných trubicích je na celém vnitřním povrchu pláště trubice vytvořena kapilární Soustava, která při styku s kondenzátem teplonosného media vyvíjí kapilární tlak, vlivem kterého kondenzát proudí z kondenzační do výparné části tepelné trubice.

Předností výměníku tepla z tepelných trubic je velký tepelný výkon (jde o přenos latentního výparného tepla teplonosného media) při malém rozdílu teplot. U klasických konstrukcí výměníků tepla z kapilárních tepelných trubic se teplo ze zdroje sdílí do trubice radiálně (kolmo na osu) trubice a výparná část je tvořena úsekem pláště tepelné trubice. Zbylý úsek pláště tepelné trubice je zvnějšku chlazen a tvoří kondenzační část tepelné trubice.

U nových konstrukcí výměníků tepla z kapilárních tepelných trubic s čelním ohřevem se teplo sdílí z tepelného zdroje ve směru osy tepelné trubice bu3 jedním nebo oběma čely tepelné trubice a čela trubice tvoří výparnou část. Plášl trubice je vně chlazen a tvoří kondenzační část tepelné tnubice. Rozhodující vliv na funkci výměníků tepla z kapilární tepelné trubice s čelním ohřevem má vyřešení kapilární soustavy na čele tepelné trubice a způsob napojení této kapilární soustavy na.kapilární soustavu pláště tepelné trubice. U dosavadních známých konstrukcí výměníků tepla z tepelné trubice s čelním ohřevem pro vysoké měrné tepelné výkony je kapilární soustava na čelech i plášti tvořena sintrovanými (spékanými) kovy. Nevýhodou těchto známých řešení výměníků tepla z kapilárních tepelných trubic a čelním ohřevem je skutečnost, že kapilární^soustavy ze spékeného (sintrovaného)kovu mají hydraulický odpor proti proudění kapalné fáze teplonosného media a tím i nižší hodnoty tepelného výkonu tepelné trubice. Jak bylo experimentálně prokázáno, jsou rovněž limitní hodnoty měrných tepelných toků při vypařování teplonosného media ze spékaných kovů nízké.

Výše uvedené nevýhody popsaných typů jsou odstraněny výměníkem tepla podle vynálezu, jehož podstatou je takové provedení, že vnitřní povrch čel tepelné trubice je pokryt systémem drážek tvořících intenzifikovanou kapilární soustavu a mezi tímto systémem drážek

212 097 na vnitřním povrchu čel tepelné trubice a kapilární soustavou na vnitřním povrchu pláště tepelné trubice je vytvořena kapilární spojká. Kapilární spojka je tvořena kapilární mezerou nebo porézní vložkou.

Takto řešený kapilární systém na vnitřním povrchu čel tepelné trubice a jejich propojení na kapilární soustavu na plášti tepelné trubice zajištuje účinné a rovnoměrné proudění kapalné fáze teplonosného media, s malým hydraulickým odporem, zkondenzovaného na plášti tepelné trubice na tepelně zatěžované čelo tepelné trubice, čímž se zvyšují hodnoty kritických měrných tepelných toků při vypařování kapalné fáze teplonosného media na čelo tepelné trubice.

Na připojených obrázcích 1 až 14 jsou zobrazeny příklady provedení výměníku tepla z tepelné trubice s čelním ohřevem podle vynálezu. Na obr. 1 je průřez výměníkem tepla, na obr.

je znázorněn detail kapilární mezery mezi pláštěm tepelné trubice a čelem, na obr. 3 detail uložení porézní vložky ne obvodě čela, na obr. 4 detail uložení porézní vložky na čele, na obr. 5 jsou znázorněny pravoúhlé drážky, na obr. 6 jsou znázďneny trojúhelníkové drážky, na obr. 7 jsou znázorněny lichoběžníkové drážky, na obr. 8 drážky polokruhové a na obr. 9 drážky polouzavřené. Na obr. 10 je znázorněn systém protínajících se podélných a příčných drážek, na obr. 11 systém sbíhajících se drážek, na obr. 12 systém protínajících se středově soustředěných a sbíhajících se drážek, na obr. 13 systém protínajících se spirálových a sbíhajících se drážek a ne obr. 14 systém protínajících se soustředných drážek.

Výměník tepla je tvořen kapilární tepelnou trubicí (obr. l), která se skládá z pláště 2 a dvou čel 2· Vnější povrch pláště 2 tepelné trubice má rozšířenou teplosménnou plochu radiálními žebry 8. K plášti 2 tepelné trubice je připojena plnící trubička 2» pomocí které se pro vádí odplynění vnitřního prostoru tepelné trubice, plnění teplonosným mediem a evakuování vzduchu z parníno prostoru tepelné trubice. Čela 2 tepelné trubice jsou ve styku se zdroji 2 tepla. Na vnitřním povrchu pláště 2 tepelné trubice je Zhotovena kapilární soustava 1 a na vnitřním povrchu čel 2 tepelné trubice je zhotoven systém drážek £. Napojení kapilární soustavy 1 vnitřního povrchu pláště 2 ne systém drážek 4 na čele tepelné trubice je provedeno pomocí kapilární spojky Jó. Kapilární spojka 6 je txořena kapilární mezerou 10 (obr. 2) nebo porézní vložkou 11 (obr. 3 a 4). Při provozu výměníku tepla podle vynálezu se teplo z tepelného zdroje % sdílí vedením čelem 3 tepelné trubice ke dnu 22 drážky 12, která je naplněna kapalnou fází teplonosného media 14;· Ze dna 22 drážky 12 se teplo vede zubem 13 drážky 12 a kapalnou fází teplonosného media 14 k mezifázovému rozhrsní 15 na čele 2 tepelné trubice. U mezifrázového rozhraní 15 čela 2 tepelné trubice dochází k vypařováni kapalné fáze teplonosného media 14. vzniklá pára 2 proudí z mezifázového rozhraní 15 čela 2 parním prostorem tepelné trubice do kondenzační části tepelné trubice, která je ohraničena pláštěm 2 tepelné trubice, kde nestává kondenzace proudícící páry 2· Vzniklé kondenzační teplo se sdílí z mezifázového rozhraní 15 na plášti 2 tepelné trubice zubem 13 drážky 12 a kapalnou fází teplonosného media 14. dále pláštěm 2 tepelné trubice a radiálními žebry 8 na vnějším povrchu pláště 2 do chladicího prostředí. Kapalná fáze teplonosného media 14/se vrací z pláště 2 tepelné trubice k jejímu čelu 2 působením kapilárního tlaku, který se tvoří při styku kapalné fáze teplonosného media 14 s kapilární soustavou 1 na vnitřním povrchu pláště 2 tepelné trubice. Rozhodující

212 097 vliv na intenzivní a rovnoměrnou distribuci kapalné fáze teplonosného media 14 na čelo tepelné trubice má kapilární spojka 6, která účinně e rovnoměrně propojuej kapilární soustavu 1 na vnitřním povrchu pláště 2 tepelné trubice se systémem drážek 4. na čele 3, tepelné trubice. Tato kapilární spojka 6 musí vyvíjet dostatečný kapilární tlak a její hydraulický odpor při proudění kapalné fáze teplonosného media 14 musí být co nejmenší. Nejvhodnější je tudíž kapilární mezera 10 nebo vložka 11 z vhodného porézního materiálu, kteřá vyvíjí při styku s kapalnou fází teplonosného media 14 velký kapilární tlak, má malý hydraulický odpor a zároveň zajišluje dostatečný průtok kapalné fáze teplonosného media 14 z pláště 2 na čelo 3 tepelné trubice. Systém drážek ,4 umožňuje dosáhnout extrémně vysokých hodnot měrných tepel ných toků při vypařování kapalné fáze teplonosného media 14 na čele J tepelné trubice. Systémy drážek 4 jsou tvořeny pravoúhlými drážkami (obr. 5; šířka drážky a /od 0,2 do 0,8 mm/, hloubka drážky h /od 0,2 do 1,0 mm/, šířka zubů b /od 0,2 do 0,8 mm/) nebo trojúhelníkovými drážkami (obr. 6; šířka drážky a / od 0,2 do 0,8 mm/, úhel drážky 06 /od 30° do 60°/, šířka zubů b /ad 0,2 do 0,8 mm/) nebo lichoběžníkovými drážkami (obr.7; šířka drážky a / od 0,3 mm do 0,8 mm/, úhel drážky «< /od 30° do 60°/, hloubka drážky h /od 0,3 do 1,0 mm/, šířka zubu b /od 0,3 do 0,8 mm/) nebo polokruhovými drážkami (obr. 8; poloměr drážky R /od 0,1 do 0,4 mm/, hloubka drážky h /od 0,2 do 1,2 mm/, šířka zubu b /od. 0,4 do 1,2 mm/) a nebo polouzavřenými drážkami (obr. 9; šířka mezery £ /od 0,1 do 1,2 mm/, volná polouzt.vřená plocha F /od 0,01 mm· do 3 mn//). Z těchto tvarů drážek 12 jsou tvořeny systémy drážek 4. jejíž varianty jsou no obr. 10, 11, 12, 13 a 14. Na obr. 10 je systém protínajících ee podélných drážek 16 a příčných drážek 17· Na obr. 11 je systém sbíhajících se drážek 18 do středu čela 2 tepelné trubice. Úhel mezi sbíhajícími se drážkami 18 je v rozmezí 3 až 15°. Na obr. 12 je kombinovaný systém protínajících se soustředných drážek 19 a sbíhajících se drážek 18. Úhel mezi sbíhajícími se drážkami 18 je v rozmezí od 5° do 90°. Ns obr. 13 je kombinovaný systém protínajících se spirálovitých drážek 20 a sbíhajících se drážek 18. Úhel mezi sbíhajícími se drážkami 18 je v rozmezí od 5° do 90°. Na obr. 14 je systém protínajících se soustředných drážek 21 se středy křivosti mimo střed čela 2 tepelné trubice.

Výměníku tepla podle vynálezu lze použít k chlazení vysoce tepelně exponovaných strojů a zařízení při vysoké koncentraci tepelného toku. V závislosti na vybraných konstrukčních materiálech pláště a čel tepelné trubice a teplonosného media lze výměníku tepla použít v ši rokém rozmezí pracovních teplot. Např. hliníkovou tepelnou trubici se čpavkovou náplní lze použít v rozmezí pracovních teplot od 0 do 80 °C, měděnou tepelnou trubici s vodní náplní v rozmezí pracovních teplot od 60 do 200 °C, ocelovou tepelnou trubici s náplí difenylu lze po užít v rozmezí pracovních teplot od 150 do 300 °C.

Jako příklady možného použití výměníku tepla podle vynálezu v technické praxi lze uvést chlazení výkonových polovodičů, chlazení spínačů a vypínačů,ehlazení plazmové katody, chlaze ní zařízení jaderné techniky a podobně.

Claims (3)

1. Výměník tepla z kapilární tepelné trubice s čelním ohřevem, jejíž čela jsou umístěna v prostoru tepelného zdroje a plášl v prostoru chladicího media, vyznačující se tím, že vnitřní povrch čel (3) tepelné trubice je pokryt systémem drážek (4) tvořících intenzifikovanou kapilární soustavu a mezi tímto systémem drážek (4) na vnitřním povrchu čel (3) tepelné trubice a kapilární soustavou (1) na vnitřním povrchu pláště (2) tepelné trubice je vytvořena kapilární spojka (6).

2. Výměník tepla podle bodu 1, vyznačující se tím, že kapilární spojka (6) je tvořena kapilární mezerou (10).

3. Výměník teple podle bodu 1, vyznačující se tím, že kapilární spojka (6) je tvořena porézní vložkou (11).