RU2170401C2

RU2170401C2 - Evaporative chamber of copntour heat pipe

Info

Publication number: RU2170401C2
Application number: RU99110264A
Authority: RU
Inventors: Ю.Ф. Майданик; С.В. Вершинин; М.А. Чернышева
Original assignee: Институт теплофизики Уральского отделения РАН
Priority date: 1999-05-11
Filing date: 1999-05-11
Publication date: 2001-07-10

Abstract

FIELD: heat engineering, in particular, applicable in heat pipes for heat extraction from various thermostressed objects with a flat contact surface. SUBSTANCE: the chamber has a body incorporating a side wall, two end walls, capillary-porous end-piece located inside the body and adjoining the side wall and at least one of the end walls and forming a projection adjoining the second end wall, provided with a system of heat-extraction ducts formed by concentric grooves on the inner surface of the end thermocontact wall made in the form of a flange and by grooves on the capillary-porous end-piece surface adjoining it, communicating with the steam drum, and a cavity for accumulation of working fluid, connected to the condensate pipe-line, besides it is provided with a rod located inside it in the central axis of the chamber, secured on its end walls. The end-piece has an additional projection adjoining the side wall and the second end wall of the chamber. The cavity for accumulation of working fluid is positioned between the capillary-porous end-piece, its projections and the second end wall. EFFECT: enhanced efficiency of heat extraction from thermostressed objects with a flat shape, enhanced reliability of operation of the heat pipe. 4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к тепловым трубам, и может быть использовано для отвода тепла от различных теплонапряженных объектов с плоской контактной поверхностью. The invention relates to heat engineering, in particular to heat pipes, and can be used to remove heat from various heat-stressed objects with a flat contact surface.

Известна плоская испарительная камера тепловой трубы. Камера содержит корпус с плоской контактной поверхностью, в котором наряду с капиллярной структурой использована гофрированная вставка, расположенная между торцевой стенкой камеры и капиллярной структурой, для повышения термодинамической эффективности на гофрах вставки в зоне контакта корпуса с капиллярной структурой выполнены сквозные прорези, сообщающиеся с паровыми каналами [1]. Known flat evaporation chamber of a heat pipe. The chamber contains a housing with a flat contact surface, in which, along with the capillary structure, a corrugated insert located between the end wall of the chamber and the capillary structure is used, through slots communicating with the vapor channels are made on the corrugations of the insert in the contact zone of the housing with the capillary structure [ 1].

Недостатком такой испарительной камеры является повышенное термическое сопротивление в зоне теплообмена, поскольку между капиллярной структурой и стенкой введен элемент, обладающий дополнительным термическим сопротивлением. The disadvantage of such an evaporation chamber is the increased thermal resistance in the heat exchange zone, since an element with additional thermal resistance is introduced between the capillary structure and the wall.

Известна также испарительная камера тепловой трубы, имеющая плоский корпус, включающий боковую и две торцевые стенки и расположенную внутри корпуса капиллярно-пористую насадку. Насадка прилегает к боковой и торцевым стенкам камеры на части их длины, имеет кольцевую периферийную полость, сообщающуюся с паропроводом, и центральную полость, сообщающуюся с конденсатопроводом. Насадка снабжена также пароотводными каналами, связывающими термоконтактную поверхность, образованную частью, по крайней мере, одной из торцевых стенок камеры и прилегающей к ней поверхностью насадки, с периферийной полостью, выполняющей роль парового коллектора [2]. Also known is the evaporation chamber of a heat pipe having a flat body including a side and two end walls and a capillary-porous nozzle located inside the body. The nozzle is adjacent to the side and end walls of the chamber for a portion of their length, has an annular peripheral cavity communicating with the steam line, and a central cavity communicating with the condensate line. The nozzle is also equipped with vapor drainage channels connecting the thermal contact surface formed by a part of at least one of the end walls of the chamber and the nozzle surface adjacent to it, with a peripheral cavity acting as a steam collector [2].

Недостатком такой испарительной камеры являются, во-первых, недостаточно развитая поверхность зоны испарения ввиду ограниченного числа пароотводных каналов, во-вторых, повышенное гидравлическое сопротивление из-за необходимости фильтрации жидкости в насадке из центральной полости вдоль обогреваемой поверхности и, в-третьих, невозможность использования всей торцевой поверхности испарительной камеры для подвода тепловой нагрузки. The disadvantage of such an evaporation chamber is, firstly, the underdeveloped surface of the evaporation zone due to the limited number of vapor channels, and secondly, the increased hydraulic resistance due to the need to filter the liquid in the nozzle from the central cavity along the heated surface and, thirdly, the inability to use the entire end surface of the evaporation chamber for supplying heat load.

Наиболее близкой к заявляемой по технической сущности и достигаемому результату является испарительная камера контурной тепловой трубы, имеющая также плоскую форму. Испарительная камера включает корпус с боковой стенкой, двумя торцевыми стенками и расположенную внутри него капиллярно-пористую насадку, прилегающую к боковой стенке и, по крайней мере, к одной из торцевых стенок с осевым каналом, проходящим через нее, и образующую выступ, прилегающий ко второй торцевой стенке. Капиллярно-пористая насадка снабжена системой пароотводных каналов в виде концентрических проточек на внутренней поверхности торцевой термоконтактной стенки, выполненной в виде фланца, и радиальными проточками на прилегающей к ней поверхности капиллярно-пористой насадки, сообщающихся с паровым коллектором и полостью для аккумулирования рабочей жидкости, соединенной с конденсатопроводом [3]. Closest to the claimed technical essence and the achieved result is the evaporation chamber of the contour heat pipe, which also has a flat shape. The evaporation chamber includes a housing with a side wall, two end walls and a capillary-porous nozzle located inside it, adjacent to the side wall and at least one of the end walls with an axial channel passing through it, and forming a protrusion adjacent to the second end wall. The capillary-porous nozzle is equipped with a system of vapor drainage channels in the form of concentric grooves on the inner surface of the end thermocontact wall, made in the form of a flange, and radial grooves on the adjacent surface of the capillary-porous nozzle in communication with the steam manifold and the cavity for accumulating the working fluid connected to condensate line [3].

Недостатком такой испарительной камеры является относительно низкое сопротивление упругой деформации торцевых стенок при значительном избыточном давлении паров рабочей жидкости внутри камеры, поскольку стенка сквозного осевого канала, представляющего собой тонкостенную трубку, не способна выдерживать высокие напряжения при упругой деформации. The disadvantage of such an evaporation chamber is the relatively low resistance to elastic deformation of the end walls with a significant excess vapor pressure of the working fluid inside the chamber, since the wall of the through axial channel, which is a thin-walled tube, is not able to withstand high stresses during elastic deformation.

Кроме того, недостатком является возможность перетечек пара вдоль боковой поверхности капиллярно-пористой насадки из зоны испарения в зону аккумулирования рабочей жидкости, поскольку протяженность контакта боковой поверхности капиллярно-пористой насадки с боковой стенкой камеры относительно мала. In addition, the disadvantage is the possibility of steam flowing along the side surface of the capillary-porous nozzle from the evaporation zone to the accumulation zone of the working fluid, since the contact length of the side surface of the capillary-porous nozzle with the side wall of the chamber is relatively small.

В основу изобретения положена задача создания испарительной камеры контурной тепловой трубы, конструкция которой позволяет обеспечить эффективный отвод тепла от теплонапряженных элементов с плоской формой при повышении надежности ее работы за счет увеличения сопротивления упругой деформации торцевых стенок. The basis of the invention is the creation of an evaporation chamber of a contour heat pipe, the design of which allows for efficient heat removal from heat-stressed elements with a flat shape while increasing its reliability by increasing the resistance to elastic deformation of the end walls.

Поставленная задача решается тем, что испарительная камера контурной тепловой трубы, имеющая плоскую форму, содержащая корпус, включающий боковую стенку, две торцевые стенки, расположенную внутри капиллярно-пористую насадку, прилегающую к боковой стенке и, по крайней мере, к одной из торцевых стенок и образующую выступ, прилегающий ко второй торцевой стенке, снабженную системой пароотводных каналов, образованных концентрическими проточками на внутренней поверхности торцевой термоконтактной стенки, выполненной в виде фланца, и проточками на прилегающей к ней поверхности капиллярно-пористой насадки, сообщающихся с паровым коллектором, и полостью для аккумулирования рабочей жидкости, соединенной с конденсатопроводом, снабжена стержнем, расположенным вдоль центральной оси камеры, укрепленным на ее торцевых стенках, насадка имеет дополнительный выступ, прилегающий к боковой стенке и к внутренней торцевой стенке камеры, и полость для аккумулирования рабочей жидкости расположена между капиллярно-пористой насадкой, ее выступом и второй торцевой стенкой. The problem is solved in that the evaporation chamber of the contour heat pipe, having a flat shape, containing a housing including a side wall, two end walls located inside the capillary-porous nozzle adjacent to the side wall and at least one of the end walls and forming a protrusion adjacent to the second end wall, equipped with a system of steam drainage channels formed by concentric grooves on the inner surface of the end thermal contact wall, made in the form of a flange, and a groove on the adjacent surface of the capillary-porous nozzle in communication with the steam manifold and the cavity for accumulating the working fluid connected to the condensate conduit, it is provided with a rod located along the central axis of the chamber, mounted on its end walls, the nozzle has an additional protrusion adjacent to the side the wall and to the inner end wall of the chamber, and the cavity for accumulating the working fluid is located between the capillary-porous nozzle, its protrusion and the second end wall.

При этом:
паровой коллектор расположен в боковой поверхности насадки, прилегающей к термоконтактной стенке;
на боковой поверхности стержня со стороны термоконтактной стенки выполнены мелкие резьбовые проточки;
на поверхности капиллярно-пористой насадки, находящейся в контакте со стержнем, выполнена, по крайней мере, одна проточка, сообщающаяся, по крайней мере, с одной из проточек на термоконтактной поверхности капиллярно-пористой насадки.Wherein:
the steam manifold is located in the side surface of the nozzle adjacent to the thermal contact wall;
small threaded grooves are made on the side surface of the rod from the side of the thermal contact wall;
at least one groove is made on the surface of the capillary-porous nozzle in contact with the rod, which communicates with at least one of the grooves on the thermal contact surface of the capillary-porous nozzle.

Снабжение камеры стержнем, расположенным внутри нее, вдоль центральной оси камеры, укрепленным на ее торцевых стенках, позволило увеличить сопротивление упругой деформации торцевых стенок при значительном избыточном давлении паров рабочей жидкости внутри камеры и тем самым повысило надежность ее работы. The supply of the chamber with a rod located inside it, along the central axis of the chamber, mounted on its end walls, allowed to increase the resistance to elastic deformation of the end walls with a significant excess vapor pressure of the working fluid inside the chamber and thereby increased the reliability of its operation.

Для уменьшения теплового потока, проникающего по стержню внутрь испарителя, и увеличения испаряющей поверхности капиллярно-пористой насадки на поверхности стержня выполнены мелкие резьбовые проточки, а на поверхности капиллярно-пористой насадки, находящейся в контакте со стержнем, выполнена, по крайней мере, одна продольная проточка, сообщающаяся с одной из проточек на термоконтактной поверхности капиллярно-пористой насадки. To reduce the heat flux penetrating the rod into the evaporator and increase the evaporating surface of the capillary-porous nozzle, small threaded grooves are made on the surface of the rod, and at least one longitudinal groove is made on the surface of the capillary-porous nozzle in contact with the rod communicating with one of the grooves on the thermal contact surface of the capillary-porous nozzle.

Тепловой поток, распространяющийся по стержню внутрь испарителя, вызывает испарение жидкости из капиллярно-пористой насадки, охватывающей стержень. Испарение происходит внутрь резьбовых проточек, по которым пар попадает в продольную проточку, затем в проточку на контактной поверхности капиллярно-пористой насадки, в паровой коллектор и паропровод. The heat flux propagating along the rod into the evaporator causes the liquid to evaporate from the capillary-porous nozzle covering the rod. Evaporation takes place inside the threaded grooves, through which the steam enters the longitudinal groove, then into the groove on the contact surface of the capillary-porous nozzle, into the steam manifold and steam line.

Все это позволило исключить возможность перетечек пара вдоль боковой поверхности насадки из зоны испарения в зону аккумулирования жидкости и обеспечить эффективный отвод тепла от теплонапряженных элементов с плоской поверхностью при повышении надежности работы камеры. All this made it possible to exclude the possibility of steam flowing along the side surface of the nozzle from the evaporation zone to the liquid storage zone and to ensure efficient heat removal from heat-stressed elements with a flat surface while increasing the reliability of the chamber.

На фиг. 1 представлен вертикальный разрез плоской испарительной камеры контурной тепловой трубы. In FIG. 1 shows a vertical section through a flat evaporation chamber of a contour heat pipe.

На фиг. 2 изображен фрагмент плоской испарительной камеры контурной тепловой трубы. In FIG. 2 shows a fragment of a flat evaporation chamber of a contour heat pipe.

Испарительная камера согласно изобретению содержит корпус, включающий боковую стенку 1, а также первую 2 и вторую 3 торцевые стенки. Первая торцевая стенка 2 выполнена в виде фланца с отверствиями 4 для крепления охлаждаемых объектов. Внутри корпуса размещена капиллярно-пористая насадка 5, прилегающая к торцевой стенке 3, образующая выступ 6, прилегающий к боковой стенке 1, и выступ 7, прилегающий к центральному стержню 8, скрепляющему торцевые стенки 2 и 3. На внутренней поверхности торцевой стенки 2 выполнены пароотводные каналы в виде мелких кольцевых проточек 9, а на прилегающей к ней поверхности насадки 5 - пароотводные каналы в виде продольных проточек 10. Кольцевые проточки 9 и продольные проточки 10 образуют единую сообщающуюся между собой и паровым коллектором 11 систему каналов для отвода пара в паропровод 12. Внутренняя поверхность насадки 5 и торцевая стенка 3 образуют полость 13 для аккумулирования рабочей жидкости, которая сообщается с конденсатопроводом 14 контурной тепловой трубы. На боковой поверхности стержня 8 выполнены мелкие резьбовые проточки 15, и на поверхности капиллярно-пористой насадки 5, находящейся в контакте со стержнем 8, выполнена, по крайней мере, одна продольная проточка 16, сообщающаяся, по крайней мере, с одной из проточек 10 на термоконтактной поверхности капиллярно-пористой насадки 5. The evaporation chamber according to the invention comprises a housing including a side wall 1, as well as a first 2 and a second 3 end walls. The first end wall 2 is made in the form of a flange with holes 4 for fastening the cooled objects. A capillary-porous nozzle 5 adjacent to the end wall 3, forming a protrusion 6 adjacent to the side wall 1, and a protrusion 7 adjacent to the central shaft 8, fastening the end walls 2 and 3, are placed on the inner surface of the end wall 2; channels in the form of small annular grooves 9, and on the adjacent surface of the nozzle 5, steam channels in the form of longitudinal grooves 10. The annular grooves 9 and longitudinal grooves 10 form a single system that communicates with each other and the steam manifold 11 channels for discharging vapor in vapor line 12. The inner surface of the nozzle 5 and the end wall 3 define a cavity 13 for accumulating hydraulic fluid, which communicates with a condensate line 14 the contour of the heat pipe. On the lateral surface of the rod 8, small threaded grooves 15 are made, and on the surface of the capillary-porous nozzle 5 in contact with the rod 8, at least one longitudinal groove 16 is made, communicating with at least one of the grooves 10 on thermocontact surface of capillary-porous nozzle 5.

При подводе тепловой нагрузки к первой торцевой стенке 2 рабочая жидкость испаряется из насадки 5 в кольцевые проточки 9, отсюда пар попадает в продольные проточки 10, затем движется в конденсатор контурной тепловой трубы (на чертеже не показан). После конденсации жидкий теплоноситель по конденсатопроводу 14 поступает в полость 13 для аккумулирования рабочей жидкости, из которой обеспечивается подпитка насадки 5. При использовании жидкости с высоким давлением пара при рабочей температуре, например аммиака, имеющего давление 10 атм при температуре 60^oC, прогиба относительно тонких торцевых стенок 2 и 3 не происходит благодаря наличию центрального стержня 8, принимающего на себя растягивающую нагрузку. Выступы 6 и 7 насадки 5, плотно прилегающие к стержню 8, боковой стенке 1 и торцевой стенке 3, предотвращают перетечку пара из зоны испарения, образованной проточками 9 и 10, в емкость 13 для аккумулирования рабочей жидкости. Одновременно выступы 6 и 7 насадки 5 выполняют роль капиллярных артерий, обеспечивающих подпитку насадки 5 при такой ориентации испарительной камеры, когда зона испарения занимает верхнее положение в земных условиях и при любых ориентациях, когда контурная тепловая труба работает в невесомости.When applying a heat load to the first end wall 2, the working fluid evaporates from the nozzle 5 into the annular grooves 9, from here the steam enters the longitudinal grooves 10, then moves into the condenser of the contour heat pipe (not shown). After condensation, the liquid coolant through the condensate line 14 enters the cavity 13 for accumulating the working fluid, from which the nozzle 5 is fed. When using a liquid with a high vapor pressure at a working temperature, for example ammonia having a pressure of 10 atm at a temperature of 60 ^o C, the deflection is relatively thin end walls 2 and 3 does not occur due to the presence of a Central rod 8, which takes on a tensile load. The protrusions 6 and 7 of the nozzle 5, tightly adjacent to the rod 8, the side wall 1 and the end wall 3, prevent the steam from flowing from the evaporation zone formed by the grooves 9 and 10 into the tank 13 for accumulating the working fluid. At the same time, the protrusions 6 and 7 of the nozzle 5 play the role of capillary arteries providing the nozzle 5 with such an orientation of the evaporation chamber, when the evaporation zone occupies the upper position in terrestrial conditions and in any orientations, when the contour heat pipe works in zero gravity.

Литература
1. Авторское свидетельство СССР N 1815584, кл. F 28 D 15/04, 1993 г.Literature
1. Copyright certificate of the USSR N 1815584, cl. F 28 D 15/04, 1993

2. Авторское свидетельство СССР N 495522, кл. F 28 D 15/04, 1975 г. 2. USSR author's certificate N 495522, cl. F 28 D 15/04, 1975

3. Патент РФ N 2101644, кл. F 28 D 15/02, 1998 г. 3. RF patent N 2101644, cl. F 28 D 15/02, 1998

Claims

1. The evaporation chamber of a contour heat pipe having a flat shape, comprising a housing including a side wall, two end walls located inside a capillary-porous nozzle adjacent to the side wall and at least one of the end walls and forming a protrusion adjacent to the second end wall, equipped with a system of steam drainage channels formed by concentric grooves on the inner surface of the end thermal contact wall, made in the form of a flange, and grooves on the surface adjacent to it a capillary-porous nozzle in communication with the steam collector and a cavity for accumulating the working fluid connected to the condensate line, characterized in that the evaporation chamber is provided with a rod located inside it along the central axis of the chamber, mounted on its end walls, the nozzle has an additional protrusion adjacent to the side wall and to the second end wall of the chamber, and the cavity for accumulating the working fluid is located between the capillary-porous nozzle, its protrusions and the second end wall.

2. The chamber according to claim 1, characterized in that the steam manifold is located in the side surface of the nozzle adjacent to the thermal contact wall.

3. The camera according to paragraphs. 1 and 2, characterized in that on the lateral surface of the rod from the side of the thermal contact wall there are made small threaded grooves.

4. The chamber according to claims 1 to 3, characterized in that on the surface of the capillary-porous nozzle in contact with the rod, at least one longitudinal groove is made, communicating with at least one of the grooves on the thermal contact surface capillary-porous nozzles.