RU2457417C1 - Metal heat pipe of flat type - Google Patents
Metal heat pipe of flat type Download PDFInfo
- Publication number
- RU2457417C1 RU2457417C1 RU2010147662/06A RU2010147662A RU2457417C1 RU 2457417 C1 RU2457417 C1 RU 2457417C1 RU 2010147662/06 A RU2010147662/06 A RU 2010147662/06A RU 2010147662 A RU2010147662 A RU 2010147662A RU 2457417 C1 RU2457417 C1 RU 2457417C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat pipe
- flat type
- capillary
- metal
- wick
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
- Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
- Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
- Rigid Pipes And Flexible Pipes (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в тепловых трубах.The invention relates to the field of heat engineering and can be used in heat pipes.
Известна тепловая труба плоского типа [1] (патент США № 6397935 B1, кл. F28D 15/00, дата приоритета 18.12.1996 г.), содержащая: корпус, образованный из двух алюминиевых пластин, расположенных параллельно друг другу, гофрированную алюминиевую пластину, расположенную между двумя указанными выше пластинами и соединенную с ними путем пайки, гофры которой имеют в сечении форму трапеции, а в их наклонных поверхностях имеются отверстия прямоугольной формы, фитиль, размещенный в каналах, образованных гофрированной алюминиевой пластиной и двумя параллельными алюминиевыми пластинами корпуса, рабочую жидкость.Known heat pipe flat type [1] (US patent No. 6397935 B1, class F28D 15/00, priority date 12/18/1996), comprising: a housing formed of two aluminum plates arranged parallel to each other, corrugated aluminum plate, located between the two above-mentioned plates and connected to them by soldering, the corrugations of which have a trapezoidal cross section, and their inclined surfaces have rectangular holes, a wick located in the channels formed by a corrugated aluminum plate and two parallel aluminum mini body plates, working fluid.
В данной конструкции тепловой трубы могут быть использованы следующие варианты фитилей: а) система параллельных открытых канавок, сформированных либо непосредственно на внутренних поверхностях алюминиевых пластин корпуса и гофрированной алюминиевой пластины, либо в слое припоя, нанесенном на них; б) гофрированная алюминиевая пластина, гофры которой имеют в сечении форму треугольника, соединенная с алюминиевыми пластинами корпуса путем пайки; в) трубки из металлической сетки; г) одна или несколько плоских металлических сеток.In this design of the heat pipe, the following wick options can be used: a) a system of parallel open grooves, formed either directly on the inner surfaces of the aluminum plates of the body and corrugated aluminum plate, or in a layer of solder deposited on them; b) corrugated aluminum plate, the corrugations of which have a cross-section in the shape of a triangle, connected to the aluminum plates of the body by soldering; c) tubes of metal mesh; d) one or more flat metal grids.
Одним из недостатков конструкции данной тепловой трубы является ограничение транспорта рабочей жидкости в направлении, перпендикулярном гофрам соответствующей алюминиевой пластины. Используемые в ней фитили способны переносить рабочую жидкость только в пределах одного канала, образованного пластинами. При этом перенос рабочей жидкости из одного канала в другой невозможен. Поэтому тепловая труба данной конструкции наиболее эффективна только в таких системах, в которых перенос тепла осуществляется преимущественно в одном направлении.One of the design flaws of this heat pipe is the limitation of the transport of the working fluid in the direction perpendicular to the corrugations of the corresponding aluminum plate. The wicks used in it are capable of transferring the working fluid only within the limits of one channel formed by the plates. In this case, the transfer of the working fluid from one channel to another is impossible. Therefore, a heat pipe of this design is most effective only in such systems in which heat transfer is carried out mainly in one direction.
Другим недостатком данной конструкции тепловой трубы является ее неработоспособность в условиях, когда перенос рабочей жидкости должен осуществляться в направлении, противоположном действию силы тяжести. Возможно лишь функционирование тепловой трубы при ее горизонтальном расположении. Обусловлено это тем, что используемые в конструкции фитили имеют по сравнению с фитилями из пористых материалов, изготавливаемых, например, из металлических порошков, довольно большой условный диаметр капилляров и, следовательно, наряду с малым гидравлическим сопротивлением создают и низкий капиллярный напор. Это затрудняет ее использование, например, в космической технике. Использование фитилей из пористых металлов в конструкции тепловой трубы проблематично, так как пайка тепловой трубы может осуществляться только после ее полной сборки, то необходимы специальные меры для того, чтобы предотвратить впитывание расплавленного припоя в поры фитиля, вследствие чего он может потерять необходимую пористость.Another disadvantage of this design of the heat pipe is its inoperability in conditions where the transfer of the working fluid should be carried out in the direction opposite to the action of gravity. Only the functioning of the heat pipe with its horizontal arrangement is possible. This is due to the fact that the wicks used in the construction have, compared to wicks from porous materials made, for example, from metal powders, a rather large nominal diameter of the capillaries and, therefore, along with low hydraulic resistance, they also create a low capillary pressure. This makes it difficult to use, for example, in space technology. The use of porous metal wicks in the construction of the heat pipe is problematic, since the heat pipe can be soldered only after it is fully assembled, special measures are necessary to prevent the absorption of molten solder into the wick pores, as a result of which it may lose the necessary porosity.
Наиболее близкой по технической сущности и поэтому выбранной в качестве прототипа является плоская тепловая труба [2] (авторское свидетельство СССР № 1673824 A1, кл. F28D 15/02, дата приоритета 07.02.1989 г.), содержащая корпус, противоположные стенки которого снабжены капиллярно-пористой структурой с системой пароотводных каналов в центральной части корпуса, причем капиллярно-пористая структура расположена с образованием зазора в центральной части корпуса, а система пароотводных каналов образована плоской металлической сеткой, установленной в этом зазоре и примыкающей к капиллярно-пористой структуре.The closest in technical essence and therefore selected as a prototype is a flat heat pipe [2] (USSR author's certificate No. 1673824 A1, class F28D 15/02, priority date 02/07/1989), containing a body, the opposite walls of which are provided with capillary -porous structure with a system of steam outlet channels in the central part of the body, the capillary-porous structure being located with a gap in the central part of the body, and the system of steam channels is formed by a flat metal mesh installed in this the gap and adjacent to the capillary-porous structure.
Система пароотводных каналов, сформированная в центральной части тепловой трубы данной конструкции, позволяет пару беспрепятственно перемещаться в ее плоскости в любом направлении и переносить тепло из более "горячего" места в более "холодное". Рабочая жидкость в отличие от тепловой трубы конструкции [1] также может перемещаться в плоскости тепловой трубы в любом направлении. В качестве фитиля в тепловой трубе конструкции [2] может применяться пористый металл, полученный спеканием металлического порошка. Одним из недостатков конструкции данной тепловой трубы является нерациональное использование ее центрального пространства. Значительная часть полезного сечения зазора, образованного в центральной части корпуса, в котором размещается сетка, перекрывается металлической проволокой, из которой она сплетена. Вследствие этого, толщина сетки должна быть в 1,5-2 раза больше требуемого диаметра пароотводных каналов. Например, при использовании в качестве теплоносителя воды для того, чтобы при низких рабочих температурах (5-18)°С гидравлическое сопротивление пароотводных каналов было небольшим, и тепловая труба имела высокую эффективную теплопроводность, диаметр каналов должен быть не менее 2 мм. Для выполнения данного условия потребуется сетка, имеющая толщину 3-4 мм. В итоге, применение плоской сетки для формирования пароотводных каналов ведет к увеличению такого существенного для любой тепловой трубы плоского типа геометрического размера, как ее толщина. При этом также увеличивается и масса тепловой трубы. Это естественно затрудняет ее использование, например, в космической технике.The steam channel system formed in the central part of the heat pipe of this design allows the steam to move freely in its plane in any direction and transfer heat from a “hotter” place to a “colder” one. The working fluid, unlike the heat pipe of the structure [1], can also move in the plane of the heat pipe in any direction. As a wick in a heat pipe of a structure [2], a porous metal obtained by sintering a metal powder can be used. One of the design flaws of this heat pipe is the irrational use of its central space. A significant part of the useful section of the gap formed in the central part of the housing in which the mesh is placed is covered by the metal wire from which it is woven. As a result of this, the thickness of the mesh should be 1.5-2 times greater than the required diameter of the vapor channels. For example, when using water as a heat transfer medium so that at low operating temperatures (5-18) ° С the hydraulic resistance of the vapor channels is small and the heat pipe has a high effective thermal conductivity, the diameter of the channels should be at least 2 mm. To fulfill this condition, you need a mesh having a thickness of 3-4 mm. As a result, the use of a flat grid for the formation of steam channels leads to an increase in such a geometric size, which is essential for any heat pipe of a flat type, as its thickness. At the same time, the mass of the heat pipe also increases. This naturally complicates its use, for example, in space technology.
К недостаткам тепловой трубы данной конструкции можно отнести также отсутствие в ней специальных каналов (артерий) для транспорта рабочей жидкости из зоны конденсации в зону испарения и равномерного снабжения пор основного фитиля теплоносителем в зоне испарения (см., например, [3]). Гидравлический радиус специальных каналов для транспорта рабочей жидкости обычно существенно больше капиллярного радиуса пор основного фитиля, в котором происходят процессы испарения и конденсации. Поэтому тепловые трубы с фитилями, в состав которых входят транспортные артерии, вследствие низкого гидравлического сопротивления последних, способны функционировать при более высоких тепловых нагрузках, чем тепловые трубы с пористыми фитилями, не содержащими их.The disadvantages of the heat pipe of this design can also be attributed to the absence of special channels (arteries) in it for transporting the working fluid from the condensation zone to the evaporation zone and to evenly supply the pores of the main wick with coolant in the evaporation zone (see, for example, [3]). The hydraulic radius of special channels for transporting the working fluid is usually substantially larger than the capillary radius of the pores of the main wick, in which the processes of evaporation and condensation occur. Therefore, heat pipes with wicks, which include transport arteries, due to the low hydraulic resistance of the latter, are able to function at higher heat loads than heat pipes with porous wicks that do not contain them.
При использовании в составе фитиля специальных каналов для транспорта рабочей жидкости расстояние, на которое она перемещается по основному фитилю в зонах испарения и конденсации, может составлять всего несколько миллиметров. Поэтому толщина слоя основного фитиля при этом может быть существенно уменьшена. Вследствие этого уменьшаются также масса тепловой трубы и термическое сопротивление фитиля. Одновременно со снижением термического сопротивления фитиля возрастает эффективная теплопроводность тепловой трубы.When using special channels as part of the wick for transporting the working fluid, the distance by which it moves along the main wick in the evaporation and condensation zones can be only a few millimeters. Therefore, the thickness of the layer of the main wick can be significantly reduced. As a result of this, the mass of the heat pipe and the thermal resistance of the wick are also reduced. Simultaneously with a decrease in the thermal resistance of the wick, the effective thermal conductivity of the heat pipe increases.
Целью изобретения являются уменьшение массы металлической тепловой трубы плоского типа, увеличение ее эффективной теплопроводности и расширение возможностей ее применения.The aim of the invention is to reduce the mass of a metal heat pipe of a flat type, increase its effective thermal conductivity and expand the possibilities of its application.
Поставленная задача достигается за счет того, что в известной конструкции тепловой трубы плоского типа, включающей корпус, капиллярно-пористый фитиль, сформированный на внутренних поверхностях противоположных стенок корпуса с образованием зазора в центральной его части, в котором размещена система пароотводных каналов, согласно заявляемому техническому решению система пароотводных каналов образована гофрированной перфорированной пластиной, состоящей из одного или более слоев металлической сетки, на поверхности которой нанесена капиллярно-пористая структура из металлического порошка.The problem is achieved due to the fact that in the known design of a flat type heat pipe, comprising a housing, a capillary-porous wick formed on the inner surfaces of opposite walls of the housing with the formation of a gap in its central part, in which a system of steam outlet channels is placed, according to the claimed technical solution the steam channel system is formed by a corrugated perforated plate, consisting of one or more layers of a metal mesh, on the surface of which is applied Pillar-porous structure of metal powder.
Вариантом заявляемой металлической тепловой трубы плоского типа является конструкция, которая усовершенствована за счет того, что в боковых стенках образующей систему пароотводных каналов гофрированной перфорированной пластины между сетками, из которых она изготовлена, сформированы щели с размером, равным или превышающим размер пор капиллярно-пористой структуры.A variant of the inventive flat type metal heat pipe is a design that is improved due to the fact that slots with a size equal to or greater than the pore size of the capillary-porous structure are formed in the side walls of the system of steam channels of the corrugated perforated plate.
Другим вариантом заявляемой металлической тепловой трубы плоского типа является конструкция, в которой система пароотводных каналов образована двумя гофрированными перфорированными пластинами, размещенными одна над другой в параллельных плоскостях и соединенными друг с другом вершинами гофр, причем гофры пластин ориентированы под углом друг к другу.Another embodiment of the inventive flat type metal heat pipe is a structure in which a steam channel system is formed by two corrugated perforated plates placed one above the other in parallel planes and connected to each other by corrugation vertices, the corrugations of the plates being oriented at an angle to each other.
Расширение возможностей применения металлической тепловой трубы плоского типа достигается тем, что ее испарительная и конденсаторная зоны, включая, в том числе пароотводные каналы, специальные каналы для транспорта рабочей жидкости и рабочие поверхности основного фитиля, находящиеся в одном корпусе, располагаются во взаимно перпендикулярных плоскостях.The expansion of the possibilities of using a flat type metal heat pipe is achieved by the fact that its evaporation and condenser zones, including, including steam channels, special channels for transporting the working fluid and the working surfaces of the main wick, located in one housing, are located in mutually perpendicular planes.
На фиг.1 показана конструкция заявляемой металлической тепловой трубы плоского типа; на фиг.2 - вариант заявляемого устройства с системой пароотводных каналов, образованной гофрированной перфорированной пластиной, состоящей из двух слоев металлической сетки, между которыми в боковых стенках гофр сформированы щели; на фиг.3 - вариант заявляемого устройства с системой пароотводных каналов, образованной двумя гофрированными перфорированными пластинами; на фиг.4 показан внешний вид конструктивных исполнений заявляемой металлической тепловой трубы плоского типа, в которых ее испарительная и конденсаторная зоны расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях (т-образное (а) и г-образное (б) исполнения); на фиг.5 - вариант конструктивного выполнения системы охлаждения комплекта печатных плат электронной аппаратуры с применением заявляемых металлических тепловых труб плоского типа; на фиг.6 - таблица 1 «Характеристики образцов тепловых труб заявляемой конструкции и прототипа»; на фиг.7 - таблица 2 «Сравнение характеристик образцов тепловых труб, изготовленных по разным вариантам заявляемой конструкции, при переносе тепла в плоскости тепловой трубы вдоль осей X и Y»; на фиг.8 - графики зависимостей максимальной разности температур между зонами испарения и конденсации от величины подводимого теплового потока при рабочей температуре 18°С для образцов тепловых труб, изготовленных по разным вариантам заявляемой конструкции.Figure 1 shows the design of the inventive metal heat pipe flat type; figure 2 is a variant of the inventive device with a system of steam channels formed by a corrugated perforated plate, consisting of two layers of metal mesh, between which gaps are formed in the side walls of the corrugations; figure 3 is a variant of the inventive device with a system of steam channels formed by two corrugated perforated plates; figure 4 shows the appearance of the structural designs of the inventive metal heat pipe of a flat type, in which its evaporation and condenser zones are located in mutually perpendicular planes (t-shaped (a) and l-shaped (b) versions); figure 5 is an embodiment of a structural embodiment of a cooling system for a set of printed circuit boards of electronic equipment using the inventive flat type metal heat pipes; figure 6 - table 1 "Characteristics of samples of heat pipes of the claimed design and prototype"; 7 - table 2 "Comparison of the characteristics of samples of heat pipes made according to different variants of the claimed design, when heat is transferred in the plane of the heat pipe along the axes X and Y"; on Fig - graphs of the dependences of the maximum temperature difference between the zones of evaporation and condensation on the magnitude of the input heat flux at an operating temperature of 18 ° C for samples of heat pipes made according to different versions of the claimed design.
Металлическая тепловая труба плоского типа, заявляемой конструкции (фиг.1), состоит из корпуса, образованного из двух металлических пластин (1), расположенных параллельно друг другу, на внутренних поверхностях которых сформирован основной фитиль (2), расположенной между металлическими пластинами (1) гофрированной перфорированной пластины (3) из металлической сетки, на обе стороны которой нанесена капиллярно-пористая структура из металлического порошка, являющаяся дополнительным фитилем (4). Гофрированная перфорированная пластина (3) образует с металлическими пластинами (1) систему пароотводных каналов (5).A metal heat pipe of a flat type, of the claimed design (Fig. 1), consists of a body formed of two metal plates (1) parallel to each other, on the inner surfaces of which a main wick (2) located between the metal plates (1) is formed corrugated perforated plate (3) from a metal mesh, on both sides of which a capillary-porous structure of metal powder is applied, which is an additional wick (4). Corrugated perforated plate (3) forms a system of steam channels (5) with metal plates (1).
Применение для формирования системы пароотводных каналов гофрированной пластины из сетки позволяет при сохранении жесткости конструкции уменьшить величину необходимого для низкого сопротивления потоку пара размера зазора в центральной части корпуса тепловой трубы. При этом естественно снижаются как толщина, так и масса тепловой трубы плоского типа. Металлическая сетка, на обе поверхности которой нанесена капиллярно-пористая структура из металлического порошка и из которой формируется гофрированная пластина, кроме того, является и дополнительным фитилем. Вследствие чего толщина основного фитиля, размещенного на поверхностях стенок корпуса тепловой трубы, может быть уменьшена. Что ведет не только к уменьшению массы тепловой трубы, но и к увеличению ее эффективной теплопроводности.The use of a corrugated plate for meshing to form a system of steam drainage channels of a grid, while maintaining structural rigidity, reduces the size of the gap required for low resistance to steam flow in the central part of the heat pipe body. In this case, both the thickness and the mass of the heat pipe of a flat type naturally decrease. A metal mesh, on both surfaces of which a capillary-porous structure of metal powder is applied and from which a corrugated plate is formed, is also an additional wick. As a result, the thickness of the main wick, placed on the surfaces of the walls of the heat pipe body, can be reduced. Which leads not only to a decrease in the mass of the heat pipe, but also to an increase in its effective thermal conductivity.
Вариант конструкции заявляемого устройства показан на фиг.2. В данном варианте заявляемое устройство также состоит из корпуса, образованного из металлических пластин (1), расположенных параллельно друг другу, на внутренних поверхностях, которых сформирован основной фитиль (2), расположенной между металлическими пластинами (1) гофрированной перфорированной пластины (3) из металлической сетки, на поверхности которой нанесена капиллярно-пористая структура из металлического порошка, являющаяся дополнительным фитилем (4), а между сетками в боковых стенках гофр сформированы щели (6) с размером, равным или превышающим размер пор капиллярно-пористой структуры. В варианте заявляемого устройства гофрированная перфорированная пластина (3) также образует с металлическими пластинами (1) систему пароотводных каналов (5).A design variant of the inventive device is shown in figure 2. In this embodiment, the inventive device also consists of a housing formed of metal plates (1) located parallel to each other, on the inner surfaces of which the main wick (2) is formed, located between the metal plates (1) of the corrugated perforated plate (3) of metal nets, on the surface of which a capillary-porous structure of metal powder is applied, which is an additional wick (4), and gaps (6) are formed between the nets in the side walls of the corrugations with a size equal to or exceeds an pore size of a capillary-porous structure. In an embodiment of the inventive device, the corrugated perforated plate (3) also forms a system of vapor channels (5) with metal plates (1).
Щели между сетками, сформированные в боковых стенках гофрированной пластины, выполняют функции специальных каналов, по которым рабочая жидкость подается за счет капиллярных сил из конденсаторной зоны тепловой трубы в испарительную, и которые равномерно снабжают поры основного фитиля теплоносителем в зоне испарения.The gaps between the grids formed in the side walls of the corrugated plate serve as special channels through which the working fluid is supplied by capillary forces from the condenser zone of the heat pipe to the evaporation channel, and which uniformly supply the pores of the main wick with coolant in the evaporation zone.
Преимущества тепловых труб со специальными каналами (артериями) для транспорта рабочей жидкости были подробно рассмотрены выше. Их наличие в конструкции тепловой трубы позволяет существенно уменьшить толщину основного фитиля и увеличить эффективную теплопроводность тепловой трубы.The advantages of heat pipes with special channels (arteries) for transporting the working fluid were discussed in detail above. Their presence in the design of the heat pipe can significantly reduce the thickness of the main wick and increase the effective thermal conductivity of the heat pipe.
Тепловые трубы описанных выше вариантов заявляемых конструкций, эффективно работают при переносе тепла в направлении, совпадающем с направлением гофр пластины. В случае, когда перенос тепла осуществляется в направлении, перпендикулярном гофрам, транспорт рабочей жидкости в некоторой степени ограничен.Heat pipes of the above-described variants of the claimed structures work efficiently when transferring heat in the direction coinciding with the direction of the corrugation of the plate. In the case where heat transfer is carried out in a direction perpendicular to the corrugation, the transport of the working fluid is somewhat limited.
Следующий вариант конструктивного выполнения металлической тепловой трубы плоского типа показан на фиг.3. В этом варианте заявляемое устройство также состоит из корпуса, образованного из металлических пластин (1), расположенных параллельно друг другу, на внутренних поверхностях которых сформирован основной фитиль (2); расположенных между металлическими пластинами (1) двух гофрированных перфорированных пластин (3) из металлической сетки, на поверхности которой нанесена капиллярно-пористая структура из металлического порошка, являющаяся дополнительным фитилем (4). Гофрированные перфорированные пластины (3) размещены одна над другой в параллельных плоскостях и соединены друг с другом вершинами гофр, причем гофры пластин ориентированы под углом друг к другу. В данном варианте заявляемого устройства две гофрированные перфорированные пластины (3) образуют друг с другом и с металлическими пластинами (1) систему пароотводных каналов (5).The next embodiment of a flat type metal heat pipe is shown in FIG. 3. In this embodiment, the inventive device also consists of a housing formed of metal plates (1) located parallel to each other, on the inner surfaces of which the main wick (2) is formed; located between the metal plates (1) of two corrugated perforated plates (3) of a metal mesh, on the surface of which a capillary-porous structure of metal powder is applied, which is an additional wick (4). Corrugated perforated plates (3) are placed one above the other in parallel planes and connected to each other by corrugated vertices, and the corrugated plates are oriented at an angle to each other. In this embodiment of the claimed device, two corrugated perforated plates (3) form, with each other and with metal plates (1), a system of steam drainage channels (5).
С помощью этого варианта заявляемого устройства достигается эффективный перенос тепла в любом направлении в плоскости тепловой трубы.Using this option of the claimed device, effective heat transfer in any direction in the plane of the heat pipe is achieved.
Внешний вид исполнений следующего варианта конструкции металлической тепловой трубы плоского типа показан на фиг.4. В этом варианте заявляемой металлической тепловой трубы плоского типа, ее испарительная (7) и конденсаторная (8) зоны, включая, в том числе, пароотводные каналы, специальные каналы для транспорта жидкости и рабочие поверхности основного фитиля, находятся в одном корпусе и располагаются во взаимно перпендикулярных плоскостях.The appearance of the executions of the next design variant of the metal heat pipe of a flat type is shown in Fig.4. In this embodiment of the inventive metal heat pipe of a flat type, its evaporation (7) and condenser (8) zones, including, but not limited to, steam channels, special channels for transporting liquid and the working surfaces of the main wick, are in the same housing and are located in mutually perpendicular planes.
Одно из основных применений тепловых труб плоского типа - использование их в системах охлаждения печатных плат электронной аппаратуры. Тепловые трубы, приведенных на фиг.4 исполнений (т-образного (а) и г-образного (б)), позволяют обеспечить компактность и низкую массу системы охлаждения, например в случае необходимости отвода тепла от нескольких печатных плат, что, в частности, существенно для применений тепловых труб в космической технике.One of the main applications of flat type heat pipes is their use in cooling systems for printed circuit boards of electronic equipment. The heat pipes shown in figure 4 versions (t-shaped (a) and l-shaped (b)) allow for compactness and low weight of the cooling system, for example, if necessary, heat removal from several printed circuit boards, which, in particular, Essential for heat pipe applications in space technology.
Печатные платы с электронными компонентами (9), установленные на испарительных зонах металлических тепловых труб плоского типа заявляемой конструкции т- или г-образного исполнения (10), могут быть размещены компактно в один ряд параллельно друг другу, например, как на фиг.5. При этом для отвода тепла от зон конденсации тепловых труб может использоваться одна и та же система (11).Printed circuit boards with electronic components (9) installed on the evaporation zones of metal heat pipes of a flat type of the claimed design of a T- or G-shaped design (10), can be placed compactly in one row parallel to each other, for example, as in Fig.5. In this case, the same system can be used to remove heat from the condensation zones of heat pipes (11).
Основной фитиль тепловой трубы предлагаемой конструкции может быть представлен в различных вариантах. Это может быть пористый металл, полученный спеканием металлического порошка, несколько слоев сетки различных размеров, сетка с нанесенным на ее поверхность металлическим порошком и т.д. Рабочей жидкостью может быть вода, спирт, ацетон и т.д., как и в любой тепловой трубе. Для изготовления тепловой трубы могут быть использованы различные материалы, например медь, никель, титан, нержавеющая сталь и т.д. Соединение гофрированных пластин между собой и с капиллярно-пористой структурой основного фитиля может производиться, например, способом диффузионной сварки.The main wick of the heat pipe of the proposed design can be presented in various ways. This can be a porous metal obtained by sintering a metal powder, several layers of a mesh of various sizes, a mesh with a metal powder deposited on its surface, etc. The working fluid can be water, alcohol, acetone, etc., as in any heat pipe. Various materials can be used to make the heat pipe, such as copper, nickel, titanium, stainless steel, etc. The connection of the corrugated plates with each other and with the capillary-porous structure of the main wick can be carried out, for example, by diffusion welding.
Работает заявляемая металлическая тепловая труба плоского типа следующим образом. Подвод и отвод тепла осуществляются через стенки корпуса (1) (см., например, фиг.2). Теплоноситель, испаряясь, в зоне подвода тепла на поверхности раздела жидкость - пар (из насыщенной рабочей жидкостью капиллярно-пористой структуры основного (2) и дополнительного (4) фитилей), в виде пара по каналам (5) поступает в зону отвода тепла, где конденсируется. Возврат теплоносителя в зону испарения осуществляется по капиллярно-пористым структурам основного (2) и дополнительного (4) фитилей и по каналам для транспорта рабочей жидкости (6) в гофрированной пластине (3). В зоне испарения рабочая жидкость из каналов (6) поступает в капиллярно-пористую структуру дополнительного фитиля (4), сформированную на гофрированной пластине (3), и в основной фитиль (2).The inventive metal heat pipe of the flat type works as follows. Heat is supplied and removed through the walls of the housing (1) (see, for example, FIG. 2). The heat carrier, evaporating, in the heat supply zone on the liquid-steam interface (from the capillary-porous structure of the main (2) and additional (4) wicks saturated with the working fluid), enters the heat removal zone through the channels (5), where condenses. The coolant is returned to the evaporation zone through the capillary-porous structures of the main (2) and additional (4) wicks and through the channels for transporting the working fluid (6) in the corrugated plate (3). In the evaporation zone, the working fluid from the channels (6) enters the capillary-porous structure of the additional wick (4) formed on the corrugated plate (3), and into the main wick (2).
В качестве примеров конкретного выполнения заявляемого технического решения были изготовлены следующие образцы металлических тепловых труб плоского типа.As examples of the specific implementation of the claimed technical solution, the following samples of flat-type metal heat pipes were manufactured.
№1 - плоского типа с геометрическими размерами (320×78×2,5) мм с системой пароотводных каналов, образованной гофрированной перфорированной пластиной, состоящей из двух слоев металлической сетки, на обе поверхности которой была нанесена капиллярно-пористая структура из металлического порошка (дополнительный фитиль); в боковых стенках гофрированной пластины между сетками, из которых она изготавливалась, были сформированы щели с размером, превышающим размер пор капиллярно-пористой структуры;No. 1 - of a flat type with geometric dimensions (320 × 78 × 2.5) mm with a system of steam channels formed by a corrugated perforated plate consisting of two layers of a metal mesh, a capillary-porous structure of a metal powder was deposited on both surfaces (additional wick); in the side walls of the corrugated plate between the grids from which it was made, slots were formed with a size exceeding the pore size of the capillary-porous structure;
№2 - плоского типа с геометрическими размерами (320×78×3,5) мм с системой пароотводных каналов, образованной двумя гофрированными перфорированными пластинами, которые были размещены одна над другой в параллельных плоскостях и соединены друг с другом вершинами гофр, причем гофры пластин были ориентированы под углом (85-95)° друг к другу; гофрированные пластины изготавливались из одного слоя металлической сетки, на обе поверхности которой была нанесена капиллярно-пористая структура из металлического порошка (дополнительный фитиль);No. 2 — of a flat type with geometric dimensions (320 × 78 × 3.5) mm with a system of steam channels formed by two corrugated perforated plates that were placed one above the other in parallel planes and connected to each other by the corrugations vertices, and the corrugations of the plates were oriented at an angle of (85-95) ° to each other; corrugated plates were made of one layer of a metal mesh, on both surfaces of which a capillary-porous structure of metal powder was applied (additional wick);
№3 - т-образного исполнения с геометрическими размерами зон испарения и конденсации соответственно (130×115×2,5) мм и (115×30×2,5) мм с системой пароотводных каналов аналогичной размещенной в образце №1.No. 3 - a t-shaped design with the geometric dimensions of the evaporation and condensation zones, respectively (130 × 115 × 2.5) mm and (115 × 30 × 2.5) mm with a system of steam channels similar to that located in sample No. 1.
В качестве материала для изготовления указанных выше образцов плоских тепловых труб был использован никель, а в качестве теплоносителя - вода. Корпус выполнялся из никелевых листов толщиной 0,2 мм. Гофрированные перфорированные пластины, из которых формировались системы пароотводных каналов образцов, изготавливались из никелевой сетки №018 ГОСТ 6613-86, на обе поверхности которой наносилась капиллярно-пористая структура из никелевого порошка (дополнительный фитиль). Основной фитиль состоял из одного слоя никелевой сетки №004 ГОСТ 6613-86, на обе поверхности которой также была нанесена капиллярно-пористая структура из никелевого порошка.Nickel was used as the material for the manufacture of the above samples of flat heat pipes, and water was used as the heat carrier. The case was made of nickel sheets 0.2 mm thick. Corrugated perforated plates, from which the systems of steam outlet channels of the samples were formed, were made of nickel mesh No. 018 GOST 6613-86, on both surfaces of which a capillary-porous structure of nickel powder was applied (additional wick). The main wick consisted of one layer of nickel mesh No. 004 GOST 6613-86, on both surfaces of which a capillary-porous structure of nickel powder was also applied.
Результаты измерений характеристик данных образцов плоских тепловых труб приведены в таблицах 1 и 2 (соответственно фиг.6 и фиг.7).The measurement results of the characteristics of these samples of flat heat pipes are shown in tables 1 and 2 (respectively Fig.6 and Fig.7).
В таблице 1 представлены тепловые характеристики образцов металлических тепловых труб плоского типа заявляемой конструкции в сравнении с соответствующими характеристиками тепловой трубы, выполненной по а.с. СССР № 1673824 A1 и выбранной в качестве прототипа. При этом при проведении измерений характеристик образцов №1 и №3 перенос тепла осуществлялся в направлении, совпадающем с направлением гофр образующей систему пароотводных каналов пластины. Измерения проводились в диапазоне рабочих температур от (14-16)°С до 60°С при подводимых тепловых потоках 25 Вт и 50 Вт.Table 1 presents the thermal characteristics of the samples of metal heat pipes of a flat type of the claimed design in comparison with the corresponding characteristics of the heat pipe made by A. with. USSR No. 1673824 A1 and selected as a prototype. In this case, when measuring the characteristics of samples No. 1 and No. 3, heat transfer was carried out in the direction coinciding with the direction of the corrugations forming the plate vapor drainage system. The measurements were carried out in the range of operating temperatures from (14-16) ° С to 60 ° С with supplied heat fluxes of 25 W and 50 W.
В таблицах 1 и 2 использованы следующие обозначения: Q -подводимый тепловой поток; qисп - плотность теплового потока в зоне испарения; Δtисп-конд - максимальная разность температур между зонами испарения и конденсации; Тконд - температура поверхности зоны конденсации; Sисп, Sконд - площадь поверхности соответственно зоны подвода (испарения) и зоны отвода (конденсации) тепла; Iисп-конд - расстояние между зонами подвода и отвода тепла.In tables 1 and 2, the following notation is used: Q — supplied heat flux; q isp is the heat flux density in the evaporation zone; Δt isp-cond - the maximum temperature difference between the zones of evaporation and condensation; T cond - the surface temperature of the condensation zone; S isp , S cond is the surface area, respectively, of the supply (evaporation) zone and heat removal (condensation) zone; I isp-cond - the distance between the zones of supply and removal of heat.
В соответствии с данными, приведенными в таблице 1, металлическая тепловая труба плоского типа заявляемой конструкции в сравнении с прототипом имеет существенно более высокую эффективную теплопроводность, т.е. при одних и тех же условиях - одинаковых тепловых потоках и рабочих температурах, обеспечивает более низкую разность температур между зонами испарения и конденсации. Сравнительно высокая эффективная теплопроводность тепловой трубы сохраняется и при достаточно низких для такого теплоносителя как вода рабочих температурах - менее 20°С.In accordance with the data shown in table 1, a flat type metal heat pipe of the claimed design in comparison with the prototype has a significantly higher effective thermal conductivity, i.e. under the same conditions - the same heat fluxes and operating temperatures, provides a lower temperature difference between the zones of evaporation and condensation. Relatively high effective thermal conductivity of the heat pipe is maintained even at operating temperatures sufficiently low for such a coolant as water - less than 20 ° С.
Важно, что при этом наиболее существенный для любой тепловой трубы плоского типа геометрический размер - ее толщина не только не возрастает, но и уменьшается (см. таблицу 1). Причем в заявляемом устройстве доля объема, занимаемого применяемыми для ее изготовления материалами, также существенно меньше, чем в прототипе. Естественно, что при этом удельная масса заявляемого устройства в сравнении с прототипом при изготовлении их из одного и того же материала может быть также значительно меньше.It is important that in this case the geometric size, which is the most significant for any heat pipe of a flat type, is not only its thickness does not increase, but also decreases (see table 1). Moreover, in the inventive device, the proportion of the volume occupied by the materials used for its manufacture is also significantly less than in the prototype. Naturally, in this case, the specific gravity of the claimed device in comparison with the prototype in the manufacture of them from the same material can also be significantly less.
Преимущества заявляемой металлической тепловой трубы плоского типа с фитилем, в состав которого входят специальные каналы (артерии) для транспорта рабочей жидкости (образец №1), в сравнении с тепловой трубой, в которой они отсутствуют (образец №2), наглядно показаны на фиг.8. Максимальная разность температур между зонами испарения и конденсации с увеличением теплового потока для образца тепловой трубы №1 (зависимость 1 на фиг.8) возрастает существенно медленнее, чем для образца №2 ((зависимость 2 на фиг.8).The advantages of the inventive metal heat pipe of a flat type with a wick, which includes special channels (arteries) for transporting the working fluid (sample No. 1), in comparison with a heat pipe in which they are absent (sample No. 2), are clearly shown in FIG. 8. The maximum temperature difference between the zones of evaporation and condensation with increasing heat flux for sample heat pipe No. 1 (
В таблице 2 приведены сравнительные характеристики образцов металлических тепловых труб плоского типа предлагаемой конструкции №1 и №2 при переносе тепла в плоскости тепловой трубы вдоль оси X, ориентированной по длине образцов №1 и №2, и вдоль оси Y. При этом направление оси X для образца №1 совпадало с направлением гофр пластины, образующей систему пароотводных каналов. Для образца №2 направления X и Y равноправны, т.к. его система пароотводных каналов образована двумя гофрированными пластинами, которые размещены одна над другой и ориентированы друг относительно друга под углом (85-95)°.Table 2 shows the comparative characteristics of samples of flat type metal heat pipes of the proposed design No. 1 and No. 2 during heat transfer in the plane of the heat pipe along the X axis, oriented along the length of samples No. 1 and No. 2, and along the Y axis. In this case, the direction of the X axis for sample No. 1 coincided with the direction of the corrugation of the plate forming a system of steam drainage channels. For sample No. 2, the directions X and Y are equal, because its system of steam drainage channels is formed by two corrugated plates that are placed one above the other and are oriented relative to each other at an angle of (85-95) °.
Максимальная тепловая нагрузка для образца №1 при передаче тепла вдоль оси Y составляет 15 Вт. При этом величина максимальной разности температур между зонами испарения и конденсации почти в два раза превышает соответствующее значение Δt при передаче тепла вдоль оси X (соответственно 2,3°С и 1,3°С). В образце №2 перенос тепла осуществляется эффективно как вдоль оси X, так и вдоль оси Y.The maximum thermal load for sample No. 1 during heat transfer along the Y axis is 15 W. In this case, the maximum temperature difference between the evaporation and condensation zones is almost two times higher than the corresponding Δt value during heat transfer along the X axis (2.3 ° C and 1.3 ° C, respectively). In sample No. 2, heat transfer is carried out efficiently both along the X axis and along the Y axis.
Металлическая тепловая труба плоского типа заявляемой конструкции работоспособна и в условиях, когда перенос рабочей жидкости осуществляется в направлении, противоположном действию силы тяжести.A metal heat pipe of a flat type of the claimed design is also operable under conditions when the transfer of the working fluid is carried out in the opposite direction to the action of gravity.
Варианты заявляемого устройства т- и г-образных исполнений удобны в использовании для одновременного отвода тепла сразу от нескольких печатных плат и позволяют обеспечить компактность и низкую массу системы их охлаждения.Variants of the claimed device of T- and L-shaped versions are convenient to use for simultaneous heat removal from several printed circuit boards at once and allow for compactness and low weight of their cooling system.
Применение тепловой трубы предлагаемой конструкции перспективно в летательных аппаратах и в том числе в космической технике.The use of the heat pipe of the proposed design is promising in aircraft, including in space technology.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES
1. Патент США № 6397935 B1, кл. F28D 15/00, дата приоритета 18.12.1996 г.1. US patent No. 6397935 B1, CL. F28D 15/00, priority date 12/18/1996
2. Авторское свидетельство СССР №SU 1673824 A1, кл. F28D 15/02, дата приоритета 07.02.1989 г.2. Copyright certificate of the USSR No.
3. Низкотемпературные тепловые трубы для летательных аппаратов. Под ред. Г.И.Воронина. - Москва: Машиностроение - 1976 г.- 200 с.3. Low temperature heat pipes for aircraft. Ed. G.I. Voronin. - Moscow: Engineering - 1976 - 200 p.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010147662/06A RU2457417C1 (en) | 2010-11-22 | 2010-11-22 | Metal heat pipe of flat type |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010147662/06A RU2457417C1 (en) | 2010-11-22 | 2010-11-22 | Metal heat pipe of flat type |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2010147662A RU2010147662A (en) | 2012-05-27 |
| RU2457417C1 true RU2457417C1 (en) | 2012-07-27 |
Family
ID=46231415
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010147662/06A RU2457417C1 (en) | 2010-11-22 | 2010-11-22 | Metal heat pipe of flat type |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2457417C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU189664U1 (en) * | 2018-10-25 | 2019-05-30 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" | The receiving and transmitting module AFAR with a heat sink base in the form of a flat heat pipe |
| RU2699116C2 (en) * | 2018-01-16 | 2019-09-03 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное объединение "Центротех" (ООО "НПО "Центротех") | Metal thermal heat flow pipe |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1326867A1 (en) * | 1985-10-30 | 1987-07-30 | Предприятие П/Я В-8754 | Flat heat pipe |
| SU1673824A1 (en) * | 1989-02-07 | 1991-08-30 | Уральский политехнический институт им.С.М.Кирова | Flat thermal pipe |
| US6397935B1 (en) * | 1995-12-21 | 2002-06-04 | The Furukawa Electric Co. Ltd. | Flat type heat pipe |
-
2010
- 2010-11-22 RU RU2010147662/06A patent/RU2457417C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1326867A1 (en) * | 1985-10-30 | 1987-07-30 | Предприятие П/Я В-8754 | Flat heat pipe |
| SU1673824A1 (en) * | 1989-02-07 | 1991-08-30 | Уральский политехнический институт им.С.М.Кирова | Flat thermal pipe |
| US6397935B1 (en) * | 1995-12-21 | 2002-06-04 | The Furukawa Electric Co. Ltd. | Flat type heat pipe |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2699116C2 (en) * | 2018-01-16 | 2019-09-03 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное объединение "Центротех" (ООО "НПО "Центротех") | Metal thermal heat flow pipe |
| RU189664U1 (en) * | 2018-10-25 | 2019-05-30 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" | The receiving and transmitting module AFAR with a heat sink base in the form of a flat heat pipe |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2010147662A (en) | 2012-05-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10209009B2 (en) | Heat exchanger including passageways | |
| US11340022B2 (en) | Vapor chamber having pillars with decreasing cross-sectional area | |
| JP6560425B1 (en) | heat pipe | |
| Wadley et al. | Thermal applications of cellular lattice structures | |
| JP2018189349A (en) | Vapor chamber | |
| US7013958B2 (en) | Sintered grooved wick with particle web | |
| US6880626B2 (en) | Vapor chamber with sintered grooved wick | |
| CN100561105C (en) | Heat pipe | |
| JP2021036175A (en) | Vapor chamber | |
| JP6696631B2 (en) | Vapor chamber | |
| TWI633269B (en) | Heat pipe | |
| JP6827362B2 (en) | heat pipe | |
| US20150060021A1 (en) | Heat transfer device and an associated method of fabrication | |
| US20060207751A1 (en) | Heat pipe | |
| US20110174466A1 (en) | Flat heat pipe | |
| US20220099382A1 (en) | Boiling enhancement device | |
| RU2457417C1 (en) | Metal heat pipe of flat type | |
| JP7111266B2 (en) | vapor chamber | |
| TWI644075B (en) | Heat pipe | |
| US20240102743A1 (en) | Performance enhancement in thermal system with porous surfaces | |
| WO2015174423A1 (en) | Cooler and cooling device using same, and cooling method for heating element | |
| WO2018235936A1 (en) | Heat pipe | |
| WO2015133381A1 (en) | Heat regenerator | |
| RU2699116C2 (en) | Metal thermal heat flow pipe | |
| WO2023026896A1 (en) | Thermal diffusion device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20191123 |