тепловая трубка с принудительной циркуляцией жидкости и тепловая трубка для охлаждения ноутбуков

Формула изобретения

1. Тепловая трубка, состоящая из одного или нескольких тепловоспринимающих участков, одного или нескольких паровых трубопроводов, одного или нескольких жидкостных трубопроводов и одного или нескольких теплоотдающих участков, образующих замкнутую систему, внутри которой находится рабочее тело в виде жидкости и ее паров, отличающаяся тем, что между теплоотдающим участком и жидкостным трубопроводом, подающим жидкость из теплоотдающего участка в тепловоспринимающий участок, расположена перегородка из мелкопористого материала или капиллярный участок трубопровода; начальный участок жидкостного трубопровода, расположенный за перегородкой, снабжен устройством периодического или импульсного нагрева поступающей через перегородку жидкости, а форма и размеры сечения жидкостного трубопровода обеспечивают возможность перемещения парожидкостной смеси по трубопроводу в режиме «снарядного» кипения, при котором порции жидкости перемещаются по трубопроводу вместе с паровыми пробками без расслоения на отдельные паровые и жидкостные потоки.

2. Тепловая трубка по п.1, отличающаяся тем, что тепловоспринимающий участок выполнен с возможностью работы в режиме теплоотдающего участка, а теплоотдающий участок выполнен с возможностью работы в режиме тепловоспринимающего участка.

3. Тепловая трубка по п.1, отличающаяся тем, что форма сечения жидкостного трубопровода приближена к округлой, а диаметр трубопровода поддерживается минимальным.

4. Тепловая трубка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве устройства периодического или импульсного нагрева жидкости, находящейся в начале жидкостного трубопровода, применен электрический нагреватель.

5. Тепловая трубка по п.4, отличающаяся тем, что электрический нагреватель выполнен многозонным, с возможностью выборочного нагрева различных участков жидкостного трубопровода,

6. Тепловая трубка по п.1, отличающаяся тем, что качестве устройства периодического нагрева жидкости, поступающей через пористую перегородку, применена вспомогательная тепловая трубка с внутренним капиллярно-пористым фитилем, периодически нагреваемая внешним устройством либо постоянно нагреваемая, но выполненная с возможностью периодического контакта с данной жидкостью.

7. Тепловая трубка по п.6, отличающаяся тем, что тепловоспринимающий конец вспомогательной тепловой трубки расположен в нагреваемой зоне заявленной тепловой трубки, а теплоотдающий конец расположен в верхней зоне расширительной полости, расположенной между перегородкой и жидкостным трубопроводом, и находится внутри теплоизолированного стакана, выполненного с возможностью периодического его заполнения порцией жидкости, поступающей в расширительную емкость через пористую перегородку; начало жидкостного трубопровода расположено в нижней зоне расширительной полости.

8. Тепловая трубка по п.1, отличающаяся тем, что тепловоспринимающие участки тепловой трубки имеют форму теплосъемников, выполненных с возможностью плотного теплового контакта с охлаждаемыми устройствами,

9. Тепловая трубка по п.1, отличающаяся тем, что теплоотдающие участки тепловой трубки имеют форму радиаторов или теплообменников со значительной поверхностью теплоотдачи.

10. Тепловая трубка для охлаждения мобильных компьютеров, состоящая из одного или нескольких тепловоспринимающих участков, размещенных на охлаждаемых элементах, одного или нескольких паровых трубопроводов, нескольких жидкостных трубопроводов и теплоотдающего участка, расположенного в нижней зоне корпуса компьютера, образующих замкнутую систему, внутри которой циркулирует рабочее тело в виде жидкости и ее паров, отличающаяся тем, что теплоотдающий участок выполнен в виде плоского тонкостенного герметичного корпуса, внутри которого вдоль каждой его стороны расположены один или несколько каналов для сбора сконденсированной жидкости, сообщающиеся с внутренней полостью корпуса через перегородку из мелкопористого материала; каждый канал имеет свободный выход в жидкостный трубопровод; каждый канал снабжен одним или несколькими электронагревательными элементами, а форма и размеры сечения жидкостного трубопровода обеспечивают возможность перемещения парожидкостной смеси по трубопроводу в режиме «снарядного» кипения, при котором порции жидкости перемещаются по трубопроводу вместе с паровыми пробками без расслоения на отдельные паровые и жидкостные потоки.

11. Тепловая трубка по п.10, отличающаяся тем, что внутри корпуса расположена трехмерная решетка или комплекс перегородок, образующие каналы для прохода паров рабочего тела и препятствующие изменению формы корпуса под действием внешнего или внутреннего давления.

12. Тепловая трубка по п.10, отличающаяся тем, что количество жидкостных трубопроводов, соединяющих каналы для сбора сконденсированной жидкости с каждым тепловоспринимающим участком тепловой трубки, обеспечивает возможность подачи жидкости с любой из сторон корпуса теплоотдающего участка, находящейся ниже других, в зависимости от угла наклона корпуса.

13. Тепловая трубка по п.12, отличающаяся тем, что число трубопроводов, отводящих жидкость от теплоотдающего участка к каждому тепловоспринимающему участку тепловой трубки, соответствует числу сторон корпуса.

14. Тепловая трубка по п.10, отличающаяся тем, что электронагревательные элементы размещены вдоль всей длины канала для сбора сконденсированной жидкости и выполнены с возможностью работы в многозонном импульсном режиме.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для передачи значительных потоков теплоты от устройства к устройству, от окружающей среды к устройству или, наоборот, от устройства к окружающей среде, в частности может быть использовано для охлаждения тепловыделяющих элементов компьютера.

Известно теплопередающее устройство замкнутого испарительного охлаждения, состоящее из одного или нескольких тепловоспринимающих участков, одного или нескольких паровых трубопроводов, теплоотдающего участка и одного или нескольких жидкостных трубопроводов, образующих замкнутую систему, внутри которой находится рабочее тело в виде жидкости и ее паров (RU 2255437 от 27.06.2005 г.). Техническое название данного устройства "тепловая трубка". Жидкость, находящаяся в тепловоспринимающем участке устройства, под действием поступающего через теплопроводящие стенки участка тепла вскипает, поглощая поступающую тепловую энергию. Образующиеся пары по паровому трубопроводу под действием температурного перепада давлений поступают в теплоотдающий участок устройства, в котором конденсируются, передавая теплоту конденсации через теплопроводящие стенки участка окружающей среде либо теплоотводящему устройству. Сконденсированная жидкость под действием силы тяжести по жидкостному трубопроводу возвращается в тепловоспринимающий участок, замыкая цикл теплопередачи. Вариантом данного устройства является устройство с совмещенным паровым и жидкостным трубопроводом, при работе которого жидкость и пар движутся по одному и тому же трубопроводу навстречу друг другу. Недостатком данного устройства является необходимость размещения теплоотдающего участка выше уровня тепловоспринимающего участка для обеспечения возвращения сконденсированной жидкости под действием силы тяжести.

Для преодоления этого недостатка применяют тепловую трубку, в которой жидкость из теплоотдающего участка в тепловоспринимающий участок возвращается под действием капиллярных сил по капиллярно-пористому фитилю, проложенному внутри парового трубопровода. Недостатком данного устройства является малая объемная скорость возврата жидкости, снижение полезного сечения парового трубопровода, трудность распределения возвращаемой жидкости по поверхности тепловоспринимающего участка и сложность регулирования тепловой производительности тепловой трубки.

Применение динамического оборудования для возврата жидкости из зоны конденсации в зону испарения позволяет регулировать производительность теплового потока, обеспечиваемого тепловой трубкой, в прямом и обратном направлениях, но приводит к усложнению конструкции тепловой трубки и снижает ее герметичность ("Тепловые трубы". Сб., пер. с англ. и нем. под ред. Э.Э.Шпильрайна. М. 1972; "Идеализация технических систем" Ю.П.Саламатов. Красноярск, 2000).

Целью изобретения является обеспечение возможности регулируемого возврата жидкости по жидкостному трубопроводу из теплоотдающей зоны тепловой трубки в тепловоспринимающую зону без применения динамического оборудования и при любом расположении данных зон относительно друг друга.

Поставленная цель достигается тем, что между теплоотдающей зоной и жидкостным трубопроводом расположена перегородка из мелкопористого материала или капиллярный участок трубопровода, нижний участок жидкостного трубопровода снабжен устройством периодического или импульсного нагрева поступающей через перегородку в трубопровод жидкости, а форма и размеры сечения жидкостного трубопровода обеспечивают возможность перемещения парожидкостной смеси в режиме "снарядного" кипения, при котором порции жидкости перемещаются по трубопроводу вместе с паровыми пробками без расслоения на отдельные паровые и жидкостные потоки. Для этого форма сечения жидкостного трубопровода приближена к округлой, а диаметр трубопровода поддерживается минимальным.

Вместо перегородки из мелкопористого материала может быть применен капиллярный участок жидкостного трубопровода или дроссельное отверстие.

Предпочтительно в качестве устройства периодического или импульсного нагрева жидкости, находящейся в начале жидкостного трубопровода, применен электрический нагреватель.

Предпочтительно нагреватель выполнен многозонным, с возможностью выборочного нагрева различных участков жидкостного трубопровода.

Для обеспечения возможности регулирования работы тепловой трубки в прямом и обратном направлении каждая зона тепловой трубки, которая может работать в режиме конденсации, оборудована пористой перегородкой на входе в трубопровод отвода жидкости из данной зоны в испарительную зону и нагревателем.

В качестве устройства периодического нагрева жидкости в жидкостном трубопроводе, может быть применена вспомогательная тепловая трубка с внутренним капиллярно-пористым фитилем, периодически нагреваемая внешним устройством либо выполненная с возможностью периодического контакта с жидкостью, поступающей через пористую перегородку в жидкостный трубопровод, В последнем случае тепловоспринимающий конец вспомогательной тепловой трубки располагают в той же нагреваемой зоне, где расположен тепловоспринимающий конец заявленной тепловой трубки, а теплоотдающий конец выводят в верхний участок расширительной полости, расположенной между мелкопористой перегородкой на выходе из теплоотдающей зоны заявленной тепловой трубки и жидкостным трубопроводом. Теплоотдающий конец вспомогательной трубки помещают внутрь теплоизолированного стакана, размещенного в этой же полости. Начало жидкостного трубопровода располагают в нижнем участке расширительной полости. При заполнении полости жидкостью, проникающей в расширительную полость через пористую перегородку, жидкость переливается через край стакана и контактирует с теплоотдающим концом тепловой трубки, в результате чего осуществляется нагрев и вскипание жидкости, попавшей внутрь стакана.

Предпочтительно тепловоспринимающие участки тепловой трубки имеют форму теплосъемников, выполненных с возможностью плотного теплового контакта с охлаждаемым устройством.

Предпочтительно теплоотдающие участки тепловой трубки имеют форму радиаторов или теплообменников со значительной поверхностью теплоотдачи.

В качестве варианта предложена тепловая трубка для охлаждения мобильных компьютеров, теплоотдающий участок которой выполнен в виде плоского тонкостенного герметичного корпуса, внутри которого вдоль каждой его стороны расположены один или несколько каналов для сбора сконденсированной жидкости, сообщающиеся с внутренней полостью корпуса через перегородку из мелкопористого материала. Один из концов каждого канала глухой, а второй имеет свободный выход в жидкостный трубопровод, подающий жидкость в соответствующий тепловоспринимающий участок. Внутри каждого канала расположены один или несколько электронагревательных элементов. Электронагревательные элементы размещены вдоль всей длины каналов для сбора сконденсированной жидкости и предпочтительно выполнены с возможностью регулируемого многозонального нагрева. Возможен вариант размещения электронагревательных элементов снаружи корпуса с возможностью нагрева соответствующих каналов через теплопроводящую стенку корпуса.

Количество жидкостных трубопроводов, соединяющих каналы для сбора сконденсированной жидкости с каждым тепловоспринимающим участком тепловой трубки, обеспечивает возможность подачи в них жидкости с любой из нижерасположенных сторон корпуса теплоотдающего участка, в зависимости от угла наклона корпуса. Предпочтительно число трубопроводов, отводящих жидкость от теплоотдающего участка к каждому тепловоспринимающему участку тепловой трубки, соответствует числу сторон корпуса.

Внутри плоского теплоотдающего корпуса расположена трехмерная решетка или комплекс перегородок с проемами, образующими каналы для прохода паров рабочего тела, препятствующие изменению формы корпуса под действием внешнего или внутреннего давления.

Использование заявленного изобретения позволит получить следующий технический результат.

Устройство позволит обеспечить возврат жидкости из зоны конденсации в зону кипения против сил гравитации по трубопроводу без применения динамического оборудования, только за счет периодических дозированных затрат тепловой энергии. При этом количество тепловой энергии, затрачиваемой на перемещение жидкости, составляет доли процента от количества тепловой энергии, передаваемой тепловой трубкой.

Устройство позволит обеспечить возврат жидкости за счет того же теплового поля, за счет которого осуществляется поступательное движение паров.

Устройство позволит обеспечить возврат жидкости из одной зоны конденсации в несколько зон испарения с возможностью регулирования величины каждого жидкостного потока при помощи соответствующего количества электронагревательных устройств малой мощности и выбора режима их работы.

Устройство позволит обеспечить работу тепловой трубки прямом и/или в обратном направлении, с возможностью широкой регулировки величины жидкостного потока и, соответственно, обратного парового потока, вплоть до полного прекращения теплопередачи.

Применение заявленной конструкции теплоотдающего участка тепловой трубки (радиатора), предназначенной для мобильных компьютеров, позволит совместить радиатор с нижней крышкой корпуса мобильного компьютера и обеспечить принудительную подачу жидкости из радиатора в тепловоспринимающие участки тепловой трубки (теплосъемники) при любом положении компьютера в пространстве.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан вариант конструкции тепловой трубки, выполненной с возможностью регулирования теплопередачи в прямом и обратном направлении; на фиг.2 показан вариант конструкции разветвленной тепловой трубки с одним радиатором и двумя теплосъемниками, тепловая производительность которых регулируется при помощи электронагревательных устройств; на фиг.3 показан вариант конструкции тепловой трубки с одной охлаждаемой и одной нагреваемой зоной, возврат жидкости в которую осуществлен при помощи нагрева вспомогательной тепловой трубкой; на фиг.4 показан вариант конструкции радиатора разветвленной тепловой трубки, предназначенной для охлаждения мобильного компьютера; на фиг.5 схематически показана часть радиатора, изображенного на фиг.4, в разрезе.

Конструкция тепловой трубки, изображенной на фиг.1, состоит из корпуса 1, двух пористых перегородок 2 и 15, двух жидкостных трубопроводов 3 и 16, двух импульсных нагревателей 4 и 17, теплоизолятора 5, в нагреваемом и охлаждаемом конце трубки находится жидкое рабочее тело 6.

Конструкция разветвленной тепловой трубки, изображенной на фиг.2, состоит из двух теплосъемников 8, двух паровых трубопроводов 7, радиатора 9, двух пористых перегородок 2 и двух электронагревателей 4.

Конструкция тепловой трубки, изображенной на фиг.3, состоит из вертикального корпуса 1, пористой перегородки 2, жидкостного трубопровода 3, расширительной емкости 12, вспомогательной тепловой трубки 10, теплоизолятора 5, теплоизолированного стакана 11 и кольцевой емкости 13.

Конструкция радиатора тепловой трубки, изображенной на фиг.4, 5 состоит из плоского прямоугольного корпуса 9, пористых перегородок 2, образующих каналы 14, электронагревателей 4.

Работа тепловой трубки, изображенной на фиг.1, осуществлена следующим образом. При передаче теплоты из нижнего участка тепловой трубки в верхний участок жидкость 6, находящаяся в нагреваемом нижнем конце трубки 1 кипит, поглощая поступающую теплоту. Пары под действием температурного перепада давлений перемещаются в верхний конец трубки, где конденсируются на охлаждаемом конце трубки и в виде жидкости собираются в верхнем участке трубки. Жидкое рабочее тело через пористую перегородку 2 поступает в начальный участок жидкостного трубопровода 3 и постепенно его заполняет, вплоть до выравнивания уровней в трубопроводе и в начальном участке тепловой трубки. После полного или частичного заполнения жидкостью данный участок трубопровода 3 нагревается при помощи импульсного нагревательного устройства 4, защищенного теплоизолятором 5. Жидкость, находящаяся в трубопроводе, вскипает, после чего порция жидкости вместе с образующимися парами по трубопроводу 3 поступает в нижний конец тепловой трубки, замыкая цикл рабочего тела. Возвращению парожидкостной смеси обратно в верхний участок тепловой трубки препятствует пористая перегородка 2. Нагрев импульсного нагревательного устройства 4 прекращают, после чего жидкое рабочее тело из верхнего участка тепловой трубки вновь заполняет начальный участок трубопровода 3. Для продолжения работы тепловой трубки цикл передачи порции жидкости вновь повторяют. При необходимости прекратить теплопередачу, прекращают подачу порций жидкости из верхнего конденсационного участка тепловой трубки в нижний испарительный участок. Жидкость в нагреваемом нижнем участке полностью выкипает, после чего процесс теплопередачи прекращается. При необходимости возобновить теплопередачу, возобновляют подачу порций жидкости из верхнего участка тепловой трубки в нижний участок. Регулируя количество жидкости в каждой порции и частоту подачи порций жидкости при помощи регулировки мощности импульсов теплового потока, вырабатываемого нагревательным устройством 4 и частоты данных импульсов, можно регулировать мощность теплопередачи, обеспечиваемую тепловой трубкой. Так как управляющий тепловой поток, создаваемый нагревательным устройством 4, на несколько порядков меньше теплового потока, передаваемого тепловой трубкой, работу данного устройства можно представить как аналог работы электрического транзистора только в отношении тепловых потоков.

Данная тепловая трубка может работать аналогичным образом и в обратном направлении, для чего в ее конструкции предусмотрены пористая перегородка 15, жидкостный трубопровод 16 и нагреватель 17, работающие вышеописанным способом.

Работа разветвленной тепловой трубки, изображенной на фиг.2, осуществлена следующим образом. Жидкое рабочее тело 6, находящееся в теплосъемнике 8, кипит, отбирая теплоту от охлаждаемого устройства. Пары по паровому трубопроводу 7 поступают в радиатор 9, в котором конденсируются, отдавая теплоту конденсации через стенки радиатора окружающей среде. Сконденсированная жидкость из радиатора через пористую перегородку 2 поступает в начальный участок жидкостного трубопровода 3, постепенно заполняя участок вплоть до выравнивания уровней в трубопроводе и радиаторе. Включают импульсное нагревательное устройство 4. Под действием полученной порции теплоты жидкое рабочее тело в трубопроводе 3 вскипает, вследствие чего парожидкостная смесь по трубопроводу поступает в теплосъемник 8, замыкая цикл рабочего тела. Регулируя частоту срабатывания и мощность импульсного нагревательного устройства 4, регулируют подачу порций жидкости в теплосъемник 8.

Работа второго тешюсъемника данного устройства осуществляется аналогичным образом. Число теплосьемников у данной разветвленной трубки может быть неограниченным, причем все они могут работать независимо друг от друга.

Работа тепловой трубки, изображенной на фиг.3, осуществлена следующим образом. Жидкое рабочее тело, находящееся в кольцевой емкости 13, под действием поступающей теплоты кипит, поглощая поступающую к верхнему концу трубки 1 теплоту. Образующиеся пары рабочего тела под действием температурного перепада давлений перемещаются в нижнюю зону тепловой трубки 1, где конденсируются, отдавая теплоту конденсации стенкам охлаждаемого нижнего конца трубки. Сконденсированная жидкость через пористую перегородку 2 за счет разности уровней постепенно заполняет расширительную емкость 12. При достижении определенного уровня жидкость, находящаяся в расширительной емкости 12, перетекает через край теплоизолированного стакана 11 и начинает контактировать с нагретым нижним концом вспомогательной тепловой трубки 10 с внутренним фитилем из капиллярно-пористого материала. Вспомогательная тепловая трубка 10 передает теплоту от того же нагревательного устройства или среды, что и основная тепловая трубка 1, однако за счет того, что у нее отсутствуют охлаждаемые участки, температура рабочего тела внутри вспомогательной трубки 10 поддерживается выше температуры рабочего тела в основной трубке. Для уменьшения тепловых потерь через пар, большая часть трубки 10 теплоизолирована трубчатым теплоизолятором 5. При контакте рабочего тела, перелившегося через край теплоизолированного стакана 11 с нагретым нижним концом вспомогательной трубки 10 происходит вскипание жидкого рабочего тела с образованием паров. Давление внутри расширительной емкости резко возрастает, в результате чего образующиеся пары выдавливают жидкое рабочее тело, находящееся в расширительной емкости, по жидкостному трубопроводу 3 в кольцевую емкость 13. Пористая перегородка 2, расположенная между теплоотдающим участком и жидкостным трубопроводом, препятствует возврату жидкости или поступлению паров в теплоотдающий участок. После снижения уровня жидкости в расширительной емкости 12 до нижнего края жидкостного трубопровода 3, из расширительной емкости по жидкостному трубопроводу сбрасывается избыток паров рабочего тела. После того, как жидкость, попавшая в теплоизолированный стакан 11, полностью выплеснется или испарится, выработка паров прекратится, давление паров внутри расширительной емкости 12 сравняется с давлением паров снаружи расширительной емкости, в результате чего расширительная емкость вновь начнет заполняться жидким рабочим телом через пористую перегородку 2. Таким образом, циклически осуществляется возврат жидкого рабочего тела из зоны конденсации, расположенной в нижней части тепловой трубки 1, в зону испарения, расположенную в верхней части тепловой трубки. При переполнении кольцевой емкости 13 кипящая жидкость начнет смачивать верхнюю зону вспомогательной тепловой трубки 10, охлаждая ее и временно прекращая действие циклического нагнетателя.

При перемене зон нагрева и охлаждения местами тепловая трубка 1 начинает работать как обычный термосифон. Жидкость, находящаяся в нижней зоне тепловой трубки под действием поступающего тепла кипит, образующиеся пары поднимаются в охлаждаемую верхнюю зону тепловой трубки, где конденсируются и под действием силы тяжести возвращаются вниз.

Работа радиатора тепловой трубки, изображенной на фиг.4, 5, осуществлена следующим образом. Корпус радиатора 9 выполнен в виде тонкого параллелепипеда. Для сохранения формы под действием внешнего давления (при рабочем давлении в тепловой трубке ниже атмосферного давления во всем диапазоне температур), внутри корпуса размещена трехмерная решетка, препятствующая смыканию стенок корпуса под действием внешнего давления, и позволяющая парам рабочего тела, поступающим из теплосъемников по паровым трубопроводам внутрь радиатора, свободно распределяться по внутреннему объему радиатора. В случае, если рабочее давление внутри тепловой трубки во всем или в некотором интервале рабочих температур превышает атмосферное давление, вместо трехмерной решетки применены внутренние перегородки с проемами. Корпус радиатора может выполнять функцию нижней крышки мобильного компьютера.

Внутри корпуса радиатора вдоль каждой из его сторон расположены пустотелые каналы 14 небольшого сечения, стенки которых полностью или частично изготовлены из капиллярно-пористого материала 2. Число каналов возле каждой стенки соответствует числу теплосъемников компьютера, в данном примере по три канала вдоль каждой из четырех сторон. Один из концов каждого канала глухой, а второй соединен с одним из жидкостных трубопроводов, отводящих жидкое рабочее тело к соответствующему теплосъемнику. Внутри каждого канала вдоль всей его длины размещены электронагревательные элементы 4.

Пары рабочего тела, поступающие в радиатор 9 из теплосъемников, конденсируются, отдавая теплоту конденсации окружающей среде через стенки радиатора. Сконденсированная жидкость 6 под действием силы тяжести или поступающего парового потока скапливается возле одной или нескольких сторон радиатора 9 и поступает через капиллярно-пористую перегородку 2 в каналы 14, расположенные вдоль этих сторон, заполняя внутреннюю полость каналов. После полного или частичного заполнения каналов включают электронагревательные элементы 4, в результате чего часть жидкости, заполняющей каналы 14, испаряется. Образующиеся водяные пары выталкивают неиспарившуюся жидкость по жидкостному трубопроводу в соответствующий теплосъемник, после чего нагрев электронагревательных элементов 4 прекращают. Освободившийся канал 14 вновь начинает заполняться жидкостью. Регулируя частоту срабатывания электронагревательных элементов соответствующего канала, регулируют подачу жидкости в каждый из трех теплосъемников данной тепловой трубки.