Пульсирующая тепловая труба

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Олехнович Валерий Адамович Конев Сергей Владимирович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена им. А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) Пульсирующая тепловая труба, содержащая конденсаторную полость и капиллярный трубопровод, отличающаяся тем, что капиллярный трубопровод имеет перепад сечения внутреннего капиллярного канала, причем перепад сечения расположен в зоне подвода тепла.(56) 1. .., . 11 .., , , . 62, 1999. 2. Конев С.В., Олехнович В.А. Экспериментальное исследование пульсирующей капиллярной тепловой трубы // Тезисы докладов и сообщенийМинский междунар. форум по тепло- и массообмену. - Минск ИТМО НАН Беларуси, 2004. - Т. 2. - С. 50. 29422006.08.30 Полезная модель относится к теплопередающим устройствам с промежуточным теплоносителем, в частности к пульсирующим тепловым трубам и может найти применение в электронике для охлаждения теплонагруженных приборов. Интенсивное развитие микроэлектроники и компьютерной техники сопровождается повышением мощности полупроводниковых чипов и, следовательно, увеличением выделяемой тепловой мощности. Миниатюризация приборов, в свою очередь, ведет к повышению плотности сборки электронного оборудования. В совокупности это требует более эффективных методов охлаждения. Проблема охлаждения, в частности, ограничивает использование более производительных микропроцессоров. Степень интеграции электронного оборудования и электрических плат порой достигает такого уровня, что столь высокие плотности теплового потока невозможно рассеять обычными теплоотводами (кулерами), даже если они оснащены миниатюрными тепловыми трубками. Известна пульсирующая тепловая труба, описанная в работе 1, которая обладает более высокой тепловой мощностью по сравнению с классической тепловой трубой. Это обеспечивается за счет того, что циркуляция теплоносителя внутри трубки осуществляется без помощи капиллярных сил, а в результате пульсирующего движения паровых и жидкостных поршней. Отсутствие капиллярной структуры делает более простой и дешевой технологию изготовления тепловой трубы. Однако конструкция такой тепловой трубы имеет некоторые недостатки. Тепловая труба состоит из множества изогнутых колен и соответственно имеет большой размер испарителя, что ограничивает ее использование в охлаждении микроэлектроники. Наиболее близкой по технической сущности является пульсирующая тепловая труба,описанная в работе 2. Эта тепловая труба содержит конденсатор и капиллярный трубопровод, расположенный ниже конденсатора. Концы трубопровода соединены с конденсатором в нижней части. Конденсатор имеет внутреннюю полость, которая образует связанный объем с капиллярным каналом трубопровода. Тепловая труба представляет собой замкнутый контур, заполненный определенным количеством теплоносителя. В качестве испарителя используется часть трубопровода, к которой осуществляется подвод тепла. Процесс испарения и конденсации в данной тепловой трубе имеет пульсирующий характер, что обеспечивает более интенсивную подачу теплоносителя в зону испарения,по сравнению с фитильными тепловыми трубами. Объем конденсаторной полости, количество заправленного теплоносителя и размер внутреннего капиллярного канала определяют работу тепловой трубы. Внутренний радиус капиллярного канала должен быть соизмерим с радиусом кривизны менисков теплоносителя. Например, при использовании воды в качестве теплоносителя диаметр внутреннего канала должен быть в диапазоне от 0,5 мм до 4 мм. Данная тепловая труба имеет следующие преимущества снимает более высокие плотности теплового потока источник тепла может иметь малые размеры источник тепла может располагаться в любом месте капиллярного трубопровода простота и дешевизна конструкции. Однако, несмотря на перечисленные достоинства, пульсирующая тепловая труба имеет некоторые недостатки. Это связано, в частности, с тем, что капиллярный трубопровод имеет одинаковое сечение внутреннего канала по всей своей длине, что в процессе выхода пульсирующей тепловой трубы на рабочий режим может привести к зависанию парового поршня в зоне испарения, и процесс теплопередачи прекратится. Закупорка зоны испарения связана с тем, что капиллярные силы, действующие на паровой поршень со стороны менисков равны по величине. Это обстоятельство отрицательно сказывается на запуске тепловой трубы и тем самым снижает надежность ее работы. Задачей полезной модели является обеспечение надежности работы пульсирующей тепловой трубы и повышение теплопередающей способности. 2 29422006.08.30 Задача решается за счет того, что в известной пульсирующей тепловой трубе, содержащей конденсатор и капиллярный трубопровод, согласно предлагаемому техническому решению, капиллярный трубопровод имеет перепад сечения внутреннего капиллярного канала. При этом перепад сечения внутреннего капиллярного канала расположен в зоне подвода тепла. Из-за разности сечения расширение пара происходит в направлении части трубопровода с большим сечением внутреннего канала. Такое одностороннее движение теплоносителя способствует увеличению передаваемой тепловой мощности и устраняет эффект закупорки зоны испарения паровым поршнем. Таким образом, обеспечивается стабильность работы тепловой трубы и повышается теплопередача устройства. На рисунке показана схема предлагаемой пульсирующей тепловой трубы. Пульсирующая тепловая труба состоит из конденсатора 1, который представляет собой полость, содержащую теплоноситель 4 и капиллярный трубопровод 2, расположенный ниже конденсатора. Концы трубопровода соединены с конденсатором в нижней части конденсатора. Внутренний капиллярный канал трубопровода 2 образует связанный объем с полостью конденсатора 1. Внутренний капиллярный канал имеет перепад сечения, который находится в зоне подвода тепла. Пульсирующая тепловая труба работает следующим образом. При наличии теплового источника 3 осуществляется нагрев теплоносителя внутри капиллярного канала трубопровода 2. Процесс запуска тепловой трубы сопровождается резким расширением парового поршня в капиллярный канал и конденсаторную полость. При этом происходит охлаждение пара и паровой поршень схлопывается. Капиллярный канал вновь заполняется новой порцией теплоносителя, и процесс повторяется заново. При испарении теплоносителя в канал наличие перепада сечения внутреннего канала, которое находится в паровом поршне, создает разность давления со стороны менисков жидкости,что препятствует зависанию парового поршня в зоне испарения. После того как тепловая труба достигнет рабочего температурного режима, парообразование приобретает непрерывный характер. При этом в части капиллярного трубопровода 2 с меньшим сечением внутреннего канала происходит пульсирующее колебание столба жидкости, а в части с большим сечением внутреннего канала происходит пульсирующее расширение пара в конденсаторную полость, в которой пар конденсируется. Такое одностороннее движение теплоносителя повышает теплопередающую способность тепловой трубы. На рисунке положение менисков жидкости обозначено соответственно а и б. Таким образом, осуществляется испарительно-конденсационный цикл, при котором происходит теплопередача от источника тепла 3 к конденсатору 1. Применение предлагаемой пульсирующей тепловой трубы позволяет создавать более надежные теплоотводы и отводить более значительные плотности теплового потока от источников тепла небольших размеров. Использование предлагаемой пульсирующей тепловой трубы вместо обычных тепловых труб значительно уменьшит стоимость производства теплоотводов. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3