RU2183310C1 - Устройство термостабилизации - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к устройствам для поддержания постоянной температуры (термостатирования) рабочих объектов и может быть использовано, например, в электронике, атомной энергетике, холодильной технике, фармацевтике, в системах очистки газов, на транспорте и в агротехнологиях хранения продуктов. Устройство термостабилизации содержит заполненный рабочим телом герметичный корпус с расположенными на его противоположных концах участками теплоотвода и теплоподвода, соединенными капиллярным насосом, выполненным в виде многослойного пористого фитиля с различными размерами пор в слоях. Рабочее тело содержит компонент, способный переходить из жидкой фазы в газообразную при рабочих температуре и давлении. По крайней мере один из слоев капиллярного насоса выполнен в виде адсорбента рабочего тела. Использование изобретения позволит обеспечить высокую устойчивость к колебаниям тепловых условий работы устройства, расширить возможность его применения. 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к устройствам для поддержания постоянной температуры (термостатирования) рабочих объектов и может быть использовано, например, в электронике, атомной энергетике, холодильной технике, фармацевтике, в системах очистки газов, на транспорте и в агротехнологиях хранения продуктов и т.п.

Известны устройства термостатирования на основе так называемых тепловых труб и тепловых насосов, обеспечивающих подвод или отвод тепла от рабочих объектов с помощью рабочего тела, помещенного в замкнутый контур и претерпевающего фазовые изменения в процессах охлаждения и нагрева, протекающих при этом с большой интенсивностью, что и обеспечивает высокую эффективность таких устройств. Известна, в частности, тепловая труба, содержащая герметичный корпус, выложенный изнутри капиллярным фитилем, соединяющим во внутренней полости участки теплоподвода (испарения) и теплоотвода (конденсации), расположенные на противоположных концах корпуса. Для повышения возможностей терморегулирования внутрь полости корпуса в зоне участка теплоподвода введен дополнительный герметичный объем, заполненный неконденсирующимся газом и способный к расширению и сжатию при изменении давления рабочего тела, заполняющего основную полость, тем самым регулируя объем рабочего тела и его тепловые параметры (температуру и давление), противодействуя их отклонениям от заданных рабочих значений (патент CШA 4799537, с приоритетом от 13 октября 1987 г., MKИ F 28 D 15/02).

Известная конструкция требует создания хорошей герметизации между основной полостью и дополнительным объемом. Кроме того, дополнительный объем способен регулировать давление в основной полости с достаточной эффективностью только при отсутствии разнонаправленных температурных изменений в основной и дополнительной полостях, что может возникнуть в силу запаздывания термовыравнивания при колебаниях внешней тепловой нагрузки устройства.

Известна также тепловая труба, в которой регулирование объема внутренней полости происходит путем присоединения дополнительной полости, расположенной внутри упругого сильфона, пружинящее действие которого противодействует отклонению давления рабочего тела, а значит и его рабочей температуре фазового изменения (патент США 4387762, с датой приоритета 22 мая 1980 г., МКИ F 28 D 15/00). Недостатком этого устройства также является слабая чувствительность к изменениям давления рабочего тела, а также возможность потери упругих свойств сильфона при температурном отжиге в процессе эксплуатации.

Известна также тепловая труба, выход за пределы допустимого диапазона рабочих значений температуры которой предотвращается за счет подбора рабочих тел в составных элементах устройства такими, что при достижении минимального уровня температуры рабочее тело переходит в твердофазное состояние (замерзает), что останавливает циркуляцию рабочего тела и функционирование устройства, а при достижении максимально допустимой температуры происходит плавление и включение тем самым в процесс теплоотвода еще одного рабочего тела, что увеличивает отбор тепла и снижает возможность перегрева устройства (патент США 5195575, с приоритетом от 9 апреля 1991 г., МКИ F 28 D). В этом устройстве принятое техническое решение реализуется путем выбора рабочего тела по его температуре фазового перехода (солидус или ликвидус), что не всегда совпадает с выбором рабочего тела по критерию наиболее эффективной передачи тепла. Это противоречие, в свою очередь, ухудшает рабочие характеристики устройства, увеличивая его габариты и материалоемкость, снижает производительность.

Известна также тепловая труба, в которой вероятность ее повреждения при замерзании рабочего тела, вызываемого охлаждением окружающего пространства, уменьшается путем добавления в состав рабочего тела низкокипящих компонентов, в частности при использовании в качестве рабочего тела воды добавлением 1-7.5% этанола (патент США 4664181, с приоритетом от 23 декабря 1985 г., МКИ F 28 D 15/00). В этом устройстве также решение задачи терморегулирования путем изменения состава рабочего тела приводит к ухудшению тепловой производительности устройства при рабочих условиях.

Известно также устройство термостабилизации, содержащее заполненный рабочим телом герметичный корпус, с расположенными на противоположных концах которого участками теплоотвода и теплоподвода, соединенными капиллярным насосом, выполненным в виде многослойного пористого фитиля с различными размерами пор в слоях, рабочее тело содержит компонент, способный переходить из жидкой фазы в газообразную при рабочих температуре и давлении (патент США 4108239, с датой приоритета 22 марта 1976 г., МКИ F 28 D 15/00).

Это устройство обладает возможностью выбора эффективного рабочего тела и обеспечения повышенной производительности устройства при рабочей температуре за счет снижения возможности блокировки капиллярного насоса образующимися при кипении рабочего тела пузырями.

В этой конструкции возможности термостабилизации ограничены в связи с относительно низкой тепловой инерцией устройства, что снижает устойчивость поддержания заданных рабочих значений температуры рабочего объекта при колебаниях его тепловой нагрузки (нагрев или охлаждение) или при изменении температуры сброса или подвода тепла.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, - обеспечение высокой устойчивости к колебаниям тепловых условий работы устройства, расширение возможностей его применения.

Для достижения указанного технического результата в известном устройстве термостабилизации, содержащем заполненный рабочим телом герметичный корпус, с расположенными на его противоположных концах участками теплоотвода и теплоподвода, соединенными капиллярным насосом, выполненным в виде многослойного пористого фитиля с различными размерами пор в слоях, причем рабочее тело содержит компонент, способный переходить из жидкой фазы в газообразную при рабочих температуре и давлении, согласно изобретению по крайней мере один из слоев капиллярного насоса выполнен в виде адсорбента рабочего тела.

Адсорбент может быть размещен в участке теплоотвода.

Адсорбент может быть размещен в участке теплоподвода.

Адсорбент может быть размещен между участками теплоподвода и теплоотвода.

Адсорбент может быть выполнен из материала, выбранного из группы, включающей активированный уголь, или природный цеолит, или синтетический цеолит, или силикагель, или из материалов молекулярных сит.

Адсорбент может быть размещен в участках теплоотвода и теплоподвода, причем на разных участках адсорбент может быть образован из материалов, обладающих различной поглощающей способностью по отношению к рабочему телу.

Адсорбент может быть выполнен в виде слоя, нанесенного на металлическую основу.

Адсорбент может быть выполнен гидроизолированным от примыкающего к нему слоя капиллярного насоса, насыщаемого жидкой фазой рабочего тела.

Один из компонентов рабочего тела может быть выбран с более высоким значением поглощения в адсорбенте.

Рабочее тело может быть выбрано из группы, включающей воду, или аммиак, или этанол, или метанол, или диоксид серы, или углеводороды, или фторуглероды, или диоксид углерода.

Герметичный корпус может быть выполнен составным и включать элементы различной формы.

За счет применения указанного устройства термостабилизации, а также его выполнения из заполненного рабочим телом герметичного корпуса, с расположенными на его противоположных концах участками теплоотвода и теплоподвода, соединенными капиллярным насосом, выполненным в виде многослойного пористого фитиля с различными размерами пор в слоях, рабочего тела, содержащего компонент, способный переходить из жидкой фазы в газообразную при рабочих температуре и давлении, выполнения по крайней мере одного из слоев капиллярного насоса в виде адсорбента рабочего тела удалось решить поставленную задачу с достижением технического результата.

Преимущества, а также особенности настоящего изобретения станут понятными во время последующего рассмотрения приведенных ниже лучших вариантов осуществления изобретения со ссылкой на чертеж.

На чертеже изображено устройство термостабилизации.

Устройство термостабилизации содержит герметичный корпус 1 с расположенными на его противоположных концах участками теплоотвода 2 и теплоподвода 3, соединенными капиллярным насосом 4, выполненным в виде многослойного пористого фитиля с различными размерами пор в слоях, рабочее тело (не показано) и адсорбент 5, выполненный в виде слоя капиллярного насоса 4 и размещенный в данном варианте между участками теплоотвода 2 и теплоподвода 3. Участки теплоотвода 2 и теплоподвода 3 находятся в тепловом контакте соответственно с внешней охлаждающей емкостью 6 и рабочим объектом 7.

Слой адсорбента 5 может быть помещен вместе с капиллярным насосом 4 внутрь герметичного корпуса 1 как в насыщенном рабочим телом состоянии, так и обезгаженным. В обоих случаях в корпус 1 заправляется заданное количество рабочего тела заданного состава либо в жидкой фазе, либо в виде газа, после чего корпус 1 герметизируется.

На чертеже показана также слоистая структура капиллярного насоса 4, обеспечивающая подачу жидкой фазы рабочего тела к участку теплоподвода 3, где происходит кипение рабочего тела, сопровождающееся отбором тепла от рабочего объекта 7.

В представленной на чертеже конструкции слой адсорбента 5 не участвует непосредственно в процессах кипения рабочего тела в участке теплоподвода 3 и конденсации паров рабочего тела в участке теплоотвода 2, хотя возможны и варианты размещения адсорбента 5 в одном из перечисленных выше или в обоих участках. В последнем случае целесообразно выбрать материал адсорбента с различной поглощающей способностью слоев адсорбента, размещаемых в различных участках. При этом могут различаться также и толщина слоев, их плотность и пористость.

Целесообразно также выполнить адсорбент 5 гидроизолированным от примыкающего к нему слоя капиллярного насоса 4, насыщаемого жидкой фазой рабочего тела, подаваемой капиллярными силами в участок теплоподвода 3. В таком варианте адсорбент 5 поглощает только паровую фазу рабочего тела, что снижает влияние адсорбента 5 на гидравлические характеристики капиллярного насоса 4.

Герметичный корпус 1 может быть выполнен составным и включать элементы различной формы, что, в частности, позволяет вписывать устройство термостабилизации в сложные конструкции рабочего объекта 7 (например, электронные приборы) и/или сложные коммуникации внешней охлаждающей емкости 6. Целесообразно также снабдить внешние стенки корпуса 1 различного рода интенсифицирующими теплообмен элементами (ребра, соты и т.д.) и/или нанесенными пористыми металлическими или керамическими покрытиями (не показаны).

Работает устройство следующим образом.

В режиме хранения, например, на складе изотермичность внешних условий и отсутствие теплового контакта с выделяющим тепло рабочим объектом не вызывают фазовых изменений рабочего тела и, следовательно, его циркуляции внутри корпуса 1.

При этом давление и температура рабочего тела могут быть как выше (например, если рабочие параметры соответствуют криогенному рабочему объекту), так и ниже рабочих значений. В первом случае рабочее тело в режиме хранения находится в газовой фазе, во втором случае - в жидкой фазе. В первом случае возможно и целесообразно часть рабочего тела или его соответствующий компонент сорбировать в адсорбенте 5, предотвращая избыточное давление газовой фазы криогенного рабочего тела и снижая тем самым толщину стенок корпуса 1 и его материалоемкость. Физические свойства рабочего тела, особенно теплота испарения, поверхностное натяжение, плотность и вязкость жидкости, определяют теплоотводящую способность устройства. Так как эти свойства зависят от температуры, то и характеристики устройства, работающего с заданным составом рабочего тела, также зависят от температуры, поэтому конкретная жидкость будет наиболее эффективно работать в определенном температурном диапазоне. Подбором компонентов рабочего тела и состава адсорбента 5 можно выбрать наибольшую производительность устройства для заданных рабочих значений. Тепловой поток определяется и ограничивается предельной способностью по всасыванию структуры капиллярного насоса 4 (фитиля), конфигурацией его ячеек и свойствами жидкости. Капиллярный насос 4 может быть выполнен из спекаемых частиц, тканых сеток, стеклянных волокон, сочетания продольных, спиральных и других канавок или путем комбинации указанных структур
Конструктивно адсорбент 5 может фиксироваться в капиллярном насосе 4 с помощью сетки, например, аналогичной капиллярной сетке, либо в виде спеченных керамических элементов, либо в виде засыпки мелких гранул между пористыми стенками и другими известными техническими решениями.

Термическое сопротивление устройства определяется не только интенсивностью процессов в участках теплоотвода 2 и теплоподвода 3, но и крутизной линии насыщения рабочего тела dР/dT, где Р - давление, Т - температура, при заданном температурном уровне, которая связывает внешнее гидравлическое сопротивление контура с разностью температур между впитывающей и испаряющей поверхностями капиллярного насоса 4. Значение этого фактора особенно возрастает при малоинтенсивном подводе тепла, характерном для терморегулирования электронных рабочих объектов. Максимальное значение dP/dT имеет рабочее тело вблизи критической точки, где резко уменьшается поверхностное натяжение рабочего тела и исчезает движущая сила - капиллярное давление. Разрешить это противоречие можно как за счет выполнения капиллярного насоса 4 из слоя мелкопористой структуры с размерами пор менее 1 мкм (см. Кисеев В.М., Погорелов Н. П. Контурные тепловые трубы: анализ и нерешенные проблемы. В сб.: Труды 2-й Российской национальной конференции по теплообмену. М.: изд-во МЭИ, 1998, т.5, с.203), так и путем выполнения отдельного слоя капиллярного насоса 4 в виде адсорбента 5. Выбор пары адсорбент 5 - рабочее тело (сорбат) для заданных рабочих условий снижает движущий температурный напор вдали от критической точки, то есть без ухудшения всасывающих характеристик капиллярного насоса 4.

Проведенные эксперименты для пары "активированный уголь - СО₂" при уровне сорбционной насыщенности сорбента а, равной 13 ммоль/г, повышение температуры на 30 К (с 233 до 263 К) приводит к росту равновесного давления с 0.2 до 0.6 МПа, т.е. в 3 раза, в то время как без адсорбента давление изменилось бы лишь на 10-15%.

Изостера адсорбции (уравнение зависимости давления сорбции Р от температуры Т при постоянном насыщении адсорбента сорбатом а) записывается как:
(In P= -A/T+В)а_, где А и В - константы конкретной пары сорбент-сорбат, (см. Столяревский А. Я. Аккумулирование вторичной энергии. В сб.: Атомно-водородная энергетика и технология, вып.4, Энергоиздат, 1982 г., с.95).

Пара адсорбент-сорбат характеризуется также изотермой сорбции, согласно которой при росте давления Р скорость сорбции da/dP падает, выходя на насыщение. Тем самым адсорбент 5 при падении давления служит источником увеличения участвующего в теплопередаче рабочего тела за счет десорбции рабочего тела, сорбированного при высоком давлении, препятствуя тем самым отклонению от рабочих параметров и повышая устойчивость терморегуляции. Важным свойством адсорбента 5 при этом служит его селективность по сорбции различных компонентов, позволяющая направленно изменять состав рабочего тела (например, вводя или выводя из процесса высоко- или низкокипящие компоненты) и тем самым улучшать производительность устройства.

Дополнительным фактором служит теплота сорбции, выделяющаяся при сорбции и поглощаемая при десорбции сорбата из адсорбента. Это явление также позволяет повысить устойчивость терморегуляции за счет разнонаправленности процессов роста сорбции при снижении температуры системы адсорбент-сорбат и происходящего при этом выделения тепла сорбции и соответствующего нагрева, препятствующего снижению температуры и тем самым предотвращающего отклонение параметров устройства от рабочей точки процесса. Аналогично действует адсорбент при увеличении температуры, которое вызывает десорбцию, сопровождаемую поглощением тепла, что также повышает устойчивость терморегуляции. В зависимости от того какие внешние условия (температура внешней охлаждающей емкости 6 или тепловая нагрузка, вызываемая рабочим объектом 7) претерпевают наибольшие колебания, размещение адсорбента 5 выбирают в участках, где это изменение условий работы устройства оказывает наибольшее влияние.

Для улучшения тепловой связи адсорбента 5 с окружающими его элементами возможно и целесообразно выполнить адсорбент в виде слоя, нанесенного на металлическую основу, например, по технологии, изложенной в патенте CШA 4169362, с датой приоритета 3 июля 1978 г.

Для уменьшения влияния адсорбента 5 на гидравлические характеристики капиллярного насоса 4 целесообразно гидроизолировать адсорбент от примыкающих слоев, по которым жидкая фаза подается к участку теплоподвода 3.

При уменьшении температуры устройства до уровня, при котором возможно образование твердой фазы рабочего тела, способной вызвать необратимые повреждения рабочих элементов устройства, например, при использовании воды как рабочего тела, адсорбент 5 предотвратит это опасное явление как за счет выделения тепла при сорбции, так и за счет сорбционного поглощения конденсата (жидкой фазы рабочего тела) и перевода его в сорбированное состояние, не вызывающего опасных последствий.

Обобщая вышеизложенные свойства адсорбента 5, проявляемые им при работе устройства, можно охарактеризовать результирующий эффект как придание системе, образованной устройством, повышенной инерционности в реакции на изменение внешних условий. Такая инерционность сглаживает резкие изменения условий работы устройства и, в конечном счете, защищает рабочий объект 7 от нарушения работоспособности, вызываемого, например, термонапряжениями или деформацией рабочих характеристик.

Рассмотрим значение этого фактора при использовании устройства для термостабилизации рабочего объекта - полупроводникового энерговыделяющего прибора, например тиристора. При выполнении устройства термостабилизации в виде трубчатой конструкции длиной 1 м и диаметром 40 мм, при удельном потоке тепла на участке теплоподвода 3, равном 25 кВт/м², и поверхности данного участка 40 см² средний уровень отводимой тепловой мощности составляет 100 Вт. Использование деионизованной воды в качестве рабочего тела достигается заправкой в корпус 1 устройства 400-500 г этого вещества с последующим вакуумированием внутреннего объема корпуса 1 до давления 2-3 кПа и его герметизацией. Капиллярный насос 4 образован слоями тонкой сетки из меди или фосфористой бронзы с различными размерами пор по толщине вдоль тракта подачи воды к участку теплоподвода 3. Слои толщиной 5-8 мм могут быть образованы также спеченными из металлических порошков фитилями, выполненными из титана, или никеля, или другого совместимого с рабочим телом материала. Размеры пор целесообразно выбрать меньшего размера в участке теплоподвода 3 (где происходит испарение рабочего тела) предпочтительно в диапазоне 0.5-2.0 мкм с увеличением до 1.5-3 мкм в следующем слое и наибольшим размером пор в участке теплоотвода 2 предпочтительно 3.0-7.0 мкм. Такая анизотропия капиллярного насоса 4 увеличивает, как описано выше, капиллярное давление и соответствующие тепловые потоки.

Адсорбент 5 размещен в отделенной от капиллярных слоев, но проницаемой для рабочего тела оболочке, которая может быть снабжена выходящими наружу и/или вовнутрь оболочки ребрами, улучшающими механическую устойчивость оболочки и ее тепловую связь с окружающими элементами, а также фильтрующими уплотнениями для удержания адсорбента внутри оболочки и/или для гидравлической изоляции адсорбента 5 от жидкой фазы рабочего тела, подаваемой по капиллярному насосу 4. Такое техническое решение может использовать конструктивные детали, описанные, например, в патенте CШA 6125650, с датой публикации 3 октября 2000 г. Материалом адсорбента 5 может быть цеолит (например, типа NaA), или алюмогель, или силикагель, или галогенид лития, или любой другой материал, обладающий высоким поглощением водяных паров при рабочих давлениях и температурах. Для устройства, в котором рабочим телом выбран аммиак, эффективным сорбентом может быть бромид стронция.

В рассматриваемом примере используются характеристики цеолита типа NaA, сорбирующего около 0.38 г Н₂О на 1 г адсорбента при давлении выше 4 кПа и температуре 25^oС, насыщенность которого по изотерме сорбции при 50^oС лежит на 0.15-0.20 г/г ниже. Такая зависимость дает высокую эффективность термостабилизации. Заполненная адсорбентом 5 оболочка имеет толщину 5 мм и суммарный объем 500 мл, при котором оболочка наполнена массой адсорбента, равной 250 г.

Уже при повышении температуры адсорбента на 1^oС, вызываемой, например, увеличением теплоподвода на 10%, отклонение от равновесного состояния 250 г адсорбента 5 приведет к десорбции примерно 1.5 г водяного пара, на что расходуется около 7.5 кДж согласно экспериментальным данным по изостерической теплоте адсорбции водяного пара в цеолите NaA. Поскольку дополнительный поток испаренной в участке теплоподвода 3 воды составит при увеличении теплоподвода на 10 Вт около 5 мг/с, то в период разбаланса в состоянии адсорбента около 3 г водяного пара сконденсируется на поверхности адсорбента 5 для компенсации теплопотребления, расходуемого на десорбцию, вызываемую отклонением температуры на 1^oС. Это означает, что в течение примерно 300 с (5 мин) указанное тепловое возмущение не приведет к адекватному росту теплоотвода на участке 2, что создает, таким образом, дополнительную устойчивость системы, резко сглаживая или в ряде случаев практически устраняя колебания температурного поля рабочего объекта 7, что особенно важно для полупроводниковых приборов. Для характеристики динамических возможностей адсорбента 5 достаточно указать, что масса водяного пара, заполняющего промежуток между участками 2 и 3, составляет всего 80 мг (при условиях пара насыщенного при 50^oС с давлением 12.2 кПа), т.е. при указанных выше теплофизических условиях может быть полностью сконденсирована примерно за 1.5 с. Таким образом, инерционность системы повышается более чем на порядок.

Важно отметить, что изобретение может быть использовано для термостабилизации не только греющихся рабочих объектов, что требует отвода тепла от них, но и с объектами, в которых необходимо предотвратить или замедлить их остывание. В последнем случае, который может реализоваться на транспорте для перевозки в зимних условиях продуктов, охлаждение которых приводит к нежелательному изменению их свойств, например резкому увеличению вязкости мазута в цистернах, тепло, выделяемое при конденсации рабочего тела в участке 2, служит для покрытия полезной тепловой нагрузки, а от внешнего источника тепло подводится к участку испарения 3.

Изобретение может быть использовано, например, в электронике, атомной энергетике, холодильной технике, фармацевтике, в системах очистки газов, на транспорте и в агротехнологиях хранения продуктов и т.п.

Claims (11)

1. Устройство термостабилизации, содержащее заполненный рабочим телом герметичный корпус с расположенными на его противоположных концах участками теплоотвода и теплоподвода, соединенными капиллярным насосом, выполненным в виде многослойного пористого фитиля с различными размерами пор в слоях, причем рабочее тело содержит компонент, способный переходить из жидкой фазы в газообразную при рабочих температуре и давлении, отличающееся тем, что по крайней мере один из слоев капиллярного насоса выполнен в виде адсорбента рабочего тела.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что адсорбент размещен в участке теплоотвода.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что адсорбент размещен в участке теплоподвода.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что адсорбент размещен между участками теплоподвода и теплоотвода.

5. Устройство по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что адсорбент выполнен из материала, выбранного из группы, включающей активированный уголь, или природный цеолит, или синтетический цеолит, или силикагель, или материалов молекулярных сит.

6. Устройство по п. 1 или 5, отличающееся тем, что адсорбент размещен в участках теплоотвода и теплоподвода, причем на разных участках адсорбент образован из материалов, обладающих различной поглощающей способностью по отношению к рабочему телу.

7. Устройство по любому из пп. 1-6, отличающееся тем, что адсорбент выполнен в виде слоя, нанесенного на металлическую основу.

8. Устройство по любому из пп. 1-7, отличающееся тем, что адсорбент выполнен гидроизолированным от примыкающего к нему слоя капиллярного насоса, насыщаемого жидкой фазой рабочего тела.

9. Устройство по любому из пп. 1-8, отличающееся тем, что один из компонентов рабочего тела выбран с более высоким значением поглощения в адсорбенте.

10. Устройство по любому из пп. 1-9, отличающееся тем, что рабочее тело выбрано из группы, включающей воду, или аммиак, или этанол, или метанол, или диоксид серы, или углеводороды, или фторуглероды, или диоксид углерода.

11. Устройство по любому из пп. 1-10, отличающееся тем, что герметичный корпус выполнен составным и включает элементы различной формы.