Щілинний теплообмінник з розвинутою поверхнею теплообміну

1. Щілинний теплообмінник з розвинутою поверхнею теплообміну, що містить у своєму складі теплообмінний блок з двома основами з теплопровідного матеріалу, між якими виконано щонайменше один щілинний канал для теплоносія, вхідний та вихідний патрубки, вхідний та вихідний колектори, порожнини яких сполучено з порожнинами щілинних каналів та патрубків, який відріз 3 матеріалу ребро (верхня пластина теплообмінника) встановлене паралельно основі із зазором відносно неї, при цьому канал для рідкого теплоносія виконано у вигляді щонайменше однієї щілини, найбільш оптимальна з точки зору теплових та гідравлічних характеристик висота якої знаходиться в межах від 0,2 до 0,3мм. Експериментально встановлено, що при витраті води 3мл/с скрізь теплообмінник з висотою щілинного каналу 0,2мм можна відвести від мікропроцесора тепловий потік 230Вт [див. статтю: Экспериментальное исследование одноканального щелевого теплообменника жидкостной системы охлаждения для микропроцессора / Ю.Е.Николаенко, Э.С.Малкин, И.Э. Фуртат, Т.Ю.Николаенко // Технологические системы. - 2007. - № 4. - С. 54-62]. При цьому температура його основи не перевищує +65 С при температурі води на вході +16 С, на виході +34 С. Недоліком відомого щілинного теплообмінника є обмеження можливостей по відведенню теплових потоків невеликою площею тепловіддаючих поверхонь плоских щілин, розташованих паралельно основі, що не дозволяє використовувати його при значному підвищенні теплової потужності перспективних мікропроцесорів в майбутньому або інших потужних компонентів. Найбільш близьким до запропонованого за сукупністю ознак і технічному результату є щілинний теплообмінник з розвинутою поверхнею теплообміну, відомий із заявки на видачу патенту України на корисну модель від 19.01.2010 р. №u201000477, МПК Н05К7/20, який обрано за прототип. Щілинний теплообмінник з розвинутою поверхнею теплообміну містить у своєму складі теплообмінний блок з двома основами у вигляді пластин з теплопровідного матеріалу, між якими виконано щонайменше один щілинний канал для теплоносія. Ширина щілинного каналу заходиться в межах від 0,05 до 0,5мм включно. Щілинний канал утворено між поверхнями ребер, виконаних на суміжних поверхнях пластин, причому ребра першої пластини вставлені із зазором у міжреберні простори другої пластини та навпаки. Теплообмінний блок виконано як одне ціле з вхідним і вихідним колекторами у вигляді герметично з'єднаних між собою по периметру із забезпеченням теплового контакту згаданих пластин з ребрами на внутрішніх поверхнях та з виконаними в зазначених пластинах вхідним і вихідним колекторами. Порожнини вхідного колектору та вхідного патрубка сполучено з входами щілинних каналів, а порожнини вихідного колектора та вихідного патрубка - з виходами щілинних каналів. Виконання ребер, наприклад, з трикутним перетином з кутом 60 при вершині на внутрішніх поверхнях пластин такого щілинного теплообмінника дозволяє збільшити кількість відведеної теплоти у 2 рази у порівнянні з теплообмінником з гладкими пластинами завдяки відповідному збільшенню площі поверхні теплообміну в щілинних каналах. Недоліком описаного щілинного теплообмінника з розвинутою поверхнею теплообміну (прототипу) є обмежені можливості по відведенню теплового потоку внаслідок значного термічного 54801 4 опору між основою, що сприймає теплоту, та найбільш віддаленими від неї ребрами, що виконані на протилежній основі теплообмінника, оскільки передача теплоти до них здійснюється лише через контактні зони, що розміщені по периметру теплообмінника, і далі -по протилежній основі. В основу технічного рішення, що заявляється, поставлено задачу збільшення теплового потоку, що відводиться щілинним теплообмінником з розвинутою поверхнею теплообміну, шляхом зниження термічного опору між основою, що сприймає теплоту, та ребрами на протилежній основі, які утворюють стінки щілинних каналів. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в щілинному теплообміннику з розвинутою поверхнею теплообміну, що містить у своєму складі теплообмінний блок з двома основами з теплопровідного матеріалу, між якими виконано щонайменше один щілинний канал для теплоносія, вхідний та вихідний патрубки, вхідний та вихідний колектори, порожнини яких сполучені з порожнинами щілинних каналів та патрубків, обидві основи додатково з'єднані між собою за допомогою щонайменше однієї теплової труби із забезпеченням теплового контакту між ними. Теплова труба забезпечує зниження термічного опору між сприймаючою теплоту основою та віддаленими від неї ребрами на протилежній основі, що утворюють стінки щілинних каналів. Теплообмінний блок може бути виконаний як одне ціле з вхідним і вихідним колекторами у вигляді герметично з'єднаних між собою двох пластин з ребрами на внутрішніх поверхнях та з виконаними в зазначених пластинах вхідним і вихідним колекторами, так і окремо від вхідного та вихідного колекторів і з'єднаний з ними герметично. Суть та принцип дії запропонованого щілинного теплообмінника з розвинутою поверхнею теплообміну пояснюються кресленнями. На Фіг.1 наведено загальний вигляд щілинного теплообмінника з розвинутою поверхнею теплообміну (вид зверху, суміщений з частковим перерізом), на Фіг.2 - показано переріз по лінії А-А. Щілинний теплообмінник з розвинутою поверхнею теплообміну (див. Фіг.1) містить у своєму складі теплообмінний блок з двома основами, виконаними, наприклад, у вигляді двох пластин: теплосприймаючої пластини 1 та протилежної до неї пластини 2 з теплопровідного матеріалу, між якими виконано щонайменше один щілинний канал 3 для теплоносія. Щілинний канал 3 для теплоносія утворено між поверхнями ребер 4 та 5, виконаних на суміжних поверхнях пластин 1 та 2 відповідно (див. Фіг.2), причому ребра 4 пластини 1 розташовані із зазором у міжреберні простори пластини 2 і навпаки: ребра 5 пластини 2 розташовані із зазором у міжреберні простори пластини 1. Ширина щілинного каналу може знаходитися в межах від 0,05 до 0,5мм включно. Найбільш оптимальною з точки зору теплових та гідравлічних характеристик теплообмінника є ширина каналу в межах від 0,2 до 0,3мм [див. статтю: Экспериментальное исследование одноканального щелевого теплообменника жидкостной системы охлаждения для микропроцессора /Ю.Е.Николаенко, Э.С.Малкин, 5 И.Э.Фуртат, Т.Ю.Николаенко // Технологические системы. - 2007. - № 4. - С. 54-62]. Теплообмінний блок виконано як одне ціле з вхідним і вихідним колекторами 6 та 7 відповідно у вигляді герметично з'єднаних між собою по периметру із забезпеченням теплового контакту пластин 1 та 2 з ребрами 4 та 5 на внутрішніх поверхнях та з виконаними в зазначених пластинах вхідним і вихідним колекторами 6 та 7, порожнини яких сполучено з вхідним патрубком 8 та вихідним патрубком 9 відповідно. Обидві основи, що виконані, наприклад, у вигляді пластин 1 та 2, додатково з'єднані між собою за допомогою трьох теплових труб 10 (див. Фіг.1) із забезпеченням теплового контакту між ними та пластинами, наприклад за методом пайки. Внутрішня поверхня корпусу теплових труб вкрита шаром 11 капілярної структури (див. Фіг.2), наприклад, спеченим із металевого порошку. Зони випаровування теплових труб розміщені з забезпеченням теплового контакту в основі (пластині 1), що є теплосприймаючою, а їх зони конденсації - в протилежній основі (пластині 2). Як варіант, теплові труби можуть бути виконані без шару 11 капілярної структури, тобто можуть бути виконані у вигляді термосифонів або парових камер. В іншому варіанті теплообмінний блок може бути виконаний окремо від вхідного та вихідного колекторів і з'єднаний з ними герметично. При цьому теплообмінний блок може бути виконано у вигляді суцільного металевого блоку, в якому, наприклад, за допомогою струни, що рухається, прорізано наскрізний один або декілька щілинних каналів зигзагоподібної або іншої форми, а вхідний і вихідний колектори - у вигляді закриваючих торці щілинних каналів бічних пластин з порожнинами, відкритими до торців щілинних каналів теплообмінного блоку. Крім того, порожнина вхідного колектора сполучена з вхідним патрубком, а порожнина вихідного колектора - з вихідним патрубком. Робота запропонованого щілинного теплообмінника з розвинутою поверхнею теплообміну пояснюється за допомогою креслень. Теплоносій, наприклад, у рідкій фазі (дистильована вода, антифриз, спирт тощо) через вхідний патрубок 8 під певним тиском подається у порожнину вхідного колектора 6, сполученого з входами щілинних каналів 3 (на Фіг.1 потік теплоносія показано стрілками). З вхідного колектора 6 теплоносій поступає у щілинні канали 3, де відбувається його ламінарна течія. Теплота від тепловиділяючого (охолоджуваного) елемента (на Фіг.2 не показаний), приєднаного до теплосприймаючої основи, що виконана у вигляді пластини 1, передається їй скрізь зону теплового контакту, нагріває пластину 1 і передається далі двома паралельними шляхами (теплопровідністю - крізь тепловий контакт по периметру між пластинами - та тепловими трубами 10) до протилежної пластини 2 та її ребер 5. 54801 6 Завдяки високій теплопровідності теплових труб 10, які працюють за високоефективним замкненим випаровувально-конденсаційним циклом, частина теплового потоку від теплосприймаючої основи (пластини 1) передається з мінімальним термічним опором до протилежної основи (пластини 2) і нагріває її та віддалені ребра 5, що виконані на її поверхні (на Фіг.2 передача теплоти поза тепловою трубою показана суцільними стрілками, а передача теплоти парою теплоносія в тепловій трубі - пунктирними стрілками). Завдяки цьому температура ребер 5, що утворюють стінки щілинних каналів, наближається до температури теплосприймаючої основи, що дозволяє підвищити різницю температур між нагрітою поверхнею ребер та рідиною в щілинних каналах. А оскільки за однакового коефіцієнту тепловіддачі кількість теплоти, що відводиться рідиною від ребер, прямо пропорційна різниці температур між нагрітою стінкою щілинних каналів та охолоджуючою рідиною в каналі, то завдяки цьому у запропонованому теплообміннику порівняно з прототипом збільшується тепловий потік, що відводиться від тепловиділяючого (охолоджуваного) елемента, наприклад, потужного мікропроцесора. Нагрітий рідкий теплоносій з щілинних каналів 3 витікає у вихідний колектор 7, а з нього - у вихідний патрубок 9. У процесі віддачі теплоти від зони конденсації теплової труби до пластини 2 пара в цій зоні теплової труби конденсується, а конденсат повертається в зону випаровування теплової труби по шару 11 капілярної структури і цикл «випаровування-конденсація» у тепловій трубі повторюється. Завдяки зменшенню термічного опору між теплосприймаючою основою теплообмінного блоку та віддаленими ребрами забезпечується відведення більшого, порівняно з прототипом, теплового потоку від тепловиділяючого (охолоджуваного) елементу за допомогою запропонованого щілинного теплообмінника з тепловими трубами. Щілинний теплообмінник з розвинутою поверхнею теплообміну, що заявляється, є технологічним у виготовленні в промислових умовах, оскільки технологія виготовлення теплових труб освоєна промисловістю, а теплообмінний блок можна виготовити з двох оребрених заготовок, одержаних методом екструзії з теплопровідного матеріалу, наприклад, з алюмінію або його сплавів, та із застосуванням добре відпрацьованих інших технологічних процесів для виготовлення колекторів, патрубків та збирання теплообмінника. Таким чином, запропонований щілинний теплообмінник з розвинутою поверхнею теплообміну є новим, промислово придатним, має винахідницький рівень і забезпечує досягнення поставленої мети - збільшення теплового потоку, що відводиться теплообмінником від охолоджуваного елемента. 7 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 54801 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601