CC BY
93Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов
УДК 536.248.2
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ КОНТУРНОЙ ТЕПЛОВОЙ ТРУБЫ С НЕСКОЛЬКИМИ ИСТОЧНИКАМИ ТЕПЛА РАЗЛИЧНОЙ МОЩНОСТИ
Ю. Ф. Майданик*1 В. Г. Пастухов1, А. В. Иванов2
1Институт теплофизики Уральского отделения Российской академии наук Российская Федерация, 620016, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, 107а 2ООО «Теркон-КТТ» Российская Федерация, 620017, г. Екатеринбург, ул. Фронтовых бригад, 18, корп. 2
E-mail: maidanik@itp.uran.ru
Контурные тепловые трубы (КТТ) являются пассивными теплопередающими устройствами, работающими по замкнутому испарительно-конденсационному циклу с использованием капиллярного давления для циркуляции теплоносителя. Представлены результаты исследования тепловых характеристик аммиачной КТТ, отводящей тепло от распределенных в пространстве источников тепла с различной мощностью.
Ключевые слова: контурная тепловая труба, система охлаждения, космическая техника.
INVESTIGATING A LOOP HEAT PIPE OPERATION WITH SEVERAL HEAT
SOURCES OF DIFFERENT POWER
Yu. F. Maydanik*1, V. G. Pastukhov1, A. V. Ivanov2
institute of Thermal Physics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences 107a, Amundsen Str., Yekaterinburg, 620016, Russian Federation
2Thercon-LHP Ltd.
18, co^. 2, Frontovykh Brigad Str., Yekaterinburg, 620017, Russian Federation E-mail: maidanik @itp.uran.ru
Loop heat pipes (LHP) are passive heat-transfer devices, operating on closed evaporation-condensation cycle with using of capillary pressure. The article presents results of investigation of thermal characteristics of ammonia LHP, removing heat from distributed heat sources with different power.
Keywords: loop heat pipe, cooling system, space technology.
Введение. Контурные тепловые трубы (КТТ) являются пассивными теплопередающими устройствами, работающими по замкнутому испарительно-конденсационному циклу и использующими капиллярное давление для циркуляции теплоносителя [1]. Благодаря высокой теплопередающей способности при различной ориентации в гравитационном поле и в невесомости, а также способности практически любого конфигурирования и, связанной с ней, возможности равномерного распределения тепла по большой поверхности в сочетании с хорошими массогабарит-ными характеристиками, эти устройства нашли успешное применение в системах терморегулирования космической техники [2; 3]. Миниатюрные КТТ, которые были созданы на рубеже 2000-х годов, открыли новую перспективу использования этих устройств в системах охлаждения электроники и компьютерной техники [4-6].
Достаточно часто при решении практических задач, связанных с разработкой систем охлаждения электроники, приходится стакиваться с необходимостью отвода тепла от источников, расположенных на достаточно большом расстоянии друг от друга и рассеивающих сильно различающиеся тепловые потоки.
Типичным примером являются компьютерные сервера, в которых наряду с мощным центральным
процессором (CPU), рассеивающим до 140 Вт и более, имеются и другие менее мощные компоненты, которые также необходимо охлаждать.
Результаты, представленные в данной работе, демонстрируют новые, не использовавшиеся ранее возможности КТТ.
Описание экспериментальной КТТ. На рис. 1 представлена схема контурной тепловой трубы с цилиндрическим испарителем диаметром 10 мм и трубопроводами диаметром 2 мм, которая испытывалась для отвода тепла от одного мощного источника, находящегося в контакте с капиллярным насосом-испарителем и трех менее мощных источников, расположенных на конденсатопроводе и паропроводе. При этом отвод тепла от основного источника осуществлялся за счет испарения теплоносителя, в качестве которого использовался аммиак. Отвод тепла от дополнительных источников осуществлялся без фазового перехода за счет теплоемкости жидкости и пара. Конденсатор КТТ охлаждался жидкостным теплообменником при температуре 20 °С. Все источники тепла имитировались электрическими нагревателями, мощность которых измерялась ваттметром. Измерение температуры осуществлялось стандартными медь-константановыми термопарами, а сбор и обработка информации производились с помощью автоматической системы Agilent 34970A.
Решетневскуе чтения. 2017
Рис. 1. Схема КТТ с дополнительными источниками тепла
Результаты испытаний. В процессе испытаний тепловая нагрузка ограничивалась величиной, при которой температура источников тепла достигала 85 °С. На рис. 2 представлена зависимость температуры основного источника тепловой нагрузки (0) при нулевой тепловой нагрузке на дополнительных источниках тепла. Видно, что температура основного источника тепла, близкая к заданному максимальному значению, достигается при тепловой нагрузке 200 Вт. Путем экспериментов было определено, что максимальная тепловая нагрузка, распределенная любым образом между дополнительными источниками (Р1 и 02), расположенными на конденсатопроводе, может достигать 30 Вт при тепловой нагрузке на основном источнике 120 Вт (рис. 3).
Рис. 2. Зависимость температуры основного источника от тепловой нагрузки
ко
- то % !'п
50 40 30
120 Вт - сопя „ А
Oi=Q2 - var
источник Q2
, .А
[-= Н А ----- ИСТОЧНИК Q|
HI I? 511 25
Суммарная тепловая •г-11 :О ' ■■ Bp
Рис. 3. Зависимость температуры дополнительных источников от тепловой нагрузки
Для источника Q3, расположенного на паропроводе, максимальное значение тепловой нагрузки при этих условиях достигало 9 Вт.
Заключение. Таким образом, показано, что контурная тепловая труба способна отводить тепло от различных источников, расположенных на конденсатопроводе и паропроводе, суммарная мощность которых может достигать 25 % от мощности основного источника тепла. Есть основание считать, что такое соотношение не является предельным для этих устройств. В значительной степени оно зависит от условий отвода тепла в конденсаторе КТТ.
Библиографические ссылки
1. Майданик Ю. Ф. Контурные тепловые трубы -высокоэффективные теплопередающие устройства // Инновации. 2005. № 5. С. 83-86.
2. Goncharov K., Golikov A., Basov A. at al. 10-years of experience of operation of loop heat pipes mounted on board "Yamal-200" satellite // Proc. of the 17th Int. Heat Pipe Conf., Kanpur, India, 2013. P. 536-546.
3. Antonov V., Balykin M., Golikov A. Designing and research of precise thermal control system with loop heat pipe // Proc. of the 18th Int. Heat Pipe Conf., Jeju, República of Korea, 2016. № 140208.
4. Майданик Ю. Ф. Контурные тепловые трубы -высокоэффективные теплопередающие устройства для систем охлаждения электроники // Электроника НТБ. 2017. № 6. С. 122-130.
5. Сайт [Электронный ресурс]. URL: http://www. loopheatpipes.com.
6. Pastukhov V. G., Maydanik Yu. F., Vershinin S. V. et al. Miniature loop heat pipes for electronics cooling // Appl. Therm. Eng., 2003. Vol. 23, № 9. P. 1125-1135.
References
1. Maydanik Yu. F., Loop heat pipes - highly efficient heat transfer devices // Innovations. 2005. № 5. С. 83-86.
2. Goncharov K., Golikov A., Basov A. at al. 10-years of experience of operation of loop heat pipes mounted on board "Yamal-200" satellite // Proc. of the 17th Int. Heat Pipe Conf., Kanpur, India, 2013. P. 536-546.
3. Antonov V., Balykin M., Golikov A., Designing and research of precise thermal control system with loop heat pipe // Proc. of the 18th Int. Heat Pipe Conf., Jeeu, Republica of Korea, 2016. № 140208.
4. Maydanik Yu. F. Loop heat pipes - highly efficient heat transfer devices for cooling systems of electronics // Electronics NTB. 2017. № 6. С. 122-130.
5. [Online resource]. URL: http://www.loopheatpipes. com.
6. Pastukhov V. G., Maydanik Yu. F., Vershinin S. V. et al. Miniature loop heat pipes for electronics cooling // Appl. Therm. Eng., 2003. Vol. 23, № 9. P. 1125-1135.
© Майданик Ю. Ф., Пастухов В. Г., Иванов А. В., 2017
