Теплообменное устройство

 

Использование: как теплообменник периодического действия, предназначенный для охлаждения объекта в вакууме Сущность изобретения в зазоре между охлаждаемым основанием 1 и радиатором 2 размещен теплопередающий элемент 4. выполненный в виде ферромагнитной сыпучей массы Для перемещения тегшопередающего элемента 4 от основания 1 к радиатору 2 используют или один магнит, расположенный на наружной стороне радиатора 2, или два электромагнита 5 и 3, соосно установленных на наружных поверхностях основания 1 и радиатора 2 В устройстве предусмотрено выполнение радиатора в виде электромагнита и снабжение его каналами, сообщенными с источником охлаждаемой среды, выполнение охлаждаемой поверхности основания с ребрами или макронеровностями, а электромагнита в виде плиты с возможностью периодического включения 5 заф-лы. 4 ил.

(в) ЯЯ (и) 200 (51) Р 1

15 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 4925467/06 (22) 04.04.91 (46) 30.10.93 Бюл. hh 39-40 (71) Санкт-Петербургский государственный технический университет (72) Семенов АГ. (73) Семенов Александр Георгиевич (54) ТЕПЛООБМЕННОЕ УСТРОЙСТВО (57) Использование: как теплообменник периодического действия, предназначенный для охлаждения объекта в вакууме. Сущность изобретения: в зазоре между охлаждаемым основанием 1 и радиатором 2 размещен теплопередающий элемент

4, выполненный в виде ферромагнитной сыпучей массы. Для перемещения теплолередающего элемента 4 от основания 1 к радиатору 2 используют или один магнит, расположенный на наружной стороне радиатора 2, или два электромагнита 5 и 3, соосно установленных на наружных поверхностях основания 1 и радиатора 2. В устройстве предусмотрено выполнение радиатора в виде электромагнита и снабжение его каналами, сообщенными с источником охлаждаемой среды, выполнение охлаждаемой поверхности основания с ребрами или макронеровностями. а электромагнита в виде плиты с возможностью периодического включения. 5 з.пф-лы, 4 ил.

2002192

Изобретение относится к теплообменникам периодического действия, в которых движущийся промежуточный теплоноситель соп рикасается последовательно с каждым из двух теплоносителей, в том числе к устройствам для изменения температуры с использованием электрических средств.

Известны различные теплообменные устройства, предназначенные для принудительной теплопередачи от "горячего" тела к противолежащему на расстоянии "холодному" телу, в частности, в вакууме. К ним относятся, например, теплопередающие устройства с использованием электромагнитов и магниточувствительного жидкого теплоносителя, в которых поток последнего от генератора к патрубку с коллектором регулируют (отклоняют) магнитным полем, Другой аналог — теплообменное устройство, содержащее два тела (транзисторный модуль и холЬдную плату), находящиеся во взаимном теплообмене на расстоянии посредством тепловой трубы.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является теплообменное устройство, содержащее охлаждаемое основание и радиатор, установлб ные с зазором, в котором размещен теплопередающий элемент, и средство Ого перемещения, при этом в качестве теплопередающего элемента используется сильфонный тепловой мост, э з качестве средства его перемещения — заполненный фреоном сильфонный регулятор.

Однако известные устройства, включая прототип, не всегда обладают достаточной эффективностью и надежностью. Являясь высокоэффективным средством теплопередачи между разнесенными телами, они требуют развитого, качественного контакта с обоими телами, что затруднительно реализовать при неровных поверхностях тел и не всегда возможно (взаимное перемещение тел, наличие движущихся предметов или частей тел в зазоре между телами и т.д.; не исключена их разгерметизация с утечкой теплоносителя в вакуум или особую атмосферу). Не все жидкостные и газовые контуры отвечают вакуумной гигиене; их использование в условиях высокого вакуума снижает надежность известных теплообменных устройств и ставит под сомнение целесообразность их использования в отдельных конкретных условиях, Цель изобретения — повышение эффективности и надежности в условиях вакуума.

Укаэанная цель достигается тем, что в теплообменном устройстве. содержащем охлаждаемое основание и радиатор. установленные с зазором, в котором размещен

25 теплопередающий элемент, и средство его перемещения, теплопередающий элемент выполнен в виде ферромагнитной сыпучей массы, Цель достигается также тем, что в теплообменном устройстве средство перемещения теплопередающего элемента выполнено в виде электромагнита, разме- . щенного с наружной стороны радиатора, при этом охлаждаемая поверхность основания и поверхность радиатора, образующие зазор, расположены горизонтально

Средство перемещения теплопередающего элемента может быть выполнено в виде двух соосных электромагнитов, один из которых расположен на наружной поверхности радиатора, а другой — на наружной поверхности основания.

Радиатор снабжен каналами, сообщенными с источником охлаждающей среды..

Ло меньшей мере одна из поверхностей основания и радиатора, образующих зазор, выполнена с макронеровностями или ребрами.

Электромагнит выполнен в виде плиты, установленной с возможностью периодического включения.

На фиг. 1 схематично показан вариант

3р теплообменного устройства с одним невключенным (а).и включенным (б) электромагнитом;-на фиг. 2 вариант с двумя соосными электромагнитами при их попеременной работе (а и 6); нэ фиг. 3 —. вариант с

35 одним электромагнитом и дополнительным охлаждающим контуром (криоэкран с заливаемым и/или прокачиваемым хладагентом); на фиг. 4 — аналогичный вариант с тепловыми трубами и радиаторами-охлади40 . телями.

Теплообменное устройство содержит основание (или массу вещества) 1 и радиатор 2 из немагнитного материала преимущественно в форме пластины или плиты, 45 Основание 1 и радиатор 2 разнесены с зазором h между их поверхностями взаимного теплообмена за счет излучения и/или конвекции и имеют в общем случае различные температуры Т1 и Tg соответственно. Для

50 определенности изложения принято Т1 > Т и Т> продолжает возрастать вследствие тепловыделения 0 в основании 1. С тыльной стороны поверхности радиатора 2 установлен на расстоянии Н > h от поверхности

55 основания 1 электромагнит 3, выполненный, например, в виде плиты с возможностью периодического включения (электромагнитная плита с импульсным управлением). Переменное магнитное поле, создаваемое включением и выключением электромап- --э 3, поперечно относительно

2002192 обращенной к нему поверхности основания

1; главный вектор,й магнитных сил притяжения перпендикулярен упомянутой выше поверхности основания 1 и направлен к электромагниту 3 через поверхность основания 1 (на иллюстрациях Р условно сме- . щен в сторону). В вариантах, показанных на фиг. 1, 3, 4, вектор р направлен противоположно вектору g сил гравитации (направлению ускорения силы тяжести), в варианте, изображенном на фиг. 2, — произвольно.

Электромагнит 3 теплоизолирован от радиатора 2 зазором (показано на чертежах) или теплоизоляционными материалами.

Может быть один, два или несколько электромагнитов 3, распределенных вдоль поверхности радиатора 2.

Охватываемое магнитным полем пространство в зазоре h частично заполнено ферромагнитной сыпучей массой 4, преимущественно ферромагнитным порошком с высокой те пл оп ро водностью. Противолежащие поверхности тел 1,2 и теплоноситель— масса 4 в переменном поле Д-д образуют основной или параллельный основному контур системы охлаждения основания 1 (параллелен, например, контуру конвективного охлаждения основания 1 газом-теплоносителем в зазоре h, может существовать наряду с системой охлаждения).

В другом возможном варианте устройства (фиг. 2) с тыльной стороны основания 1 аналогично электромагниту 3 и соосно ему установлен электромагнит 5, создающий магнитное поле, охватывающее зазор h вплоть до поверхности радиатора 2 (основание 1 в данном случае выполнено также из немагнитного материала), с главным вектором,й1 противоположного вектору Д на.правления.

Противолежащая электромагниту 3 поверхность основания 1 может быть как ровной (фиг. 3, 4), так и с макронеровностями (фиг. 1, 2); она может быть выполнена развитой, в частности с ребрами (как у ребристых радиаторов), ориентированными в направлении к электромагниту 3.

10

20 тяжения,й1 ), нагревается главным обра25

35 контура "хладагент в полости 6" (фиг. 3) или контуров "тепловая труба 7 — радиатор 9" и

"тепловая труба 8 — радиатор 10" (фиг. 4).

При выключении электромагнита 3 теплоно40 ситель 4 возвращается под действием сил ..1g! ) I é1 I =О, I é1 1 > I,è2 I =Овисходное положение при Т4 «Т1 и охлаждает тело 1 в непосредственном контакте с ним.

Процесс повторяют необходимое по заданным условиям теплообмена число раз.

При взаимном перемещении основания

1 и радиатора 2 управление электромагни50

8 устройстве может быть предусмотрен дополнительный, не зависимый от описанного выше контур системы охлаждения; обеспечивающий охлаждение радиатора 2.

На фиг, 3 радиатор 2 выполнен в виде плоской криогенной панели (криопанели), в полости 6 которой залит или прокачивается жидкий или газообразный хладагент. На фиг. 4 основание 1 соединено тепловыми трубами 7 и 8 с радиаторами-охладителями

9 и 10 соответственно.

Пространство в зазоре h может быть ограничено дополнительными стенками 11 (фиг. 3).

Устройство по любому из рассмотренных вариантов допускает взаимное перемещение основания 1 и радиатора 2.

Каждый из описанных вариантов обладает свОими сравнительными преимуществами. Выбор того или иного варианта зависит от конкретных задач и условий.

Возможны и другие конструктивные варианты s рамках приведенной в формуле изобретения совокупности существенных призйаков предложенного устройства.

Устройство работает следующим образом.

Ферромагнитная масса 4, находясь на поверхности основания 1 (под действием сил гравитации g и/или магнитных сил призом эа счет контактной теплопроводности, отбирая тепло от основания 1. По управляющему сигналу(вручную или автоматически при наличии автоматики) включают электромагнит 3. В варианте по фиг. 2 электромагнит 5 при этом выключают. Это вызывает перемещение массы 4 в зазоре h от основания 1 к радиатору 2 под действием магнитных сил притяжения

I P I ) 9 I°, I p2 I ),и1 1 = О. Притянутый к поверхности радиатора 2 промежуточный теплоноситель 4 с температурой Тд(Тз «Т4

< Т1) охлаждается, передавая тепло в непосредственном контакте радиатору 2, который может одновременно охлаждаться за счет тами 3, 5 синхронизировано с перемещениями.

При развитой (неровной) поверхности основания 1 происходит более интенсивная теплопередача от основания 1 к теплоносителю 4.

Предложенное устройство защищает также способ теплообмена согласно описанному процессу работы устройства, включающего, е себя описанную п4следовательность операций.

2002192

15

55

Использование изобретения позволяет расширить технические воэможности теплообменного устройства; интенсифицировать процесс охлаждения или обогрева при использовании в качестве дополнительного средства осуществления теплообмена; интенсифицировать процесс охлаждения или обогрева при использовании в качестае основного средства осуществления теплообмена при сравнительно низкой эффективности имеющегося механизма теплопередачи (по газовой прослойке в зазоре h, низкие коэффициенты излучения противолежащих поверхностей тел 1 и 2, неразвитый контакт теплового моста с телами 1, 2 и т.д,); обеспечить теплоотдачу там, где нежелательны или невозможны иные известные способы и устройства, в частности тепловые мосты в зазоре h при наличии перемещающихся в нем тел, а также при постоянном или периодическом перемещении Теп 1, 2.

Наиболее эффективно использование изобретения в условиях вакуума (натурные космические условия и их имитация в тепловакуумных испытательных и экспериментальных установках), где необходимо соблюдение вакуумной гигиены, ограничены возможности использования конвективного теплооб. :ена, нежелательны по соображениям надежности и сложности контуры с жидким теплоносителем (хладагентом), Вариант, представленный на фиг. 1, удобен тем, что относительно прост и в нем возврат теплоносителя 4 происходит под действием естественных сил — сил гравитации.

Вариант же с соосными электромагнитами (фиг. 2) допускает любую ориентацию

Формула изобретения

1, ТЕПЛООБМЕННОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее охлаждаемое основание и радиатор, установленные с зазором, в котором размещен теплопередающий элемент, и средство его перемещения, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности и надежности в условиях вакуума, теплопередающий элемент выполнен в виде ферромагнитной сыпучей массы.

2. Устройство по п.1, отличающееся

-тем, что средство перемещения теплопередающего элемента выполнено в виде электромагнита, размещенного с наружной стороны радиатора, при этом охлаждаемая поверхность основания и поверхность ра25

40 в прост„-анстве. зависимость от поля гравитации несущественна, что представляет интерес прежде всего в космической технике.

Сочетание предложенного "магнитного" контура охлаждения основания 1 с контуром охлаждения радиатора 2 элементами

6 и 7-10 усиливает положительный эффект, причем на качественно новом уровне(не как суммарный эффект от сочетания двух известных технических решений) за счет улучшения условий магнитного взаимодействия с уменьшением температуры.

При известных достоинствах электромагнитной плиты с импульсным управлением (энергетическая экономичность и компактность) целесообразность ее использования в заявленном устройстве ооусловлена ее геометрическими особенностями: плоская рабочая поверхность с широким выбором размеров.

Еще одно преимущество предложенного теплообменного устройства с теплоносителем в виде сыпучей массы — удобствЬ взаимодействия с неровными, в частности развитыми, поверхностями, т.к. сыпучая масса легко проникает в неровности, контактируя со всей поверхностью, чего нет при непосредственном контакте с тепловым мостом, особенно в откаченном пространстве. (56) Авторское свидетельство СССР

М 1455044, кл. F 04 В 37/08, 1987, Низкотемпературные тепловые трубы для летательных аппаратов./Под ред.

Г.И.Воронина. М.: Машиностроение, 1976, с. 183, рис. 5. 29, Патент США М 3957107, кл, F 28 D

15/00, опублик,1976.

Ф диатора, образующие зазор, расположены горизонтально, 3. Устройство по п,1, отличающееся тем, что средство перемещения теплопередающего элемента выполнено в виде двух соосных электромагнитов, один из которых расположен на наружной поверхности радиатора, а другой - на наружной поверхности основания, 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что радиатор снабжен каналами, сообщенными с источником охлаждающей среды.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что по меньшей мере одна из поверх2002192 ностей основания и радиатора, образующих зазор, выполнена с макронеровностями или ребрами.

6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что электромагнит выполнен в виде плиты, установленной с возможностью пе5 риодического включения.

2002192

Составитель А.Семенов

Техред М.Моргентал Корректор А,Козориз

Редактор Н.Цалихина

Заказ 3168

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента .

И3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Уж;.ород, ул.Гавриил, 101

Теплообменное устройство Теплообменное устройство Теплообменное устройство Теплообменное устройство Теплообменное устройство Теплообменное устройство 

 

Похожие патенты:

Изобретение относится к теплообменной технике, конкретно к способам изготовления пластинчатых теплообменников из алюминиевых сплавов

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в системах охлаждения тепловыделяющих приборов

Изобретение относится к тепловым трубам и может быть использовано для отвода тепла от теплонапряженных объектов
Наверх