Термостат

 

Союз Советских (72): Автор изобретения

С.Я. Петров

Омский политехнический институт (7I) Заявитель (54) ТЕРМОСТЯТ

1 Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано при разработке и изготовлении устройств для регулирования и поддержания заданной температуры.

Известно устройство для регулирования температуры по определенному закону или для поддерх<ания температуры на каком-либо заданном уровне.

Регулирование температуры в этом устройстве осуществляется подогревом определенного объема и выбором материала теплоизоляционного кожуха (1 ).

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство,содержащее сосуд Дьюара с теплоизоляционной пробкой и вакууми- . рованной полостью, с расположенной в ней рабочей камерой с первым нагревателем, связанным с первым блоком управления, установленный в вакуумированной полости регулируемый генератор водорода, подключенный к выхо2 ду второго блока управления, установленного в рабочей камере. Регулируемый генератор водорода выполнен в виде полого цилиндра из пористого титана, активированного водородом, с расположенным в нем вторым нагревателем (2 1.

Известные устройства требуют применения внешних систем автоматическо" го регулирования и обладают в этой связи сравнительной сложностью и пониженной надежностью. Кроме того, при высоких и низких температурах устройства имеют ограниченное применение, в связи с отсутствием контролирующих и исполнительных элементов, работающих при этих температурах.

Например, современные полупроводниковые приборы имеют температурный диапазон -60 - +120ОС, а термисторы, го применяемые в качестве датчиков температуры,удовлетворительно работают при этих же температурах. Это ограничение накладывается физическими конс970336 тантами и не может быть устранено конструктивными изменениями, Цель изобретения - упрощение устройства и повышение его надежности.

Поставленная цель достигается тем, что в термостате, содержащем корпус с вакуумированной полостью, с размещенным в ней сорбентом и термостатируемым объектом, сорбент нанесен на внутренние стенки корпуса, а термостатируемый объект установлен в корпусе на расстоянии d от стенок, onределяемом из следующего соотношения

d W, где - минимальная длина свободного пробега молекул остаточных газов в вакуумированной полости в заданном диапазоне изменения температуры окружающей среды, го а вакуумированная полость заполнена пористым материалом.

Нанесение сорбента, например, активированного угля или цеолита на внутренние стенки корпуса обеспечивает пропорциональное изменение температуры сорбента при изменении температуры окружающей среды за счет теплового контакта между сорбентом и кожухом. При этом изменяется коли- Зо

- чество остаточных газов, поглощаемых. или выделяемых сорбентом. Поскольку объем вакуумированной полости постоянен, давление остаточных газов в вакуумированной полости изменяется

35 пропорционально изменению температуры. Конкретное значение давления остаточных газов определяется из уравнения теплового баланса для конкретного устройства (без учета переда40 чи тепла излучением и через твердое тело).

Я Р К. ЬаТ, где Q — мощность, рассеиваемая объектом через теплопровод45 ность остаточных газов;

P - давление остаточных газов;

Кт - коэффициент теплопроводности остаточных газов;

- площадь поверхности термо-статируемого объекта и устанавливается на этапе изготовления термостата известными способами.

На этом же может быть установлен определенный состав остаточных газов известными способами.

Теплопроводность газа в вакуумированной полости будет изменяться пропорционально изменению давления в ней, только при соблюдении условия

d с Д, так как в этом случае перенос тепла осуществляется отдельными молекулами без соударений, а число молекул газа в определенном объеме зависит от давления. Если же условие

d < Л не выполняется, то теплопроводность газа остается постоянной и не зависит от давления. Таким образом, количество тепла, отводимое от термостатируемого объекта, при соблюдении условия d Л, зависит от давления остаточных газов, выделяемых сорбентом.

Степень изменения давления газов, выделяемых сорбентом, зависит от массы сорбента (чем больше масса сорбента, тем большее количество газа будет выделяться из него при прочих равных условиях).

Иасса сорбента определяется по формуле

Я

d1 Q1 дтпл

К О ° Т„ где m — число единиц массы сорбента на единицу объема вакуумированной полости с „,с(— удельные сорбции при экстремальных значениях температуры окружающей среды; мощности, рассеиваемые объектом при соответствующих значениях температуры окружающей среды; ьТ„,ы - разности температур термостатируемого объекта и окружающей среды, значения Q„, Q>, йТ1, ЬТ задаются режимом работы термостатируемого объекта и изменением температуры окружающей среды. По величине d.1 è cl> выбирается конкретный сорбент, исходя из приемлемой величины массы.

Если пространство между термостатируемым объектом и внутренними стенками корпуса, заполнить пористым или гранулированным материалом, то перенос тепла будет осуществляться между отдельными гранулами материала или между стенками поо матеоиала. Поскольку оасстояние между отдельными гоанулами или между стенками поо обычно мало ((0,01 мм), условия выполнения соотношения d < Л облегчаются.

При изготовлении устройств неизбежно возникают технологические по— 0,57 единиц массы

Q О 1

5 9703 грешности, вследствие которых температура термостатирования будет отличаться от заданной. Уменьшить эти отклонения можно изменением на какую-то постоянную величину мощности, рассеиваемой объектом, Кроме того, термостатируемый объект может рассеивать при работе столь незначительную мощность, что условие постоянства температуры не сможет быть вы- t0 полнено (например, пьезоэлектрический резонатор или терморезистор).

Для устранения указанных недостатков термостатируемый объект имеет нагреватель, питаемый напряжением постоянной величины. Этот же нагреватель может быть использован для повышения точности термостатирования при изменении температуры окружающей среды в широких пределах. Так как удельная абсорбция изменяется с изменением температуры по экспоненциальному закону, поэтому обеспечить полную компенсацию уходов температуры можно только с применением допол- 25 нительной коррекции.

На чертеже схематически изображен предлагаемый термостат.

Термостат содержит корпус 1 с вакуумированной полостью 2, в которой 50 размещен термостатируемый объект 3 и сорбент 4, нанесенный на внутренние стенки корпуса 1. Пространство между термостатируемым объектом 3 и внутренними стенками корпуса 1 с нанесен35 ным на них сорбентом 4 заполнено пористым материалом 5 (показан частично). Термостатируемый объект 3 снабжен нагревателем б.

Термостат работает следующим об40 разом.

После включения термостатируемый объект 3 нагревается мощностью, выделяемой в термостатируемом объекте 3 и нагревателе б до температуры, при

45 которой справедливо уравнение теплового баланса (1). При изменении температуры окружающей среды температура термостатируемого объекта 3 стремится измениться, однако за счет изменения температуры сорбента 4, имеющего

50 тепловой контакт с окружающей средой через стенки кожуха 1, давление газа в вакуумированной полости 2 изменяется таким образом, что температура термостатируемого объекта 3 остается постоянной.

Пример. При изменении температуры окружающей среды от 0 до

36 6 — 185ОС необходимо поддерживать температуру объекта равной +10ОС. Мощность, рассеиваемая объектом, постоянная. Выбираем в качестве сорбента активированный уголь, а в качестве остаточного газа выбираем водород.

Удельная сорбция водорода активированным углем при О С равна 4 относительным единицам, а при — 185 C равна 135 относительным единицам.

Определяем массу сорбента с4 01- 5Т2 4 195

oLz Qь» 135 10 .

Проведем инженерный расчет термостата, для которого задано:

Q = Q g = 0,1 Вт — мощность,выделяемая в объекте;

5 = 1О см — площадь поверхности объекта;

Кт = 4 . 10 Вт/слР град мм рт ст коэффициент теплопроводности водорода.

Из уравнения (1) определим необходимое давление газа в вакуумированной полости при ОоС.

0,1

Кт5аТ„4 . 10 10 ° 10 — 2,5 - 10 мм рт.ст.

Давление газа при -185

2.

Т2 4 10 10 195 — 1,28 - 10 мм рт.ст.

Длина свободного пробега молекул водорода при давлении 2,5 10 мм рт.ст. и = 3.,36 мм, а при давлении 1,28

«1О MM pT ° ñò. Л 2 = 65 мм. Л определяется из справочных материалов или известным расчетом.

Выбираем расстояние между стенками кожуха и объектом 4 = 3 мм, из условия d < <й мин = 3,36 мм.

Определим объем вакуумированной полости

V=5 d=10-0 3=3 см

Касса адсорбента

11 = m - V = 0,57 - 3 = 1,71 мг, поскольку размеренность удельной сорбции мм рт.ст. см /мг.

Определенную массу сорбента наносят на стенки корпуса известными способами, а необходимое давление

9703

Формула изобретения

Составитель С. Петров

Редактор П. Макаревич Техред С.Мигунова Корректор С.Шекмар

Тираж 914 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 8-35., Раушская наб., д. 4/5

Заказ 8388/58 филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 водорода устанавливают при откачивании вакуумированной полости.

Отсутствие систем автоматического регулирования упрощает конструкцию термостата, повышает его надежность и позволяет экономить энергию, так как регулирование йроизводится за счет мощности, выделяемой объектом при его работе. Это устройство может применяться для регулирования темпе- 0 ратуры в изделиях микроэлектронной техники, а также в крупногабаритных блоках, поскольку не требуется дополнительной мощности для регулирования. 15

1. Термостат, содержащий корпус с вакуумированной полостью с разме- ?д щенным в ней сорбентом и термостатируемым объектом, о т л и ч. а юшийся тем, что, с целью упроще.ния и .повышения надежности термоста36 8 та,. в нем сорбент нанесен на внутренние стенки корпуса, а термостатируемый объект установлен в корпусе на расстоянии d от его стенок, оп- . ределяемом из следующего соотношения

Д ср где Л вЂ” минимальная длина свободного пробега молекул остаточных газов в вакуумированной полости в заданном диапазоне изменения температуры окружающей среды.

2. Термостат по и. 1, о т л и— ч а ю шийся тем, что вакуумированная полость заполнена пористым материалом.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Шитиков Г.Т; и др. Высокостабильные генераторы. М., "Советское радио", 1974, с. 294-297.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке ti 2950587/ l8-24, кл. G 05 0 23/30, 1981 (прототип).