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 теппопередающий элемент 4, выполненный в виде ферромагнитной сыпучей массы Для перемещения теплопередающего элемента 4 от основания 1 к радиатору 2 используют или один электромагнит, расположенный в тепловом контакте с радиатором 2, или два электромагнита 9, 3. соосно установленных на основании 1 и радиаторе 2 и находящихся с ними в тепловом контакте. В устройстве предусмотрены 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. 6 злф-лы, 4 ил.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 4925817/06 (22) 04.04.91 (46) 30.10.93 Бюп Ма 39-40 (71) Санкт-Петербургский государственный технический университет (72) Семенов АГ. (73) Семенов Александр Георгиевич (54) TEll JlOOEMEHHOE УСТРОЙСТВО (57) Использование: как темообменник периодического действия, предназначенный дпя охлаждения объекта в вакууме. Сущность изобретения: в зазоре между охпаждаемым основанием 1 и радиатором 2 размещен теппопередающий элемент

4, выполненный в виде ферромагнитной сыпучей ((y) Щ) (и) 2002193 С1 (53) D 1 500 массы Для перемещения теплопередающего элемента 4 от основания 1 к радиатору 2 использ; т или один электромагнит, расположенный в тепловом контакте с радиатором 2, или два электромагнита 9, 3, соосно установленных на основании 1 и радиаторе 2 и находящихся с ними в тепловом контакте. В устройстве предусмотрены выполнение радиатора в виде электромагнита и снабжение его каналами, сообщенными с источником охлаждаемой среды, выполнение охпаждаемой поверхности основания с ребрами ипи макронеровностями. а электромагнита в виде плиты с возможностью периодического включения. 6 з.п.ф-лы 4 ил.

2002193

10 ат генератора к патрубку с коллектором ре- . гулиру ат (аткланяют) магнитным полем, Другой аналог — теплообменное устрой- ство, содержащее два тела (транзисторный модуль и холодную плату), находящиеся во взаимном теплообмене на расстоянии посредством тепловой трубы. 25

Наиболее близким к изобретению является теплоабменное устройство, содержащее охлаждаемое основание и,аадиатор, установленные с зазорам, в котором размещен теплапередающий элемент (сильфон- 30 н ыл тепловой мост), а средством перемещения теплапередающего элемента (части этого элемента) является заполненный фреанам сильфонный регулятор.

50 ч

Изобретение относится к теплаобменникам периодического действия, в которых движущийся промежуточный теплоноситель соприкасается последовательно с каждым из двух теплоносителей, в том числе к устройствам для изменения и регулирования 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 электромаг: . нитав и магниточувствительнога жидкого гепланосителя, в которых поток последнего

Однако известные устройства не всегда аблада ат достаточной эффективностью и надежностью. Являясь высокоэффективным средством теплопередачи между разнесенными телами, они требуют развитого, качественнога контакта с обоими телами, что затруднительно реализовать при неровных поверхностях тел и не всегда возможно (взаимное перемещение тел, наличие движущлхся предметов или частей тел s зазоре между основанием и радиатором 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 теплообменного устройства в условиях вакуума.

Цель достигается тем, что в теплоабменнам устройстве, содержащем охлаждаемое основание и радиатор, установленные с зазарам, в котором размещен теплопередающий элемент, и средство для его перемещения, теплапередающий элемент выполнен в виде ферромагнитной сыпучей массы.

Цель достигается также тем, что в теплообменном устройстве средс ва для перемещения теплопередающега элемента выполнено в виде электромагнита, находя щегося в тепловом кон".à"êòå с радиатором при этом поверхности основания и радиатора, образующие зазор, расположены горизонтальна; средс ва для перемещения теплапередающего элемента выполнено в виде двух электромагнитов, саасно установленных на основании и радиаторе и находящихся с последними в тепловом контакте; .радиатор снабжен каналами, сообщенными с источником охлаждающей среды: охлаждаемая поверхность основания выполнена с макронеровиостями или ребрами; радиатор или основание выполнен в виде электромагнита; электромагнит выполнен в виде плиты и установлен с возможностью периодического вкл!ачения, На фиг. 1 схематично показано теплообменное устройство с одним электромагнитоМ; на фиг, 2 — с двумя соосными электромагнитами; на фиг. 3 — с одним электромагнитам и дополнительным охлаждающим контуром; на фиг. 4 — с охлаждающей рубашкой электромагнита и развитой поверхностью противолежащего тела.

Теплообменнае устройства содержит основание (или массу вещества) 1 и радиатор 2, разнесенные в пространстве на расстояние li и находящиеся во взаимном теплообмене за счет излучения и/или конвекции. Они имеют в общем случае различные температуры — T> и Тр соответственно.

Принята Т» Т и Т продолжает возрастать вследствие тепловыделения Q в основании

1. Напротив поверхности основания 1 установлен с зазором Н электромагнит 3, например электромагнитная плита с импульсным

5 управлением. Переменное магнитное прле, создаваемое включением и выключением электромагнита 3, поперечно относительно обращенной к нему поверхности основания

1: главный вектор р магнитных сил притяжения перпендикулярен поверхности основания 1, обращенной к электромагниту 3, и направлен к нему (на фигурах Д смещен в сторону), В вариантах, показанных на фиг.

1, 3. 4, он направлен противоположно век5 тору g сил гравитации, в варианте, изображенном на фиг, 2, — роизвольно.

Электромагнит 3 находится в тепловой связис радиатором 2; в непосредственном контакте с ним (фиг, 1 и 2) или связан с ним тепловым мостом, тепл " .: трубой и т.д. В

2002193 общем случае Н Y h. Может быть один, два или несколько электромагнитов 3, распределенных вдоль поверхности основания 1.

Охватываемое магнитным полем пространство между противолежащими с зазором Н поверхностями электромагнита 3 и основания 1 частично заполнено ферромагнитным веществом (массой) 4, преимущественно ферромагнитным порошком с высокой теплопроводностью. Электромагнит (электромагниты) 3 и теплоноситель-вещество 4 образуют основной или параллельный контур системы охлаждения основания 1 (параллелен, например, контуру конвективного охлаждения основания 1 газом-теплоносителем в зазоре h, может существовать наряду с системами охлаждения-аналогами). Устройство может содержать дополнительный контур охлаждения в виде тепловых труб 5, 6 и радиаторов-холодильников 7, 8 или иной аналогичный контур, обеспечивающий охлаждение радиатора 2. В другом возможном варианте устройства (фиг. 2) средство для перемещения теплопередающего элемента выполнено в виде двух электромагнитов 9 и

3, соосно установленных на основании 1 и радиаторе 2 и находящихся с последними в тепловом контакте. Источником нагрева основания 1 может быть, например, радиаторнагреватель 10 с тепловой трубой 11, Еще в одном возможном варианте устройства одно из тел, например радиатор 2 (фиг. 4), и сопряженный с ним электромагнит 3 конструктивно объединены в одно изделие, например электромагнит 3 с охлах<дающей рубашкой 12. Иначе говоря, радиатор 2 или основание 1 выполнены в виде электромагнита. Противолежащая электромагниту 3 поверхность основания 1 может быть как ровной, так и с макронеровностями, она может быть выполнена развитой, в частности с ребрами 13 (как у ребристых радиаторов), ориентированными в направлении к электромагниту 3 (фиг. 4), к ней может быть прикреплен радиатор . 14. Во всех рассмотренных вариантах рекомендуется выполнение электромагнитов 3, 9 в виде плит, установленных с воэможностью периодического включения (электромагнитные. плиты с импульсным управлением). Устройство по любому из рассмотренных вариантов допускает взаимное перемещение основания 1 и радиатора 2. Каждый из описанных вариантов обладает сравнительными преимуществами. Выбор того или иного варианта зависит от конкретных задач и условий, Возможны и другие конструктивные варианты в рамках приведенной в формуле изобретения совокупности существенных признаков, Устройство работает следующим образом.

5 Ферромагнитное вещество 4, находясь на поверхности Основания, или электромагнита 9 (под действием сил гравитации g . и/или магнитных сил притяжения i,i ), нагревается главным образом за счет контак10 тной теплопередачи и собственной теплопроводности, "отбирая" тепло от основания 1. По уп равляющему сигналу(вручную или автоматически при наличии автоматики) вклютают (вкл ючается) и роти вол ежа щий

15 электромагнит 3. В варианте по фиг. 2 электромагнит 9 при этом выключают (выключается), Это вызывает перемещение вещества

4 в зазоре Н от основания 1 к электромагниту

3 под действием магнитных сил притяжения

20 !Д! > l gl,l/Tz > (р! l = О, Притянутый к электромагниту 3 промежуточный теплоноситель4 с температурой Tp(T T«TI) охлаждается, передавал тепло в непосредственном контакте электромагниту 3 и далее радиато25 ру 2, который может одновременно охлаждаться за счет контура тепловые трубы 5, 6 — радиаторы 7, 8, за счет рубашки 12 и/или других средств.

При выключении электромагнита 3 теп30 лоноситель 4 возвращается под действием сил g l> !,й! =О,!ф! )!рг! =0 в исходное положение при Т4 «Т1 и вновь охлаждает основание 1 непосредственно или через электромагнит 9. Процесс повто35 ряют необходимое по &данным условиям теплообмена число раз.

При взаимном перемещении основания

1 и радиатора 2 управление электромагнитами 3,9 синхронизировано с перемещени40 ями.

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

Заявляемое устройство защищает так5 we способ осуществления теплообмена согласно описанному процессу работы устройства, включающему в себя определенную последовательность операций.

Использование изобретения позволяет

50 расширить технические возможности теплообменного устройства: интенсифицировать процесс охлаждения или нагрева при использовании в качестве дополнительного средства осуществления теплообмена, ин55 тенсифицировать процесс охлаждени или нагрева при использовании в кэчес.ве о-.новного средства осуществления теиллобмена при сравнительно ни. v.îA эффективности имеющегося меха» ., ч

2002193, ч теплолередачи (низкие коэффициенты излучения противолежащих поверхностей тел 1, 2; низкий коэффициент теплопередачи по газовой прослойке в зазорах й, Н; неразвитый контакт теплового моста с телами 1, 2 и 5 т,д.); обеспечить теплопередачу 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 по- 10 стоянном или периодическом перемещении основания 1 и радиатора 2, Наиболее эффективно использование изобретения в условиях вакуума (натурные космические условия и их имитация в тепло- 15 вакуумных испытательных и эксперимент ал ь н ы х уста нов ках), где необходимо соблюдение вакуумной гигиены, ограничены возмо>кности использования конвективного теплообмена, нежелательны по.20 соображениям надежности и сложности контуры с жидким теплоносителем (хладаген том).

В отличие от варианта с одним электромагнитом (фиг, 1, 3, 4) вариант с двумя соос- 25 н ыми (и ротиволежа щими) электромагнитами (фиг. 2) допускает любую ориентацию в пространстве и зависимость от поля гравитации несущественна, ч о представляет интерес прежде всего в космической техни- 30 ке.

Вариант, представленный на фиг. 1, удобен тем, что относительно прост и в нем возврат теплоносителя 4 происходит под действием естественных сил — сил гравита- 35 ции.

Упрощение устройства достигается и: совмещением электромагнита с одним из тел, участвующих в теплообмене (с основанием 1 или радиатором 2). 40

Формула изобретения

1. ТЕПЛООБМЕННОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее охлаждаемое основание и ра- 45 диатор, установленные с зазором, в котором размещены теплопередающий элемент и средство для его перемещения, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности и надежности в услови- 50 ях вакуума, теплопередающий элемент выполнен в виде ферромагнитной сыпучей массы.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем. что средство для перемещения тепло- 55 передающего элемента выполнено в виде электромагнита, находящегося в тепловом контакте с радиатором, лри этом поверхности основания и радиатора, образующие зазор. расположены горизонтально.

Сочетание электромагнита с контуром охлаждения, в частности использование электромагнита 3 е охлаждающей рубашкой

12 (фиг. 4), усиливает положительный технический результат за счет улучшения условий магнитного взаимодействия (повышение магнитных свойств системы электромагнит

3 — вещество 4, повышение экономичности электромагнита 3 вследствие охлаждения электрических обмоток). При этом усиление положительно о эффекта происходит на качественно новом уровне, а не путем суммирования эффектов сочетаемых известных технических решений.

При известных достоинствах электромагнитной плиты с импульсным управлением (энергетическая экономичность и компактность) целесообразность ее использования в заявляемом устройстве o6ycnosлена ее геометрическими особенностями: плоской рабочей поверхностью с широким выбором размеров.

Еще одно преимущество такого теплообменного устройства — удобство взаимодействия с неровными, в частности развитыми, поверхностями: сыпучая масса легко проникает в неровности, контактируя со всей поверхностью, чего нет при непосредственном контакте твердых тел и контакте с тепловым мостом, особенно в откаченнсм пространстве. (56) Авторское свидетельство СССР

М 1449828, кл. Е 28 0 21/00, 1987.

Низкотемпературные тепловые трубы для летательных аппаратов./Под ред.

Г.И.Воронина, M., 1976, с. 183.

Патент США М 3957107, кл. F 28 0

15/00. 1976.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство для перемещения тепло ) передающего элемента выполнено в виде двух электромагнитов, соосно.установленных на основании и радиаторе и находящихся с последними в тепловом контакте.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что радиатор снабжен каналами, сообщенными с источником охлаждающей среды.

5. Устройство ло п.1, отличающееся тем, что охлаждаемая поверхность основания выполнена с макронеровностями или ребрами.

6. Устройство по пл.2 и 3, отличающееся тем, что радиатор или основание выполнен в виде электромагнита.

2002193

7 ф

Ф ° ° ° ° ° ° ° ° °

° °

ri ф8/с аУ

7; Устройство по пп.2 и 3. отличающееся тем. что электромагнит выполнен в виде плиты и установлен с возможностью периодического включения.