Модульное исполнительное устройство полупроводникового криостата

 

Использование: в области приборостроения в устройствах охлаждения, реверсивного термостатирования и программного управления температурой различных объектов. Сущность изобретения: источники холода (тепла) размещаются в кольцевом зазоре, образованном охлаждаемым сосудом и наружным высокотеплопроводным корпусом. Наружная поверхность сосуда или внутренняя поверхность корпуса выполнена в форме пары соосных усеченных пирамид. В конструкцию введены теплопроводные башмаки с упругими связями и мембраны, герметизирующие кольцевой зазор с торцев. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области приборостроения и предназначено для использования в устройствах охлаждения, реверсивного термостатирования и программного управления температурой различных объектов.

Известны холодильники (нагреватели) источником холода (тепла),в которых служат полупроводниковые термоэлектрические или термомагнитные батареи, которые со стороны днища охлаждают (нагревают) сосуд, имеющий форму цилиндра. Известные конструкции предназначены для охлаждения либо плоских (или имеющих специальные плоские теплоотводы) объектов, например твердотельных излучающих структур, либо объемных объектов, которые имеют малое собственное энерговыделение и незначительную теплоемкость, например фотоприемники (авт. св. 1634068, H 01 L 35/02, Ингберман М.И и др. Термостатирование в технике свзи. М. Связь, 1979, с. 63 68, УДК 621.39:536.581).

Недостатком известных конструкций является невозможность охлаждения (нагревания) протяженных в осевом направлении объектов, например участков труб, имеющих большое собственное энерговыделение и (или) большую теплоемкость, так как в известных конструкциях возникают значительные градиенты температуры и ограничение на число (общую мощность при прочих равным условиях) размещаемых источников холода (тепла), обусловленное геометрическими факторами. Отсутствует возможность оптимизировать мощность охлаждения (нагрева), предельную температуру охлаждения и длину охлаждаемого участка в условиях конечного пользователя.

Кроме того, источники холода (тепла) располагаются за пределами газовой (вакуумной) теплоизоляции, это приводит к дополнительным теплопотерям, обусловленным конденсацией влаги и теплопередачей через воздух находящийся во внутренних зазорах реальных источников холода (тепла).

Цель изобретения расширение области применения, улучшение динамических характеристик, улучшение масса-габаритных показателей, улучшение технологичности изготовления.

Указанные цели достигаются тем, что источники холода (тепла) размещаются в кольцевом зазоре, образованном охлаждаемым сосудом и наружным высокотеплопроводом корпусом, наружная поверхность сосуда, либо внутренняя поверхность корпуса выполнена в форме пары соосных усеченных пирамид, в конструкцию введены теплопроводные башмаки с упругими связями и мембраны, герметизирующие кольцевой зазор с торцов.

На фиг. 1 показан продольный разрез устройства; на фиг.2 вид с торца с местным разрезом; на фиг. 3 продольный разрез варианта его выполнения; на фиг.4 фрагмент разреза варианта выполнения.

Устройство содержит охлаждаемый (нагреваемый) сосуд 1, источники холода (тепла) -термоэлектрические или термомагнитные батареи 2, теплопроводящие башмаки 3, упругие связи 4, наружный высокотеплопроводный корпус 5, мембраны 6, узлы крепления мембран к наружному корпусу 7 и к сосуду 8, торцевую теплоизоляцию 9, теплообменник 10, днище сосуда 11, колпак наружного корпуса 12.

Осесимметричный сосуд 1 расположен концентрически внутри корпуса 5, внутренняя поверхность которого представляет собой тело вращения, например цилиндр. Наружная поверхность сосуда образована парой усеченных пирамид. В кольцевом зазоре, образованном сосудом и корпусом, расположены термоэлектрические или термомагнитные батареи 2, теплопоглощающие и тепловыделяющие стороны которых образуют параллельные плоскости, соединенные с башмаками 3 своими тепловыделяющи (теплопоглащающими) сторонами.

Форма поверхности башмаков 3,обращенной к корпусу 5,повторяет форму соответствующей поверхности корпуса, что способствует хорошему тепловому контакту. При сборке поверхности смазываются теплопроводящей смазкой. Поверхность башмака 3, соединенная с батареей 2,представляет плоскость,параллельную грани пирамидальной поверхности сосуда 1.

Башмаки попарно соединены упругими связями 4. Таким образом обеспечивается механическая связь сосуда с корпусом без применения вспомогательных крепежных деталей, за счет нормируемого усилия прижатия, определяемого упругими связями, обеспечивается надежный тепловой контакт батарей 2 с сосудом 1 и башмаков 3 с корпусом 5, автоматически компенсируется тепловое расширение и технологический разброс размеров батарей 2 по толщине.

Однако возможен вариант, когда внутренняя поверхность корпуса образована парой усеченных пирамид, а внешняя поверхность сосуда представляет собой тело вращения. Кроме того,упругие связи могут замыкаться на корпус 5.

Пространство между наружными стенками сосуда 1 и внутренними стенками корпуса 5 герметизируется кольцевыми мембранами 6 и заполняется преимущественно малотеплопроводным газом, например ксеноном, преимущественно под давлением, исключающим влияние тепловой конвекции.

Однако в случае, когда это целесообразно, особенно при возможности непрерывной откачки, может быть применен более глубокий вакуум, исключающий перенос тепла теплопроводностью газа. В свободном пространстве могут быть размещены экраны теплового излучения.

Кольцевые мембраны 6 изготовлены из герметичного материала, например фторопластовой лакоткани или металлической фольги. По внешнему краю мембраны герметично соединены с корпусом 5 с помощью узла 7. По внутреннему краю мембраны герметично соединены с сосудом 1 с помощью узла 8. Указанные соединения выполняются известными способами,например склейкой, пайкой и (или) с помощью известных конструкций уплотнений с механическим прижимом. С торцовых сторон устройство может иметь теплоизоляцию 9.

Корпус 5 имеет для теплообмена с внешней средой жидкостный теплообменник 10, однако вместо него могут быть применены другие устройства (оребрение, тепловые трубы). Однако возможен вариант,когда сосуд 1 имеет герметичное днище 11, а корпус 5 имеет герметичный колпак 12.

Устройство работает следующим образом. При включении источников 2 холода (тепла) происходит охлаждение (нагрев) сосуда 1 и отвод (подвод) выделяющегося (поглощающегося) тепла в окружающую среду через башмаки 3, корпус 5 и теплообменник 10.

Полезный теплопоток от источника 2 подводится к внутреннему объему сосуда 1 по кратчайшему пути -через боковую стенку, имеющую высокую теплопроводимость, чем обеспечивается уменьшение тепловой инерции и уменьшение градиентов температуры по объему сосуда 1.

Ограниченный по номенклатуре набор модулей заявляемой конструкции позволяет строить в условиях конечного пользователя системы охлаждения и реверсивного (в том числе зонированного) термостатирования,оптимизированные по мощности, глубине охлаждения и габаритам рабочего пространства.

Формула изобретения

1. Модульное исполнительное устройство полупроводникового криостата, содержащее корпус, охлаждаемый (нагреваемый) сосуд, источники холода (тепла) преимущественно термоэлектрические или термомагнитные батареи, расположенные в зазоре между корпусом и сосудом, причем одни из спаев источников прилегают к боковой наружной поверхности сосуда, а другие к теплопроводящим башмакам, отличающееся тем, что устройство снабжено упругими связями, соединяющими башмаки, которые прилегают к стенке корпуса, при этом боковая поверхность сосуда образована усеченными пирамидами.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплоизоляция выполнена в виде малотеплопроводных мембран, герметично соединяющих корпус и сосуд.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источники холода (тепла) расположены в среде газовой или вакуумной теплоизоляции.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4