Теплообменное устройство

(19) (51) ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ТУ 5 2 Комитет Российской Федераци о патентам и товарным знака(71) Санкт-Петербургский государственный технический университет(73) Семенов Александр Георгиевич(57) Использование: как темообменник периодического действия, предназначенный дпя охлаждения объекта в вакууме, Сущность изобретения: в зазоре между охпажцаемым 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 охпаждаемой поверхности основания с ребрами ипи макронеровностями, а электромагнита в виде плиты с возможностью периодического включения, 6 з.пф-лы 4 ил.10 сятся, например, теплопередающиеустройства с.использованием электромаг" . 50 чИзобретение относится к теплообменникам 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 отнонитав и магниточувствительного жидкого теплоносителя, в которых поток последнего от генератора к патрубку с коллектором ре-:гулируот (отклоняют) магнитным полем,Другой аналог - теплаобменное устройство, содержащее два тела (транзисторный модуль и холодную плату), находящиеся во взаимном теплообмене на расстоянии посредством тепловой трубы,Наиболее близким кизобретенва является теплаабменное устройство, содеожащее ахлаждаемое основание и,аадиатор, установленные с зазорам, в котором размещен теплопеоедающий элемент (сильфонн ый тепловой мост), а средством перемещения теплопередающего элемента(части этого элемента) является заполненный фреанам сильфанный регулятор. Однако известные устройства не всегда обладают достаточной эффективностью и надежностью. Являясь высокоэффективным средством теплопередачи между разнесенными телами, они требуют развитого, качественнаго 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 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 теплообменном устройстве, содержащем охлаждаемое основание и радиатор, установленные с зазарам, в котором размещен теплопередаюВ2530 щий элемент, и средство для его перемещения, теплопередающий элемент выполнен в виде ферромагнитной сыпучей массы.Цель достигается также тем, что в теплаабменном устройстве средсво для перемещения теплопередающего элемента выполнено в виде электромагнита, находящегося в тепловом контакте с радиатором при этом поверхности основания и радиатора, образующие зазор, расположены горизонтально; средсва для перемещения теплопередающега элемента выполнено в виде двух электромагнитов, соасно установленнь,х 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 включения,На фиг. 1 схематично показано теплообменное устройства с одним электромагни- тоМ; на фиг, 2 - с двумя соосными электромагнитами; на фиг. 3 - с одним электромагнитам и дополнительным охлаждающим контурам; на фиг. 4 - с охлаждающей рубашкой электромагнита и развитой поверхностью противолежащего тела.Теплообменное устройство содержит основание (или массу вещества) 1 и радиатор 2, разнесенные в пространстве на расстояние 1 и находящиеся во взаимном теплоабмене за счет излучения и/или конвекции. Они имеют в общем случае различные температуры - Т и Т 2 соответственно. Принято Т 1Т 2 и Т продолжает возрастать вследствие тепловыделения 0 в основании 1. Напротив поверхнасти основания 1 установлен с зазором Н электромагнит 3, например электромагнитная плита с импульсным управлением. Переменное магнитное поле, 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 р смещен в сторону), В вариантах, показанных на фиг.1, 3, 4, он направлен противоположно вектору д сил гравитации, в варианте, изображенном на фиг, 2, - произвольно, Электромагнит 3 находится в тепловой связис радиатором 2; в непосредственном контакте с ним (фиг, 1 и 2) или связан с ним тепловым мостом, тепла, трубой и т.д. Вобщем случае Н Ф Ь, 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 кон вективного охлаждения основания 1 га. зом-теплоносителем в зазоре 6, 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 а тепловом контакте, Источником нагрева основания 1 может быть, например, радиатор- нагреватель 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 охлаждающей 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 а виде плит, установленных с возможностью периодического включения (электромагнитные. плиты с импульсным управлением). Устройство по любому из рассмотренных вариантоа 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 существенныхпризнаков,Устройство работает следующим обрэзом.5 Ферромагнитное вещество 4, находясьна поверхности основания, или электромагнита 9 (под действием сил гравитации ц. и/или магнитных сил притяжения р ), нагревается главным образом за счет контак 10 тной теплопередачи и собственнойтеплопроводности, "отбирая" тепло от основания 1. По уп равляющему сигналу(вручнуюили автоматически при наличии автоматики)включают (вкл ючается) противолежащий15 электромагнит 3. В варианте по фиг. 2 электромагнит 9 при этом выключают (выключается), Это вызывает перемещение вещества4 в зазоре Н от основания 1 к электромагниту3 под действием магнитных сил притяжения20 1 Д 11 Я 1,Ар= О, Притянутый кэлектромагниту 3 промежуточный теплоноситель 4 с температурой Т 4(ТзТ 4Т) охлаждается, передавал тепло в непосредственномконтакте электромагниту 3 и далее радиато 25 ру 2, который может одновременно охлаждаться за счет контура тепловые трубы 5, 6- радиаторы 7, 8, за счет рубашки 12 и/илидругих средств.При выключении электромагнита 3 теп 30 лоноситель 4 возвращается под действиемсил 1 9й=Ор)рай =О висходное положение при Та Т и вновьохлаждает основание 1 непосредственноили через электромагнит 9. Процесс повто 35 ряют необходимое по %данным условиямтеплообмена число раз,При взаимном перемещении основания1 и радиатора 2 управление электромагнитами 3,9 синхронизировано с перемещени 40 ями,При развитой поверхности (фиг, 4) происходит более интенсивная теплопередачаот основания 1 к теплоносителю 4.Заявляемое устройство защищает так 5 же способ осуществления теплообмена согласно описанному процессу работыустройства, включающему в себя определенную последовательность операций.Использование изобретения позволяет50 расширить технические воэможности теплообменного устройства: интенсифицировать процесс охлаждения или нагрева прииспользовании в качестве дополнительногосредства осуществления теплообменэ, ин 55 тенсифицироаать процесс охлаждеи илинагрева при испОльзовании в кэчес;ае о- новного средства осуществления таили;б.мена при сравнительно ни.ойэффективности имеющегося меха ., э2002193,чтеплопередачи (низкие коэффициенты излучения противолежащих поверхностей тел 1,2; низовий коэффициент теплопередачи погазовой прослойке в зазорах й, Н; неразвитый контакт теплового моста с телами 1, 2 и 5т,д.); обеспечить теплопередачу там, где нежелательны или невозможны иные известные способы и устройства, в частноститепловые мосты в зазоре и при наличии перемещающихся в нем тел, а также при постоянном или периодическом перемещенииоснования 1 и радиатора 2,Наиболее эффективно использованиеизобретения в условиях вакуума (натурныекосмические условия и их имитация в тепловакуумных испытательных и эксперимент ал ь н ы х уста нов ках), где необходимособлюдение вакуумной гигиены, ограничены возмокности использования конвективного теплообмена, нежелательны по.20соображениям надежности и сложностиконтуры с жидким теплоносителем (хладаген том).В отличие от варианта с одним электромагнитом (фиг, 1, 3, 4) вариант с двумя соосными (противолежащими) электромагнитами(фиг. 2) допускает любую ориентацию в пространстве и зависимость от поля гравитации несущественна, чо представляетинтерес прежде всего в космической технике.Вариант, представленный на фиг. 1,удобен тем, что относительно прост и в немвозврат теплоносителя 4 происходит поддействием естественных сил - сил гравитации.Упрощение устройства достигается и:совмещением электромагнита с одним изтел, участвующих в теплообмене (с основанием 1 или радиатором 2), 40 Формула изобретения1. ТЕПЛООБМЕННОЕ УСТРОЙСТВО,содержащее охлаждаемое основание и радиатор, установленные с зазором, в котором размещены теплопередающийэлемент и средство для его перемещения,отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности и надежности в условиях вакуума, теплопередающий элементвыполнен в виде ферромагнитной сыпучеймассы.2, Устройство по п.1, отличающеесятем. что средство для перемещения теплопередающего элемента выполнено в видеэлектромагнита, находящегося в тепловомконтакте с радиатором, при этом поверхности основания и радиатора, образующиезазор. 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 положительноо 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 обусловлена ее геометрическими особенностями: плоской рабочей поверхностью с широким выбором размеров.Еще одно преимущество такоготеплообменного 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 О 21/00, 1987.Низкотемпературные тепловые трубы для летательных аппаратов./Под ред. Г.И.Воронина, М., 1976, с, 183.Патент США М 3957107, кл. Р 28 О 15/00, 1976. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство для перемещения тепло 3 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 по п.1, отличающееся тем, что охлаждаемая поверхность основания выполнена с макронеровностями или ребрами.6. Устройство но пп.2 и 3, отличающееся тем, что радиатор или основание выполнен в виде электромагнита,2002193 10 с7; Устройство по пп.2 и 3, отличающееся тем. что электромагнит выполнен в виде плиты и установлен с возможностью периодического включения.