Теплофильтр а. ф. домрина

Изобретение относится к светотехнике, к системам охлаждения в осветителях, в частности к устройствам для отвода от оптических элементов тепла, поступающего к ним в виде излучения от источников света, и может быть использовано в теплозащитных светофильтрах осветителей с улучшенными теплофизическими свойствами и с естественным (не принудительным) охлаждением, например в устройствах для отвода тепла ат фильмового канала кино- и фильмопроекторов, негативодержателей фотопечатающих устройств и в охлаждаемых светильниках.Известен теплофильтр абсорбционного типа, представляющий собой слабоокрашенное сине-зеленое (голубое) стекло, например стекло типа СЗС (СЗС 16, СЗС 24, СЗС 25, СЗС 26),Недостатком стеклянного абсорбционного теплофильтра является невозможность получения больших ега размеров, Теплофильтры из поглощающего тепловое излучение стекла при воздействии на них мощного лучистого потока нагреваются неравномерно, что приводит к появлению больших термоупругих напряжений в теле теплофильтра (в стекле) и, как следствие, к его разрушению;Кроме того, недостатком абсорбционнаго теплофильтра из стекла является невысокий коэффициент теплопередачи стекла типа СЗС на оправу фильтра даже в условиях возможности активного охлаждения этой оправы, что ухудшает теплосъем с тепло- фильтра и приводит к его перегреву, Тепло- фильтр сам становится вторичным источником теплового излучения, Эффективность рассеивания тепловой энергии этим теплофильтром во внешнее по отношению к осветителю пространство мала.Недостатком абсорбционного тепло- фильтра из стекла является изменение его спектрального поглощения при повышении температуры теплофильтра в процессе его работы, Общим для всех стекол является смещение при нагревании коротковолновой границы и полос поглощения, а также увеличение оптической плотности в минимумах. Это ухудшает спектральные свойства светофильтров, например поглощение стеклом СЗС 24 инфракрасного излучения ослабевает в два раза. Сильно смещается граница поглощения желтых, оранжевых и красных стекол, расположенных рядом с теплофильтром, доходящим до перехода стекла в следующую марку данного ряда.Все это ухудшает эксплуатационные характеристики абсорбционного теплофильтра из стекла. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Известен жидкостный теплофильтр, представляющий собой корпус произвольной формы (например, цилиндрический или в виде параллелепипеда), выполненный из светопрозрачного материала (например, из стекла или пластмассы), пропускающего инфракрасное излучение, заполненный циркулирующей жидкостью, поглощающей (абсорбирующей) инфракрасное излучение, В качестве такой жидкости обычно используют дистиллированную воду, имеющую полосу поглощения в инфракрасной области спектра. Эффективная фильтрация инфракрасного излучения связана с относительно большой толщиной водяного слоя в тепло- фильтре, составляющей 10-30 мм.Недостатком этого жидкостного тепло- фильтра является необходимость применения специальных устройств для прокачки воды через корпус, что снижает надежность и долговечность теплофильтра и существенно усложняет его, Замкнутая системз циркуляции светопраницаемай теплопоглощающей жидкости, снабженная радиаторами охлаждения, сложна и громоздка,Недостатком этого жидкостного тепло- фильтра является также неизбежность паразитных вибраций и акустических, электрических и магнитных шумов, создаваемых приводом системы циркуляции жидкости, что снижает оптические параметры устройства, в состав которого входит тепло- фильтр.Кроме того, недостатком этого жидкостного теплофильтра является отложение на внутренних поверхностях стеклянного корпуса примесей, возникающих в результате загрязнения циркулирующей жидкости масляными включениями циркуляционных насосов,Все это ухудшает эксплуатационные характеристики жидкостного теплафил ьтра,Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является тепло- фильтр, представляющий собой корпус с противоположными светопрозрачными и пропускающими инфракрасное излучение окнами, заполненный теплопоглощающей жидкостью, являющейся фильтрующим элементом, Корпус герметично соединен с охлаждающим элементом, выполненным в виде рекуперативного теплообмен ника с исключающим выход пара жидкости предохранительным приспособлением в виде сильфона с регулировочной пружиной, При работе устройства пары нагретой жидкости конденсируются на внутренней поверхности теплообменика и конденсат стекает в емкость корпуса. Охлаждающая вода пода10 15 20 атационных характеристик устройства за 25счет обеспечения естественного и автономного теплоотвода, а также повышения эко- . 30 35 40 ется в наружную камеру теплообменника через один патрубок, а выводится через другой. Применение сильфорна исключает стравливание пара и обеспечивает постоянный объем фильтрующей жидкости.Недостатком известного теплофильтра является необходимость подключения его рекуперативного теплообменника к магистрали с охлаждающей водой, что затрудняет условия его эксплуатации и сужает область возможных применений. Кроме того, недостатком теплофильтра является большой расход охлаждающей воды при длительных сроках эксплуатации устройства, т.е. его низкая экономичность, а также громоздкость, обусловленная конструктивными,особенностями рекуперативного теплообменника, что затрудяет возможность компоновки такими теплофильтрами различных светооптических устройств.Эти недостатки ухудшают эксплуатационные характеристики теплофильтра с рекуперативн ым теплообмен ником.Цель изобретения - улучшение эксплуномичности эксплуатации устройства и его компактности.Теплофильтр, содержащий заполненный жидкостью корпус с и роти во и ол ожными светопрозрачными теплопропускающими окнами, герметично соединенный с охлаждающим элементом,дополнительно снабжен по меньшей мере одним светопрозрачным теплопоглощающим элементом, расположенным между окнами корпуса. Корпус выполнен в виде испарителя, а охлаждающий элемент - в виде конденсатора одной тепловой трубы. При этом теплопоглощающий элемент в одном из своих вариантов выполнен в виде зернистого слоя, образованного зернами из теплопоглощающего стекла по меньшей мере одного типа, заполняющими зазор между стеклами.На фиг.1 изображен теплофильтр с пластинчатым теплопоглощающим элементом в корпусе, разрез; на фиг.2 - то же, с насыпным зернистым теплопоглощающим элементом в корпусе, разрез.Теплофильтр включает в себя корпус 1 (фиг,1), выполненный в виде кюветы (емкости) из механически прочного материала, содержащей две рабочие стенки 2, образующие два слоя, и боковые стенки 3, Стенки 2 и 3 ограничивают рабочую полость 4 корпуса в виде щели. Рабочие стенки 2 содержат светопрозрачные теплопропускающие 45 50 55(пропускающие тепловое излучение) оптические окна 5 и 6, расположеные одно против другого. Окна 5 и 6 в стенках 2 могут иметь произвольную форму, например плоскопараллельными прямоугольными (фиг.1) или сферическими (фиг,2). окна 5 и 6 могут иметь одинаковые или различные конструкции: ортогональны или наклонны к оптической оси 7 (фиг.1) корпуса 1, и различно располагаться по отношению одно к другому. Окна могут быть изготовлены из идентичных или различных материалов (например, белых стекол БС 11 и БС 14, пропускающих видимый свет и инфракрасное излучение и имеющих температуру размягчения, равную соответственно 1713 и 1250 С).Стенки корпуса 1, кроме окон 5 и 6, в частности боковые стенки 3, выполнены светонепроницаемыми. Внутренние поверхности непрозрачных стенок корпуса 1 выполнены в виде теплового экрана, позволяющего рассеянному в объеме корпуса 1 тепловому излучению многократно проходить через рабочую полость 4 и поглощаться в ней. Корпус 1 выполнен герметичным. Весь объем рабочей полости 4 заполнен светопроницаемой рабочей жидкостью,В рабочей полости 4 установлен между окнами 5 и 6 по меньшей мере один теплопоглощающий элемент 8, который может иметь произвольную форму. Элемент 8 может быть выполнен, например, в виде плоскопараллельной пластины (фиг,1), клиновидным (не показано) или в виде линзы (не показано), или в виде любой другой более сложной формы. Две рабочие поверхности элемента 8 могут иметь одинаковые или различные формы. Количество теплопоглощающих элементов 8 в полости 4 также может быть различным. В случаях двух и более теплопоглощающих элементов 8 в полости 4 они располагаются на расстоянии один от другого, Теплопоглощающие элементы 8 могут также комбинироваться с цветными и оттененными светофильтрами (не показаны). Теплопоглощающий элемет 8 выполнен из материала, пропускающего световое излучение и поглощающего инфракрасное излучение (излучение теплового диапазона). Таким материалом с увеличенной поглощающей способностью в инфракрасном диапазоне спектра является, например, стекло марок СЗС 5, СЗС 16, СЗС 24, СЗС 25 и СЗС 26. Температура размягчения теплопоглощающих стекол меняется в пределах от 330 до 670 С.Теплопоглощающий элемент 8 может быть выполнен и иначе, а именно в видеобладать увеличенной теплапаглощательной способностью в инфракрасном диапазоне спектра; показатель преломления жидкости должен быть как можно более близким к показателю преломления стекла окон 5 и б и элемента 8, Зти требования необходимы для возможности выполнения корпуса 1 в виде испарителя тепловой трубы, для повышения эффективности теплозащиты теплафильтром, а также дляуменьшения светопотерь в теплофильтре на границах раздела сред образующих его элементов,Корпус 1 герметично соединен с охлаждающим элементом 11 с помощью паракоиденсатопровода 12. Корпус 1, охлаждающий элемент 11 и парокандеисатопровад 12 абразуют тепловую трубу, представляющую собой замкнутый герметичный корпус, из которого удален неконденсируащийся газ, При этом корпус 1 образует испаритель тепловой трубы, а охлаждающий элемент 11 - ее конденсатор, На внутренней поверхности охлаждающего элемента конденсатора) 11 и пароконденсатопровода 12 расположена капиллярна-паристая структура фитиль) 13 тепловой трубы, насыщенная жидким теплоносителем. Сдиако возможна и безфитил ьная гладкастен ная тепловая труба термосифон),Возможна конструкция тепловой трубы, когда паракоиденсатопровод не может быть выделен в ней явно (фиг.2)а испаритель 1 непосредственна соединен с конденсатором 11. Возможно также такое выполнение тепловой трубы (фиг.3), когда испаритель 1 ее единственный, а количество конденсаторов 11 и соответствующих им пароканденсаторопроводов 12 боль це ад 25 30 40 зернистого слоя. В атом случае рабочая полость 4 (фиг,2) корпуса 1 заполнена зернами 9 из теплопоглощающего стекла тех же марок). Это могут быть зерна стекла одной марки или зерна стекол несколькихразличных марок, Зернистая структура теплопоглощающего элемента позволяет использовать теплофильтр без опасности разрушения теплопоглощающего элемента при большой интенсивности фильтруемого излучения.,Цля предотвращения выпадения зерен 9 из рабочей полости 4 корпуса 1 торцы зазора полости 4 закрыты сеткой 10.Рабочая полость 4 фиг,1) корпуса 1 заполнена деаэрираваинай жидкостью, например дистиллированной водой. К этой рабочей жидкости предъявляется несколькотребований; жидкость должна удовлетворять требованиям, предъявляемым к теплоносителю тепловой трубы; аиа должна ного. Испаритель 1 (фиг,1) тепловой трубы предназначен для поглощения теплового излучения источника 14, а конденсатор 11 - для выделения этой теплоты в окружающее пространство. Пароконденсатопровод 12 не участвует в процессе теплообмена, Испаритель 1 тепловой трубы расположен в пределах осветительного устройства, например перед источником 14 света и отражателем 15. Конденсатор 11 тепловой трубы размещен за пределами осветительного устройства например, иа поверхности корпуса осветителя) и рассчитан на охлаждение естественным (ие принудительным) образом путем воздушного охлаждения, Внешняя поверхность металлического конденсатора 11 для повышения теплового излучения зачернена, материал корпуса конденсатора 11 выбран теплопроводиым, а конденсатор 11 имеет развитую поверхность, габариты и форма которой обусловлены конструктивными особенностями осветителя,Теплафильтр работает следующим образом.Излучение от источника 14 света (фиг.1) частично направляется непосредственно во входное окно 5 корпуса 1, а частично - на атражатель 15 и далее, отразившись ат него, также направляется во входное окно 5. Подведенное к окну 5 световое и тепловое излучения свободно проходят через него, Световое излучение проходит далее через рабочую жидкость тепловой трубы, элемент 8 и окно б и выходит из теплафильтра, Тепловое излучение поглощается элементом 8 и рабочей жидкостью полости 4, На поверхности рабочей жидкости происходит испарение. Пар под действием разности концентраций переносится па параконденсатопроводу 12 в конденсатор 11, где за счет переохлаждения конденсируется, Образовавшийся конденсат возвращается па капиллярно-пористой структуре 13 в испаритель 1 под действием сил поверхностного натяжения, Вследствие того, что в тепловой трубе происходит передача скрытой теплоты параобразования, испаритель 1 может передавать конденсатору 11 большие тепловые патаки,В термосифонах (глакастениых тепловых трубах), работающих в пале сил тяжести ,в отличи.е невесомости), возврат рабочей жидкости в зону теплаподвода может осуществляться в виде стекающей пленки, для чего конденсатор 11 размещают выше испарителя 1 тепловой трубы, Капиллярно-пористая структура 13 может транспортировать жидкость как: поле сил тяжести, так и при ега аг;утствии, Более того, она способна пра",.таять силе тя1742581 10 50 жести. Капиллярно-пористая структура 13 может обеспечить подъем теплоносителя в вертикальной тепловой трубе против сил тяжести на высоту 1-1,5 м, что вполне достаточно для работы устройства, В связи с тем, что площадь поверхности конденсатора 11. превышает площадь поверхности испарителя 1 тепловой трубы, последнеяя функционирует как трансформатор плотности теплового потока, осуществляя его деконцентрацию. Охлаждение конденсатора 11 осуществляется естественным образом, конвекцией воздуха, омывающего поверхности конденсатора 11, и излучением тепла конденсатором 11 в окружающее пространство,Теплофильтр с другим исполнением испарителя 1 (фиг,2) предполагающим зернистый теплопоглощающий элемент 9, работает аналогично. Зерна 9 пропускают видимую составляющую спектра и поглощают инфракрасное излучение, нагреваясь при этом и вызывая нагревание окружающей их рабочей жидкости. Выделившаяся в испарителе 1 тепловая мощность эффективно переносится с помощью тепловой трубы в ее конденсатор 11, где конвективно и радиационно сбрасывается в окружающее пространство, осуществляя теплообмен с окружающей средой. Интенсификации теплообмена способствует зачерненности поверхности конденсатора 11. Малые размеры зерен 9 теплопоглощающего стекла исключают его растрескивание в процессе работы теплофильтра.Применение изобретения позволяет обеспечить более высокую по сравнению с известными устройствами интенсивнось теплоотвода от объекта освещения путем естественного сброса тепла в окружающую среду, а также высокую стабильность температуры в теплофильтре (стационарное распределение температуры), исключает перегрев теплофильтра и растрескивание его стеклянных элементов. Применение самоохлаждаемого теплофил.ьтра позволяет существенно снизить температуру в его рабочем объеме.Это позволяет использовать теплофильтр в оптических системах с источниками излуче ния повышенной мощности. При этом теп лофильтр может быть выполнен с любойспектральной характеристикой пропускания в видимом диапазоне. Устройство хорошо компонуется в различных осветителях и легко совмещается с его элементами. Оно 10 может быть использовано в любых стандартных серийных изделиях без существенного изменения их конструкции. Эффективный теплосъем осуществляется без расхода хладагента и энергии, 15 что упрощает конструкцию и повышает надежность устройства. Все это улучшает эксплуатационные характеристики устройства,20 Формула изобретения1. Теплофильтр, содержащий заполненный жидкостью корпус с противоположными светопрозрачными окнами, герметичносоединенный с охлаждающим элементом,25 о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с цельюулучшения эксплуатационных характеристик, корпус выполнен в виде испарителя, аохлаждающий элеиент - в виде конденсатора одной тепловой трубы, причем по мень 30 шей мере одно из окон корпуса выполненопоглощающим тепловое излучение.2, Теплэфильтр по п,1, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что внешняя поверхность заднегоокна корпуса дополнительно снабжена по 35 крытием, пропускающим световое и отражающим тепловое излучения, при этомзаднее окно выполнено теплопоглощающим, а корпус заполнен теплоохлаждающейжидкостью.40 3. Теплофильтр по п.1, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что внешняя поверхность заднегоокна корпуса дополнительно снабжена покрытием, пропускающим световое и отражающим тепловое излучение, при этом45 переднее окно выполнено теплопоглощающим, а корпус заполнен теплопоглощающейжидкостью,1742581 оставитель А,Домринехред М.Моргентал Корректор Л.Бескид ктор И.Дерб оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. ужгород, у.,Гагарин аказ 2274 Тираж Подписнос ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5