Теплообменное устройство

19) Я,Ц51) 1 Ц 2 ПАТЕНТ Комитет Российской Федерации о патентам и товарным знакам САНИЕ ИЗОБР(71) Санкт-Петербургский государственный технический университет(73) Семенов Александр Георгиевич(57) Использование: как теплообменник периодического действия, предназначенный для охлаждения объекта в вакууме, Сущность изобретения: взазоре между охлаждаемым основанием 1 и радиатором 2 размещен теплопередающий элемент4, выполненный в виде ферромагнитной сыпучей массы. Для перемещения теплопередающего элемента 4 от основания 1 к радиатору 2 используют или один магнит, расположенный на наружной стороне радиатора 2, или два электромагнита 5 и 3, соосно установленных на наружных поверхностях основания 1 и радиатора 2. В устройстве предусмотрено 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. 5 з.пф-лы, 4 ил.Изобретение относится к теплообменникам периодического действия, в которых движущийся промежуточный теплоноситель соп рикасается последовательно с каждым из двух теплоносителей, в том числе к устройствам для изменения 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 электромагнитов и магниточувствительного жидкого теплоносителя, в которых поток последнего от генератора к патрубку с коллектором регулируют (отклоняют) магнитным полем,Другой аналог - теплообменное устройство, содержащее два тела (транзисторный модуль и холЬдную плату), находящиеся во взаимном теплообмене на расстоянии посредством тепловой трубы.Наиболее близким к изобретению техническим решением является теплообменное устройство, содержащее охлаждаемое основание и радиатор. установлбные с зазором, в котором размещен теплопередающий элемент, и средство его перемещения, при этом в качестве теплопередающего элемента используется сильфонный тепловой мост, а з качестве средства его перемещения - заполненный фреоном сильфонный регулятор.Однако известные устройства, включая прототип, не всегда обладают достаточной эффективностью и надежностью. Являясь высокоэффективным средством теплопередачи между разнесенными телами, они требуют развитого, качественного контактас 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 телами 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 в условиях вакуума,укаэанная цель достигается тем, что в теплообменном устройстве, содержащем охлаждаемое основание и радиатор, установленные с зазором, в котором размещен10 20925 теплопередающий элемент, и средство его перемещения, теплопередающий элемент выполнен в виде ферромагнитной сыпучей массы,Цель достигается также тем, что в теплообменном устройстве средство перемещения теплопередающего элемента выполнено в виде электромагнита, размещенного с наружной стороны радиатора, при этом охлаждаемая поверхность основания и поверхность радиатора, образующиезазор, расположены горизонтальноСредство перемещения теплопередающего элемента может быть выполнено в виде двух соосных электромагнитов, один изкоторых расположен на наружной поверхности радиатора, а другой - на наружной поверхности основания,Радиатор снабжен каналами, сообщенными с источником охлаждающей средыЛо меньшей мере одна из поверхностей основания и радиатора, образующих зазор, выполнена с макронеровностями или ребрами.Электромагнит выполнен в виде плиты, установленной с возможностью периодического включения,На фиг. 1 схематично показан вариант 30 теплообменного устройства с одним невключенным (а).и включенным (б) электромагнитом; на фиг. 2 вариант с двумя соосными электромагнитами при их попеременной работе (а и б); на фиг. 3 - . вариант с 35 одним электромагнитом и дополнительнымохлаждающим контуром (криоэкран с заливаемым и/или прокачиваемым хладагентом); на фиг. 4 - аналогичный вариант с тепловыми трубами и радиаторами-охлади . телями.Теплообменное устройство содержитоснование (или массу вещества) 1 и радиатор 2 из немагнитного материала преимущественно в форме пластины или плиты, 45 Основание 1 и радиатор 2 разнесены с зазором й между их поверхностями взаимного теплообмена за счет излучения и/или конвекции и имеют в общем случае различные температуры Т 1 и Тг соответственно. Для 50 определенности изложения принято Т 1Тги Т продолжает возрастать вследствие тепловыделения 0 в основании 1. С тыльной стороны поверхности радиатора 2 установлен на расстоянии Ни от поверхности 55 основания 1 электромагнит 3, выполненный, например, в аиде плиты с возможностью периодического включения (электромагнитная плита с импульсным управлением), Переменное магнитное поле, создаваемое включением и выключением электромап ."а 3, поперечно относительно2002192 обращенной к нему поверхности основания 1; главный вектор,й магнитных сил притяжения перпендикулярен упомянутой выше поверхности основания 1 и направлен кэлектромагниту 3 через поверхность основания 1 (на иллюстрациях,Р условно сме- . щен в сторону). В вариантах, показанных на фиг. 1, 3, 4, вектор й направлен противоположно вектору 9 сил гравитации (направлению ускорения силы тяжести), в варианте, изображенном на фиг. 2, - произвольно,Электромагнит 3 теплоизолирован от радиатора 2 зазором (показано на чертежах) или теплоизоляционными материалами.Может быть один, два или несколько электромагнитов 3, распределенных вдоль поверхности радиатора 2.Охватываемое магнитным полем пространство в зазоре Ь частично заполнено ферромагнитной сыпучей массой 4, преимущественно ферромагнитным порошком с высокой теплопроводностью. Противолежащие поверхности тел 1,2 и теплоноситель - масса 4 в переменном поле йобразуют основной или параллельный основному контур системы охлаждения основания 1 (параллелен, например, контуру конвективного охлаждения основания 1 газом-теплоносителем в зазоре Ь, может существовать наряду с системой охлаждения).В другом возможном варианте устройства (фиг. 2) с тыльной стороны основания 1 аналогично электромагниту 3 и соосно ему установлен электромагнит 5, создающий магнитное поле, охватывающее зазор Ь вплоть до поверхности радиатора 2 (основание 1 в данном случае выполнено также из немагнитного материала), с главным вектором,й 1 противоположного вектору р 2 на.правления.Противолежащая электромагниту 3 поверхность основания 1 может быть как ровной (фиг. 3, 4), так и с макронеровностями (фиг. 1, 2); она может быть выполнена развитой, в частности с ребрами (как у ребристых радиаторов), ориентированными в направлении к электромагниту 3. 5 10 20 тяжения,й 1 ), нагревается главным обра 25 30 35 контура "хладагент в полости б" (фиг, 3) или контуров "тепловая труба 7 - радиатор 9" и"тепловая труба 8 - радиатор 10" (фиг. 4),При выключении электромагнита 3 теплоно 40 ситель 4 возвращается под действием сил.19 ,й 1=О, ,й 1,и 2=Овисходное положение при Та Т 1 и охлаждает тело 1 в непосредственном контакте с ним. Процесс повторяют необходимое по эа 5 данным условиям теплообмена число раз,При взаимном перемещении основания 1 и радиатора 2 управление электромагни 50 55 В устройстве может быть предусмотрен дополнительный, не зависимый от описанного выше контур системы охлаждения; обеспечивающий охлаждение радиатора 2. На фиг, 3 радиатор 2 выполнен в виде пло- ской криогенной панели (криопанели), в полости 6 которой залит или прокачивается жидкий или газообразный хладагент. На фиг. 4 основание 1 соединено тепловыми трубами 7 и 8 с радиаторами-охладителями 9 и 10 соответственно,Пространство в зазоре Ь может быть ограничено дополнительными стенками 11 (фиг. 3),Устройство по любому из рассмотренных вариантов допускает взаимное перемещение основания 1 и радиатора 2.Каждый из описанных вариантов обладает свОими 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 призйаков предложенного устройства.Устройство работает следующим образом.Ферромагнитная масса 4, находясь на поверхности основания 1 (под действием сил гравитации 9 и/или магнитных сил призом эа счет контактной теплопроводности, отбирая тепло от основания 1. По управляющему сигналу(вручную или автоматически при наличии автоматики) включают электромагнит 3. В варианте по фиг. 2 электромагнит 5 при этом выключают. Это вызывает перемещение массы 4 в зазоре 1 от основания 1 к радиатору 2 под действием магнитных сил притяжения Д 9/2 1,и 1= О.Притянутыйк поверхности радиатора 2 промежуточный теплоноситель 4 с температурой Та(Тз ТаТ 1) охлаждается, передавая тепло в непосредственном контакте радиатору 2, который может одновременно охлаждаться за счет тами 3, 5 синхронизировано с перемещениями. При развитой (неровной) поверхности оСнования 1 происходит более интенсивная теплопередача от основания 1 к теплоносителю 4.Предложенное устройство защищает также способ теплообмена согласно описанному процессу работы устройства, включающего, е себя описаннуюпбследовательность операций.2002192 Использование изобретения позволяет расширить технические воэможности теплообменного устройства;интенсифицировать процесс охлаждения или обогрева при использовании в качестве дополнительного средства осуществления теплообмена;интенсифицировать процесс охлаждения или обогрева при использовании в каче 10 стае основного средства осуществления теплообмена при сравнительно низкой эффективности имеющегося механизма тепло- передачи (по газовой прослойке в зазоре и, низкие коэффициенты излучения противолежащих поверхностей тел 1 и 2, неразвитый контакт теплового моста с телами 1, 2 и т.д,);обеспечить теплоотдачу там, где нежелательны или невозможны иные известные 15 20 способы и устройства, в частности тепловые мосты в зазоре и при наличии перемещающихся в нем тел, а также при постоянном или периодическом перемещении тел 1, 2.Наиболее эффективно использование изобретения в условиях вакуума (натурные космические условия и их имитация в тепло- вакуумных испытательных и экспериментальных установках), где необходимо соблюдение вакуумной гигиены, ограничены возможности использования конвективного теплооб:ена, нежелательны по соображениям надежности и сложности контуры с жидким теплоносителем (хладагентом),Вариант, представленный на фиг. 1, удобен тем, что относительно прост и в нем возврат теплоносителя 4 происходит под действием естественных сил - сил гравитации.Вариант же с соосными электромагнитами (фиг. 2) допускает любую ориентацию 1, ТЕПЛООБМЕННОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее охлаждаемое основание и радиатор, установленные с зазором, в котором размещен теплопередающий элемент, и средство его перемещения, отличающее ся тем, что, с целью повышения эффективности и надежности в условиях вакуума, теплопередающий элемент выполнен в виде ферромагнитной сыпучей массы.2. Устройство по п.1, отличающееся 55 тем, что средство перемещения теплопередающего элемента выполнено в виде электромагнита, размещенного с наружной стороны радиатора, при этом охлаждаемая поверхность основания и поверхность раФ о р мул а изобретения 25 30 35 40 в пространстве. зависимость от поля гравитации несущественна, что представляет интерес прежде всего в космической технике.Сочетание предложенного "магнитного" контура охлаждения основания 1 с контуром охлаждения радиатора 2 элементами 6 и 7-10 усиливает положительный эффект, причем на качественно новом уровне(не как суммарный эффект от сочетания двух известных технических решений) за счет улучшения условий магнитного взаимодействия с уменьшением температуры.При известных достоинствах электромагнитной плиты с импульсным управлением (энергетическая экономичность и компактность) целесообразность ее использования в заявленном устройстве ооусловлена ее геометрическими особенностями: плоская рабочая поверхность с широким выбором размеров.Еще одно преимущество предложенного теплообменного устройства с теплоносителем в виде сыпучей массы - удобствЬ взаимодействия с неровными, в частности развитыми, поверхностями, т.к. сыпучая масса легко проникает в неровности, контактируя со всей поверхностью, чего нет при непосредственном контакте с тепловым мостом, особенно в откаченном пространстве.(5 б) Авторское свидетельство СССР М 1455044, кл. Е 04 В 37/08, 1987,Низкотемпературные тепловые трубы для летательных аппаратов./Под ред. Г.И.Воронина. М.: Машиностроение, 1976, с. 183, рис, 5. 29,Патент США М 3957107, кл, Г 28 О15/00, опубли к,1976. Фдиатора, образующие зазор, расположены горизонтально,3. Устройство по п,1, отличающееся тем, что средство перемещения теплопередающего элемента выполнено в виде двух соосных электромагнитов, один из которых расположен на наружной поверхности радиатора, а другой - на наружной поверхности основания,4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что радиатор снабжен каналами, сообщенными с источником охлаждающей среды.5. Устройство по п,1, отличающееся тем, что по меньшей мере одна из поверх