Теплофильтр

)ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(57) Использование: в системах охлаждения осветителей с улучшенными теплофиэическими свойствами и с естественным охлаждением. Сущность изобретения: теплофильтр содержит корпус 1 в виде емкости с двумя рабочими стенками 2 и боковыми стенками 3, образующими полость 4.Стенки 2 содержат светопрозрачные теплопоглощающие окна 5 и 6, произвольно расположенные относительно оптической оси , 7. Полость 4 заполнена светопроницаемой деаэрированной жидкостью 8. Корпус 1 герметично соединен с охлаждающим элементом 9 с помощью пароконденсатопровода 10. Элементы 1, 9 и 10 образуют тепловую трубу с испарителем 1 и конденсатором 9, на внутренней поверхности которых расположен фитиль 11. Испаритель 1 поглощает тепловое излучение источника 12 с отража1796835 10 20 3.0 35 40 телем 13, а конденсатор 9 выделяет теплоту в окружающее пространство, Внешняя поверхность заднего окна 6 имеет. интерференцианное покрытие, отражающее тепловое излучение. Тепловое излучение . источника 12 проходит через окно 5, рабочую жидкость 8, окно 6, частично поглощаИзобретение относится к светотехнике, а именно к системам охлаждения в осветителях; в частности к устройствам для отвода от оптических элементов тепла, поступающего к ним.в аиде излучения источников света, и может быть использовано в тепло- защитных светофильтрах осветителей с улучшенными теплофизическими свойствами и с естественным (не принудительным) охлаждением, например, в устройствах дляотвода:тепла от фильмового канала кино- и фил ьмоп роекторов, негативодержателей фотопечатающих устройств и в охлаждаемых светильниках.Известен теплофильтр абсорбционного типа, представляющий собой слабоокрашенное сине-зеленое голубое) цветное стекло, например. одно иэ освоенных отечественной промышленностью стекол типа СЗС(СЭС 16, СЭС 24, СЗС 25, СЭС 26)Недостатком стеклянного абсорбционного теплофильтра является невозможность получения больших размеров фильтра, Теплофильтры иэ 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,Другим недостатком абсорбционного теплофильтра из стекла являешься невысокий коэффициент теплопередачи стекла типа СЗС на оправу фильтра даже в условиях возможности активного охлаясдвния этой оправы, что ухудшает теплосьем с тепло- фильтра и приводйт к его перегреву. Тепло- фильтр сам становится вторичйцм источником теплового излучения. Эффективность рассеивания .тепловой энергии этим теплофиЬьтром во внешнее по отиоаению к осветителю пространство мала,Кроме того, недостатком .абсорбционного теплофильтра из стекле является изменение его спектральнога поглощенйя при повышении температуры теплофильтра в процессе его работы. Общим для всех стекол является смещение принагревании коротковолновой границы и полос поглощения, а также увеличение оптичеясь в них, и отражается назад покрытием, полностью поглощаясь в теплофильтре, Жидкость 8 испаряется, Ее пар конденсируется в конденсаторе 9, передавая ему скрытую теплоту парообразования. Положительный эффект: уменьшение толщины теплофильтра и потерь света на отражения. 1 з. и, ф-лы, 3 ил. ской плотности в минимумах, Это ухудшает спектральные свойства светофильтров. Например, поглощение стеклом СЭС 24 инфракрасного излучения ослабевает в два раза. Сильно смещается граница поглощения желтых; оранжевых и красных стекол, расположенных рядом с теплофильтром, дОходящая до перехода стекла в следующуюмарку данного ряда. Все это ухудшает конструктивные и светотехнические характеристики абсорбционного теплофильтра из стекла.Известен жидкостный.теплофильтр, представляющий сооой корпус произвольной формы (например, цилиндрический или в виде параллелепипеда), выполненный иэ светопрозрачйого 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 областй спектра, Эффективная фильтрация инфракрасного излучения связана с относительно большой толщиной водяного слоя в теплофильтре, составляющей 10-30 мм. Недостатком этого жидкостного теплофильтра является необходимость применения специальнцх устройств для прокачки воды через корпус, что снижает надежность .и долговечность теплофильтра и существенно усложняет его. Замкнутая система циркуляции светопроницаемой телпоглощающей жидкости, снабженная радиаторами охлаждения, сложна и громоздка,Другим недоста 1 ком.этого жидкостного теплофильтра является неизбежность паразитнцх вибраций и акустических, электрических м магнитных шумов, создаваемых приводом системы цйркуляции жидкости,что снижает оптические параметры устройства, в состав которого входит теплофильтр. Кроме того, недостатком этого жидкостного теплофильтра является отложение на, внутрЬнйих поверхностях стеклянного корпуса примесей, возникающих в результате 50 загрязнения циркулирующей жидкости масляными включениями циркуляционных на- нами корпуса, Теплопоглощающий элемент сосов. в одном из своих вариантов выполнен в виВсеэто ухудшает конструктивные исве- де плоскопараллельной пластины из теплототехнические характеристики жидкостно- поглощающего стекла, а в другом варианте го теплофильтра, 5 - в виде зернистого слоя, образованногоИзвестен теплофильтр, представляю- зернами из теплопоглощающего стекла по щий собой корпус с противоположными све- меньшей мере одного типа, заполняющими топрозрачными и. пропускающими зазор между стеклами,инфракрасное излучение окнами, заполнен- Недостатком этого теплофильтра являный теплопоглощающей жидкостью, являю ется его увеличенная толщина, обусловлен- щейся фильтрующим элементом. Корпус ная наличием внутри корпуса герметично соединен с охлаждающим эле- теплопоглощающего элемента, располагаементом, выполненным в виде рекуператив- мого к тому же в случае его выполнения в ного теплообменника с исключающим виде пластины на определенных расстоянивыход пара жидкости предохранительным 15 ях от окон корпуса. Другим недостатком этоприспособлением в виде сильфона с регули- го теплофильтра являются его повышенные ровочной пружиной. световые потери, вызванные наличием вПри работе устройства пары нагретой корпусе по меньшей мере одного теплопогжидкости конденсируются на внутренней лощающегоэлемента,надвухповерхностях поверхности теплообменника и конденсат 20 которого, граничащих с рабочей жидкостью стекает в емкость корпуса. Охлаждающая с меньшим, чем у стекла, показателем превода подается в наружную камеру теплооб- ломления света, может теряться на отражеменника через один патрубок, а выводится ние до 5 падающего излучения, При через другой, Применение сильфона исклю- выполнении теплопоглощающего элемента чает стравливание пара и обеспечивает по в виде зернистого слоя аналогичные потери стоянный объем фильтрующей жидкости, света происходят на каждом из несколькихНедостатком этого теплофильтра явля- зерен, расположенных по толщине тепло- ется необходимость подключения его реку- фильтра, что существенно увеличивает их. перативного теплообменника к магистрали . Все это ухудшает конструктивные и свес охлаждающей водой, что затрудняет усло тотехнические характеристики известного вия его эксплуатации и сужает область воз- теплофильтра.можных применений,. Целью изобретения является улучшеДругим недостатком этого теплофильт- ние конструктивных и светотехнических хара является большой расход охлаждающей рактеристик теплофильтра за счет воды при длительных сроках эксплуатации 35 обеспеченияменьшейеготолщиныиуменьустройства, то есть его низкая экономич- шения потерь света на отражение.ность. Поставленная цель достигается тем, чтоКроме того, недостатком этого тепло- в известном теплофильтре, содержащем зафильтра является его громоздкость, обуслов- полненный жидкостью корпус с противополенная конструктивными особенностями 40. ложными светопрозрачными окнами и рекуперативного теплообменника, что за- охлаждающий элемент, выполненные сооттрудняет возможность компоновки такими ветственно в виде испарителя и конденсатотеплофильтрамиразличныхсветооптических ра одной тепловой трубы, согласно устройств. изобретению по меньшей мере одно из оконВсе это ухудшает конструктивные и све корпуса выполнено поглощающим тепловое тотехнические характеристики этого тепло- излучение.фильтра, Поставленная цель достигается такжеИз известных теплофильтров наиболее тем, что внешняя поверхность заднего окна близким к заявленному техническим решени- корпуса дополнительно снабжена покрытием, выбранным в качестве прототипа, являет ем, пропускающим световое и отражающим ся устройство. описанное в заявке. тепловое излучения,Устройство представляет собой заполненный Таким образом, заявленное техничежидкостью корпус с противоположными све- ское решение имеетследующие отличительтопроэрачными теплопропускающими окна- ные от прототипа существенные (основные ми и охлаждающий элемент, При этом корпус 55 и дополнительнйе) признаки:выполнен в виде испарителя, а охлаждающий го меньшей мере одно из окон корпуса элемент - в виде конденсатора одной тепло- выполнено поглощающим тепловое излучевой трубы, Корпус снабжен по меньшей мере ние;одним светопрозрачным теплопоглощаю- внешняя поверхность заднего окна корщим элементом, расположенным между ок- пуса дополнительно снабжейа покрытием, 179683510 15 20 30 35 40 50 55 ния в теплофильтре, что улучшает теплопоглощение им и позволяет уменьшить толщину светофильтра. При этом пропропускающим световое и отражающим тепловое излучения.Благодаря этим отличиям достигается возможность уменьшения толщины тепло- фильтра и потерь света на отражение тепло- фильтром, что улучшает конструктивные и светотехнические характеристикиВ приведенной выше новой совокупности основных и дополнительных отличительных признаков, не обнаруженной в известных технических рещениях данной области техники, взятый сам по себе отличительный признак независимого пункта формулы изобретения известен. Однако в известных жидкостных светофильтрах тепло поглощается либо жидкостью, либо помещенным в нее стеклянным элементом, а окна служат лищь элементами корпуса, являющегося емкостью для жидкости. В заявленном устройстве тепло поглощается одним или двумя окнами корпуса, а жидкость служит только для отведения поглощенного окнами тепла за пределы устройства. В заявленном устройстве окно выполняет одновременно две функции - элемента корпуса и теплопоглощающего элемента, Благодаря этому предложенное устройство проявляет по сравнению с известным устройством новый эффект - сокращение толщины светофильтра при сохранении той же эффективности теплоотвода, что и в прототипе.Кроме того, в приведенной выше совокупности отличительных признаков, не.обнаруженной в известных технических решениях данной области техники, признак дополнительного пункта формулы изобретения (теплоотражающее покрытие на внешней поверхности заднего окна тепло- фильтра) не выявлен как в аналогах заявлен ного технического решения, так и в любых других известных в технике обьектах. Благодаря выполнению теплопоглощающим только заднего (по ходу луча света) окна светофильтра в этом окне будут сильнее нагреваться слои, граничащие с жидкостью (чем внешние слои окна), в которых будет поглощаться основная доля инфракрасного излучения. Но эти же слои будут сильнее и отводить тепло в рабочую жидкость. Два эти процесса обеспечивают относительную однородность поля температур в теле теплопоглощающего окна, что повышает его надежность и является новым эффектом.Кроме того, благодаря наличию внешнего теплоотражающего покрытия вдвое увеличивается длина пути инфракрасного излучеход инфракрасного излучения через тепло- фильтр в двух взаимно противоположных направлениях также улучшает однородность теплопоглощения в толще теплофильтра,На фиг. 1 изображен предлагаемый теплофильтр, разрез; на фиг. 2 - теплофильтр с теплопоглощающим задним окном и с отражающим тепловое излучение покрытием наего внешней поверхности, разрез; на фиг, 3- теплофильтр с теплопоглощающим передним окном и с отражающим тепловое иэлучение покрытием на внешней поверхностизаднего окна, разрез.Предложенный теплофильтр включает всебя корпус 1 (фиг. 1), выполненный в видекюветы (емкости) из механически прочного материала, содержащего две рабочие стенки 2, образующие два слоя, и боковые стенки 3. Стенки 2 и 3 ограничивают рабочуюполость 4 корпуса 1 в виде щели. Рабочие стенки 2 содержат светопрозрачные теплопоглощающие (поглощающие тепловое излучение) оптические окна 5 и 6,расположенные противоположно друг другу. Окна 5 и 6 в стенках 2 могут иметь произвольную форму,например быть плоскопарэллельными прямоугольными(фиг. 1) или сферическими (не показано)Разные окна 5 и 6 могут иметь одинаковую или разную конструкцию. Они могут быть ортогональны или наклонны к оптической оси 7 корпуса 1 и различно располагаться по отношению одно к другому. Окно 6 или обаокна 5 и 6 корпуса 1 выполнены поглощающими тепловое излучение. Оба окна 5 и 6 выполнены пропускающими видимый свет. 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 обьеме корпуса 1 тепловому излучению многократно проходить через рабочую полость 4 и поглощаться в ней. Корпус 1 выполнен герметичным, Весь обьем рабочей полости 4 заполнен светопроницаемой рабочей жидкостью 8.Теплопоглощающее окно 5. 6 может быть выполнено, например, в виде плоско- параллельной пластины (фиг, 1), клиновидным (не показано) или иметь любую иную более сложную форму, Две рабочие поверхности окна 5, 6 могут иметь одинаковую илиразличную форму. Теплопоглощающее окно 5, 6 выполнено иэ материала с увеличеннойпоглацательной способностью в инфракрасном диапазоне спектра, например из стекла марок СЭС 5, СЭС 16. СЭС 24, СЭС25, СЭС 26. Температура размягчения теп- щен эа пределами осветительного устройстлопоглощающих стекол меняется в преде- ва (например, на поверхности корпуса освелах от 330 до 670 С, тителя) и рассчитан на охлаждениеРабочаяполость 4 корпуса 1 заполнена естественным (не принудительным) обрадеаэрированной жидкостью 8, например 5 зом путем воздушного охлаждения, Внешдистиллированной водой. К этой рабочей няя поверхность металлического жидкости предъявляется несколько требо- конденсатора 9 для повышения теплового ваний. Во-первых, жидкость 8 должна удое- излучения зачернена, материал корпуса летворять требованиям, предъявляемым к конденсатора 9 выбран теплопроводным, а теплоносителю тепловой трубы. Далее, же конденсатор 9 имеет развитую поверхность, лательно чтобы она обладала увеличенной габариты и форма которой обусловлены контеплопоглощательной способностью в инф- структивными особенностями осветителя, ракрасном диапазоне спектра. Кроме того, Теплофильтр может быть выполнен в желательно, чтобы показатель преломления трех вариантах,жидкости 8 был как можно более близким к 15 В соответствии с вторым вариантом выпокаэателю преломления стекла окон 5, 6. полнения теплофильтра теплопоглощаюПервое требование необходимо для воэ- щим выполнено заднее окно 6 (фиг, 2). можности выполнения корпуса 1 в виде ис- Переднее окно 5 выполнено теплопронускапарителя тепловой трубы. Второе ющим. На внешней поверхностизаднегооктребование направлено на повышение эф на 6 нанесено интерференционное фективности теплозащиты теплофильтром, покрытие (интерференционное зеркало) 14, Третье требование имеет своей целью пропускающее видимую часть спектра и отуменьшение светопотерь в теплофильтре на ражающее тепловое излучение,границах раздела сред образующих его эле. В соответствии с третьим вариантом выментов. 25 полнения теплофильтра теплопоглощаюКорпус 1 герметичносоединенсохлаж- щим выполнено только переднее окно 5 дающим элементом 9 с помощью парокон- (фиг, 3). Внешняя поверхность заднего тепденсатопровода 10. Корпус 1, охлаждающий лопропускающего окна 6 снабжена интер- элемент 9 и пароконденсатопровод 10 обра- ференционным .покрытием (инфракрасным зуют тепловую трубу, представляющую со зеркалом) 14, отражающим инфракрасную бой замкнутый герметичный корпус, из область спектра излучения источника света которого удален неконденсирующийся газ,12, Корпус 1 заполнен теплопоглощающей При этом корпус 1 образует испаритель теп- жидкостью 8,ловойтрубы.аохлаждающийэлемент 9 - ее Теплофильтр работает следующим обконденсатор, На внутренней поверхности 35 разом.,охлаждающего элемента (конденсатора) 9 и Излучение от источника света 12 (фиг. 1) пароконденсатопровода 10 расположена частично направляется непосредственно во капиллярно.пористая структура (фитиль) 11 входное окно 5 корпуса 1, а частично-на тепловой трубы, насыщенная жидким теп- отражатель 13 и далее, отразившись от него, лоносителем, Однако возможна и бесфи такженаправляется во входное окно 5, Подтильная гладкостенная тепловая труба веденное к окну 5 световое излучение сво(термосифон), Возможна конструкция теп- бодно проходит через него. Световое ловой трубы, когда пароконденсатопровод излучение проходит далее через рабочую не может быть выделен в ней явно(не пока- жидкость 8 тепловой трубы и окно 6 и выхоэано). а испаритель 1 непосредственно сое дит из теплофильтра. Тепловое излучение динен с конденсатором 9. Возможно также поглощается теплопоглощающим окном 6 такое выполнение тепловой трубы (фиг. 1), или двумя окнами 5 и 6, каждое из которых когда испаритель 1 единственный. а количе- выполнено из теплопоглощающего материствоконденсаторов 9 исоответствующихим ала, и рабочей жидкостью 8 полости 4, На пароконденсатопроводов 10 больше одно поверхности рабочей жидкости 8 происхого, Испаритель 1 тепловой трубы предназ- дитиспарение, Пар поддействием разности начен для поглощения теплового излучения . концентраций переносится по пароконденисточника 12, а конденсатор 9- для выделе- сатопроводу 10 в конденсатор 9, где за счет ния этой теплоты в окружающее простран- переохлаждения конденсируется, Образо- ство. Пароконденсатопровод 10 не 55 вавшийся конденсат возвращается по каучаствует в процессе теплообмена. Испари- пиллярно-пористой структуре 11 в тель 1 тепловой трубы расположен в преде- испаритель 1 под действием сил поверхнолах осветительного устройства, например, стного натяжения. Вследствие того, что в перед источником света 12 и отражателем тепловой трубе происходит передача скры. Конденсатор9 тепловой трубы разме- тойтеплоты парообразования, испаритель 11796835 12 5 10 15 20 25 30 40 может передавать конденсатору 9 большие тепловые потоки. В термосифонах (гладко- стенных тепловых трубах), работающих в поле сил тяжести (в отличие от невесомости), возврат рабочей жидкости в зону теплоподвода может осуществляться в виде стекающей пленки, для чего конденсатор 9 размещают выше испарителя 1 тепловой трубы. Капиллярно-пористая структура 11 может транспортировать жидкость как в поле сил тяжести, так и при его отсутствии, Более того, она способна противостоять силе тяжести. Капиллярно-пористая структура 11 может обеспечить подъем теплоносителя в вертикальной тепловой трубе против сил тяжести на высоту 1-1,5 м, что вполне достаточно для работы заявленного устройства. В связи с тем, что площадь поверхности конденсатора 9 превышает площадь поверхности испарителя 1 тепловой трубы,последняя функционирует как трансформатор плотности теплового потока, осуществляя его деконцентрацию. Охлаждение конденсатора 9 осуществляется естественным образом, конвекцией воздуха, омывающего поверхности конденсатора 9, и излучением тепла конденсатором 9 в окружающее пространство,Работа теплофильтра по второму варианту его выполнения (фиг, 2) осуществляется следующим образом.Свет источника 12 проходит через окна 5 и 6 корпуса 1, рабочую жидкость 8 и интерференционное покрытие 14 на внешней поверхности окна 6. Тепловое излучение 35 свободно проходит через окно 5, частично поглощается рабочей жидкостью 8 в корпусе 1 и частично поглощается теплопоглощающим окном 6. Непоглощенная часть теплового излучения отражается покрцтием (инфракрасным зеркалом) 14 и проходит теплопоглощающие среды в обратном направлении, полностью в них поглощаясь,Формула изобретения 1, Теплофильтр, содержащий заполненный жидкостью корпус с противоположными светопрозрачными окнами и охлаждающий элемент, выполненные соответственно в виде испарителя и конденсатора однойтепловойтрубы, от л и ча ю щи йс я тем, что, с целью улучшения его конструк тивных и светотехнических характеристик. в Наличие покрытия 14 увеличивает таким образом длину пути теплового излучения в теплопоглощающих средах, что повышает эффективность теплопоглощен ия при неизменности толщины корпуса 1,Работа теплофильтра по третьему варианту его выполнения (фиг. 3) осуществляется аналогично, Световое излучение источника 12, направленное во. входное теплопоглощающее окно 5 корпуса 1, беспрепятственно проходит через окно 5, рабочую жидкость 8 в корпусе 1, теплопропускающее окно 6 и через интерференционное покрытие 14, являющееся зеркалом для инфракрасного излучения. Тепловое излучение частично поглощается входным окном 5 ичастично проходит толщину этого окна. Часть прошедшего окна 5 инфракрасного излучения поглощается рабочей жидкостью 8 испарителя 1, а прошедшая часть свободно проходит через толщу окна 6 и проникает а отражающее покрытие 14. После полного отражения на зеркале 14 тепловое излучение возвращается внутрь корпуса 1 и вторично: проходит через слой рабочей жидкости и теплопоглощающее окно 5, поглощаясь теплофильтром сполна, Возникшее в результате поглощения в корпусе 1 инфракрасного излучения тепло с помощью тепловой трубы отводится в окружающее пространство,Применение данного технического решения позволяет улучшить конструктивные и светотехнические характеристики тепло- фильтра путем уменьшения его толщины и потерь света, связанных с его отражением на границах раздела сред, Техническое решение обеспечивает повышенную однородность распределения температуры в объеме теплофильтра, что исключает растрескива- ние его стеклянных элементов и повышает надежность устройства. Все это улучшает эксплуатационные характеристики устройства; нем по меньшей мере одно иэ окон корпусавыполнено поглощающим тепловое излучение,2. Теплофильтр по и, 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что внешняя поверхность заднего окна корпуса дополнительно снабжена покрытием. пропускающим световое.и отражающим тепловое излучения.1796835 орректор П.Гер знецов Редакт Производстве Заказ 640 ВНИИПИ Гос ляг. зоставитель В.Поповаехред М,Моргентал Тираж Подписноеарственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул,Гагарина, 1