КРИОПЛИТА Российский патент 1995 года по МПК F25B9/00 F25B9/02 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к холодильной и криогенной технике.

Известны микроохладители, содержащие полость криостатирования со входом из дросселя и выходной канал.

Недостатком такой полости криостатирования микроохладителя является неравномерное орошение стенок жидким хладагентом, что вызывает разность температур на поверхности объекта охлаждения (Грезин А.К., Зиновьев В.С. Микрокриогенная техника, М.: Машиностроение, 1977, с. 61, рис. 26).

Известна также низкотемпературная часть дроссельного микроохладителя, состоящая из входа в полость криостатирования, выхода и волокнистого материала для сбора жидкости в нижней части полости (прототип).

Недостатками этой конструкции низкотемпературной части является:
- низкая надежность и эффективность работы из-за того, что капли жидкости, ударяющиеся в волокнистый материал, могут не впитаться этим материалом сразу во время удара. Капля может отскочить и унестись с обратным потоком. Например, если волокнистый материал теплый или в месте удара капли только что произошло впитывание и капиллярные каналы между волокнами пока заняты. При попадании же жидкой фазы в канал обратного тока может привести к значительному ухудшению гидравлики микроохладителя;
- низкая эффективность работы из-за того, что для получения холода не используется кинетическая энергия сдросселированного потока;
- неравномерное пропитывание волокнистого материала, так как струя с каплями жидкости ударяется в одно место. Причем при тепловыделении объекта охлаждения в месте контакта волокнистого материала со стенкой объекта охлаждения возникает за счет постоянного испарения газовая прослойка, которая будет значительно снижать теплопередачу.

Известна также криокамера с закруткой сдросселированного потока (Джонс Дж.А., Голвен П.М. Устройство, ресурсные испытания и перспективные конструкции криогенных систем с металлогидридным компрессором. Сriogenic, 1985, том 25, вып. 4, с. 212-219).

Недостатком данной криокамеры является необходимость создания значительного количества жидкости, чтобы она могла, покрывая стенки камеры, циркулировать. Причем в такой камере невозможно обеспечить автономный эффективный режим работы после отключения подачи сжатого хладагента, например, при его временном засорении. Кроме этого, при отключении подачи сжатого хладагента в условиях невесомости жидкость приобретает форму шара и перестает омывать стенки камеры. В этой конструкции не используется кинетическая энергия выходящих струй для снижения температуры хладагента.

Целью изобретения является повышение эффективности и надежности работы криоплиты.

Указанные цели достигаются тем, что пористый или волокнистый материал размещают в полости криостатирования таким образом, что образуются внешняя и внутренняя камеры, не заполненные пористым материалом. Внешняя полость соединена с выходным патрубком, а внутренняя выполнена в виде цилиндра, который связан с входным патрубком трубкой, установленной тангенциально относительно цилиндрической поверхности и с выходным патрубком дополнительной трубкой, один конец которой размещен в центральной части внутренней камеры, а другой - в канале выходного патрубка с образованием эжектора с направлением эжекции из внешней камеры.

На чертеже изображена предлагаемая криоплита.

Криоплита состоит из корпуса 1, внешней камеры 2, внутренней камеры 3, входного 4 и выходного 5 патрубков, пористого материала 6, трубки 7, дополнительной трубки 8.

Криоплита работает следующим образом. Парожидкостная фаза низкого давления хладагента через входной патрубок 4 и трубку 7 поступает в цилиндрическую внутреннюю камеру 3. При этом за счет тангенциального входа парожидкостной фазы она получает закрутку в камере 3. Капли жидкости, ударяющиеся о пористый материал 6, впитываются этим материалом. Если после входа внутреннюю камеру 3 в момент первого удара капля жидкости не впитывается, например, если стенки внутренней камеры 3 еще теплые, то за счет центробежных сил эта капля будет перемещаться по окружности, образующей стенки камеры 3, и будет прижата к стенке во время движения центробежными силами. Это дает возможность повысить эффективность теплообмена за счет того, что жидкая фаза будет постоянно прижата к стенке и перемещаться вдоль нее и в конце концов произойдет либо полное испарение, либо жидкость впитается пористым материалом 6. Это необходимо для эффективной работы криоплиты или низкотемпературной части микроохладителей при их работе в условиях невесомости, где в случае отскакивания капли жидкой фазы от пористого материала или от стенки объекта охлаждения в лучшем случае будут находиться между стенок, а в худшем случае могут попасть в канал обратного тока и ухудшить гидравлику криогенной системы. Таким образом, повышается надежность криогенной системы и ее низкотемпературной части или криоплиты.

После закрутки во внутренней камере 3, в ее центральной части находится газообразная фаза хладагента, которая через дополнительную трубку 8, вход в которую расположен в центральной части внутренней камеры , поступает на выход из трубки 8. Выход трубки 8 и выходной патрубок 5 образуют эжектор с направлением эжекции из внешней камеры. Эжектирующая струя выходит из трубки 8, а эжектируемая струя движется в выходном патрубке 5. Так как выходной патрубок 5 сообщается с внешней камерой 2, то давление в этой камере за счет эжекции будет пониженным. Это позволяет снизить температуру криостатирования за счет использования кинематической энергии струи, выходящей из трубки 8 и, таким образом, повысить эффективность работы криоплиты.

Эжектирование внешней камеры 2 создаст разность давлений между этой камерой и внутренней камерой 3. Это позволит сделать более эффективным процесс впитывания жидкой фазы пористым материалом 6 из внутренней камеры 3. За счет разности давлений в камерах 2 и 3 будет происходить растекание жидкой фазы по всей поверхности пористого материала 6, что повысит равномерность и эффективность охлаждения криоплиты. В обычных конструкциях накопителей на стенке пористого или волокнистого материала, присоединенной к объекту охлаждения из-за теплопритока от объекта охлаждения образуется слой испарившейся газообразной фазы, который во-первых - ухудшает теплообмен, а во-вторых - препятствует пропитыванию пористого материала жидкой фазой из-за того, что создает поток, направленный от объекта охлаждения. В случае же эжектирования внешней камеры 2 жидкая фаза, впитавшаяся пористым материалом из внутренней камеры 3, даже при испарении в пористом материале 6 не препятствует движению жидкой фазы. При эжектировании полости 2 происходит вакуумирование полости 2, которое дает дополнительное снижение температуры криостатирования.

Такая конструкция криоплиты позволяет повысить эффективность и надежность ее работы, дает возможность снизить температуру криостатирования до температуры, ниже температуры испарения хладагента.

Использование: в криогенном машиностроении и может быть использовано для охлаждения объектов радиоэлектронной и фототехники. Сущность изобретения: в криоплите происходит закрутка газожидкостного потока, аккумулирование жидкой фазы пористым материалом, эжектирование потоком газовой фазы внешней камеры и снижение температуры криостатирования. 1 ил.

КРИОПЛИТА, содержащая полость криостатирования с входным и выходными патрубками, в которой расположен пористый материал, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности и надежности работ, пористый материал размещен в полости криостатирования с образованием внешней и внутренней камер, первая из которых соединена с выходным патрубком, а вторая выполнена в виде цилиндра, соединенного с входным патрубком, а вторая выполнена в виде цилиндра, соединенного с входным патрубком трубкой, установленной тангенциально относительно цилиндрической поверхности, и с выходным патрубком дополнительной трубкой, один конец которой размещен в центральной части внутренней камеры, а другой - в канале выходного патрубка с образованием эжектора с направлением эжекции из внешней камеры.