ТЕРМОКРИОСТАТ Российский патент 1997 года по МПК G05D23/30 

Изобретение относится теплофизическому приборостроению, более конкретно к исследовательской аппаратуре: термостатам и криостатам, обеспечивающим нагрев и охлаждение испытываемых образцов материалов в широком диапазоне температур и может использоваться при конструировании термокриостатов, предназначенных для бесконтактного нагрева и охлаждения образцов.

Известны термокамеры, установки тепла и холода, термокриостаты, применяемые для нагрева и охлаждения образцов, рабочие камеры которых выполнены в виде полостей, теплоизолированных от окружающей среды и продуваемых охлажденным рабочим телом (обычно азотом) для достижения отрицательных температур или нагретым газом для получения температуры образца выше комнатной. Для нагревания образцов часто используют также печи омического сопротивления (см. например, журнал ПТЭ, 1981, N 3, с. 226; 1991 N 2, с. 242). В ряде случаев камеры термокриостатов выполняют в виде керамических цилиндрических труб с встроенными в стенки нагревателями и полостями для заливки или прокачки хладагентов (см. например, патенты США N 2580259 от 25.11.51; журналы ПТЭ, 1991, N 5, с. 10; 1981, N 5, с. 212).

Во всех упомянутых конструкциях эффективность сложного лучистоконвективного теплообмена между источниками тепла и холода и образцом далека от оптимальной, что приводит к неоправданному росту энергозатрат и увеличению времени нагрева или охлаждения образца. Кроме того, при исследовании в таких камерах протяженных образцов возникает значительная неравномерность распределения температур по длине, что снижает точность эксперимента. К недостаткам описанных конструкций следует отнести и низкую степень автономности работы из-за необходимости иметь постоянный запас жидкого или газообразного хладагента.

Указанные недостатки в значительной мере устранены в конструкции термокриостата, содержащего разъемную теплоизолированную камеру, внутри которой установлены нагреватели лучистого типа, выполненных в виде рефлекторов параболической формы, обращенных вогнутой стороной к исследуемому образцу, размещенному по оси камеры без механического контакта с ее стенками, в фокусах которых установлены инфракрасные (ИК) лампы. Отражающие поверхности рефлекторов полированы и покрыты золотом. Для охлаждения образца в рассматриваемой установке предусмотрена замена нагревательной камеры на криостат торроидальной формы, в который заливается жидкий хладагент. Исследуемый образец в процессе этой замены демонтажу не подлежит (см. каталог фирмы ULVAC SINKU-RICO, INC. Япония "7000 Serie Thermal Analyzers", каталог N 8411-А12, июль 1990).

Конструкция данной установки, как наиболее близкая к предлагаемой, принята за прототип.

В рассматриваемой конструкции осуществляется бесконтактный нагрев и охлаждение образца. Условия лучисто-конвективного теплообмена между образцом и источниками тепла близки к оптимальным. За счет использования параболических отражателей практически все тепло от ИК-излучателей расходуется на нагрев образца, а возможность формировать коллимированное тепловое излучение обеспечивает высокую равномерность нагрева протяженных образцов.

Однако необходимость замены нагревательной камеры на криостат для перехода к испытаниям при низких температурах исключает возможность непрерывного изменения температуры образца во всем исследуемом температурном интервале, а использование жидкого хладагента снижает степень автономности работы термокриостата. Кроме того, полированные поверхности параболических рефлекторов чрезвычайно чувствительны к малейшим загрязнениям, приводящим к снижению их отражательной способности и в конечном итоге, к выходу их из строя, что снижает эффективность установки в целом.

Изобретение решает задачу создания высокоэффективного термокриостата с большой степенью автономности его работы, позволяющего осуществлять непрерывное плавное регулирование температуры исследуемого образца в широком диапазоне.

Для решения этой задачи в известном термокриостате, содержащем разъемную теплоизолированную камеру для бесконтактного нагрева и охлаждения исследуемого образца, размещенного по оси камеры без механического контакта с ее стенками, внутри которой установлены профилированные излучатели в виде параболоидов вращения с источниками теплового воздействия, источники теплового воздействия выполнены с возможностью трансформации их из источника тепла в источник холода и наоборот, и установлены в мнимых фокусах параболоидов вращения, выпуклые поверхности которых обращены к образцу и зачернены.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена конструктивная схема предлагаемого термокриостата.

Термокриостат содержит камеру 1, выполненную из двух разъемных блоков, внутри каждого из которых установлены излучатели 2, изготовленные в виде параболоидов вращения, обращенных выпуклой стороной к исследуемому образцу 3. Образец 3 установлен по оси камеры и не имеет механического контакта с ее стенками. На выпуклые поверхности параболоидов 2, обращенных к образцу 3 нанесено чернение 4. В мнимых фокусах f параболоидов 2 (в данном варианте конструкции) размещены керамические пластины 5 с напыленными на них резистивными слоями 6, являющиеся источниками теплового воздействия с возможностью их трансформации из источников тепла в источник холода и наоборот. При пропускании тока через резистивный слой 6 пластина 5 является источником тепла. Эта же пластина 5 находится в тепловом контакте с теплопроводом 7, сопряженным с газовой криогенной машиной (ГКМ) 8 через тепловой ключ 9, и в определенных условиях (при подключении к работающей ГКМ) является источником холода. Для удобства управления процессом нагрева и охлаждения образца 3 излучатели 2 и тепловой ключ 9 содержат термодатчики 10, подключенные к температурному контроллеру 11, обеспечивающему заданный тепловой режим термокриостата. На внешней поверхности камеры размещена теплоизоляция 12.

Работа предлагаемого термокриостата осуществляется следующим образом.

Исследуемый образец 3 размещается в зажимах по оси камеры 1 без механического контакта с ее стенками. На контроллере 11 задается необходимый температурный режим работы камеры и начинается разогрев или охлаждение излучающих параболоидов 2 с помощью подключения соответственно резистивных слоев 6 или ГКМ 8 через теплопровод 7 и тепловой ключ 9, или же одновременно. По сигналу от термодатчиков 10 контроллер 11 увеличивает или уменьшает мощность нагрева резистивных слоев 6, обеспечивая заданную температуру исследуемого образца 3 путем изменения мощности теплового излучения между образцом 3 и излучателями 2.

Расположение источников тепла и холода в мнимых фокусах параболоидов вращения 2 обеспечивает близкие к коллимированным потоки теплового излучения между излучателями 2 и образцом 3. В результате, образец 3 находится в изотермическом поле температур по всей длине и сечению. Так как керамические пластины с резистивными слоями могут быть как источником тепла, так и источником холода появляется возможность непрерывного изменения температуры образца во всем исследуемом диапазоне и обеспечивается автономность работы термокриостата.

Для предотвращения теплового повреждения ГКМ при температурах излучателей значительно выше комнатной контроллер 11 подает сигнал на тепловой ключ 9, термически отключает теплопроводы 7 от ГКМ 8, а затем и питание ГКМ. Следует отметить, что в принципе наличие контроллера 11 в схеме установки не обязательно, но удобство и полезность его очевидны.

Ввиду того, что излучающие поверхности 4 параболоидов 2, формирующих поток излучения на исследуемый образец 3, выполнены черными, возможное случайное или с течением времени загрязнение параболических поверхностей не приводит к заметной деградации излучателей, что выгодно отличает предлагаемый термокриостат от прототипа, где излучающие поверхности являются зеркальными, а поэтому чрезвычайно чувствительны к малейшим загрязнениям.

Предлагаемая конструкция была опробована на лабораторном образце термокриостата. Каждый из двух блоков камеры 1 термокриостата выполнялся в виде двухстенных сосудов с вакуумно-насыпной теплоизоляцией. Исследуемый образец 3 размещался в цапфовых зажимах по оси камеры 1 без механического контакта с ее стенками. Нагреватели выполнялись в виде пленок хрома 6, напыленных на керамику 5. Теплопровод 7 представлял собой жгут из гибких медных волокон провода типа "ПЩ" с общим диаметром около 15 мм, который сопрягался с газовой криогенной машиной 8 типа "ХМ- 25. Температурный контроллер 11 выполнен на базе микроЭВМ типа РС.

В предлагаемом термокриостате испытывались образцы с размерами d=5 мм и L=20 мм от отрицательных (около 80К) до положительных (около 600 К) температур в течение 20-25 мин; при этом энергозатраты были на (15-20)% ниже, чем в имеющихся отечественных образцах установок подобного типа, а равномерность нагрева по образцу составляла 0,5^oС (в сравниваемых установках 1,5^oС).

Изобретение относится к области теплофизического приборостроения, а более конкретно, к исследовательской аппаратуре, обеспечивающей нагрев и охлаждение исследуемых образцов в широком диапазоне температур, и может использоваться при конструировании термокриостатов, предназначенных для бесконтактного нагрева и охлаждения образцов. Термокриостат содержит теплоизолированную камеру, выполненную из разъемных блоков, в каждом из которых установлены тепловые излучатели, изготовленные в виде параболоидов вращения, обращенных выпуклой стороной к исследуемому образцу. В мнимых фокусах параболоидов размещены источники теплового воздействия, выполненные с возможностью трансформирования их из источников тепла в источники холода, и наоборот, причем выпуклые поверхности параболоидов исполнены черными. Такая конструкция не чувствительна к загрязнению излучающей поверхности, обеспечивает высокую равномерность нагрева и охлаждения образцов и позволяет вести плавное регулирование температуры в широком диапазоне. 1 ил.

Термокриостат, содержащий разъемную теплоизолированную камеру для бесконтактного нагрева и охлаждения исследуемого образца, размещенного по оси камеры без механического контакта с ее стенками, внутри которой установлены профилированные излучатели в виде параболоидов вращения с источниками теплового воздействия, отличающийся тем, что источники теплового воздействия выполнены с возможностью трансформации их из источника тепла в источник холода и наоборот и установлены в мнимых фокусах параболоидов вращения, выпуклые поверхности которых обращены к образцу и зачернены.