РАДИАЦИОННЫЙ ПАССИВНЫЙ СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ МАТЕРИАЛЬНЫХ ТЕЛ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (КОНЦЕПЦИЯ ЕГОРОВА) Российский патент 1997 года по МПК F28D21/00 F25B23/00 

Изобретение относится к технике охлаждения любых материальных тел, находящихся в газообразном, жидком или твердом состоянии, и позволяет понизить их начальную температуру до криогенных значений без затраты для этого какого-либо вида энергии: механической, электрической, тепловой, химической и т. п.

Применяемые способы охлаждения материальных тел чаще всего могут быть отнесены к двум вариантам:
когда теплообмен между охлаждаемым телом и другим материальным телом, обладающим более низкой температурой, осуществляется при их полном или частичном контакте, перемешивании, посредством одного или нескольких промежуточных носителей тепла или посредством тепловой радиации;
когда охлаждаемое тело участвует в физических или химических процессах, сопровождаемых поглощением тепла; испарение жидкостей, дросселирование при снижении давления газов, при эндотермических химических реакциях, проявлении термоэлектрических эффектов и т.п.

С появлением космических искусственных объектов в качестве носителей технических устройств стали находить применение так называемые радиационные охладители, способ работы которых пассивен, т.к. не требует затрат энергии.

Известные охладители представляют собой, по существу, термически изолированный от корпуса носителя излучатель с поверхностью, обладающей высокой эмиссионной способностью, которая рассеивает тепло в свободное пространство, окружающее космический носитель. Однако такие радиационные охладители не могут быть использованы в условиях наличия жидкой или газовой среды, в частности атмосферы.

Предлагаемое изобретение в части способа отличается от используемых радиационных способов охлаждения материальных тел тем, что охлаждаемое тело изолируется термически от окружающего пространства, а тепловая энергия охлаждаемого тела отводится от него только (или преимущественно) посредством электромагнитного поля теплового излучения, которое полностью подводится к высоконаправленной антенной системе, ориентированной в направлении наиболее холодных участков космического пространства.

Для максимальной эффективности процесса охлаждения тела электромагнитную энергию его теплового излучения следует использовать в диапазоне электромагнитных колебаний, соответствующих максимуму планковской спектральной плотности. В соответствии с законом смещения Вина эта волна обратно пропорциональна начальной (исходной) температуре охлаждаемого тела. В процессе охлаждения максимум спектральной плотности смещается в сторону более длинных волн, а само значение максимума при этом быстро уменьшается пропорционально пятой степени снижающейся температуры охлаждаемого тела, пока она не достигнет установившегося значения, равновестного по отношению к антенной температуре, регистрируемой антенной, ориентированной максимумом своей диаграммы направленности в выбранный холодный участок космического пространства.

Известно устройство для охлаждения материальных тел, содержащее термоизолированный от окружающего пространства корпус. Однако, оно не может быть использовано для реализации упомянутого способа охлаждения.

Предлагаемое устройство для глубокого охлаждения материальных тел содержит термоизолированный от окружающего пространства корпус, выполненный с зеркальными внутренними стенками, фидерную систему, имеющую термоизолирующую секцию в месте выхода из термоизолированного корпуса и соединенную с высоконаправленной излучающей антенной системой, ориентируемой максимумом своей диаграммы направленности в холодные участки космического пространства.

На чертеже изображена функциональная схема устройства для осуществления предлагаемого способа.

Для тепловой изоляции охлажденного тела от окружающего пространства оно помещено в теплоизолированный объем, например, дьюаровский сосуд /д.с./ 1. Предполагая, в самом общем случае, трехфазную форму существования охлаждаемого тела, оно имеет твердую фазу 2, жидкую фазу 3 и газовую компоненту 4, которые находятся в д.с. в термодинамическом равновесии между собой при начальной температуре. Благодаря зеркальному покрытию внутренней поверхности д. с. тепловая энергия всех фаз в форме электромагнитного поля теплового излучения через входное устройство 5 фидерной системы 6 соединено с ее выходным устройством облучателем 7 высоконаправленной антенной системы 8, ориентированной максимумом своей диаграммы направленности 9 в холодной участок космического пространства. В пределе самые холодные участки космического пространства могут иметь температуру, близкую к реликтовому излучению 30K.

Для термоизоляции участков фидерной системы, находящихся внутри д.с. от ее элементов, находящихся вне д.с. в его горловине предусмотрена теплоизолирующая секция фидерной системы пробка д.с. 10 с "радиопрозрачными" герметизирующими окнами 11.

Конкретная техническая реализация указанных на схеме элементов фидерной системы и антенного устройства определяется спецификой диапазона волн электромагнитного излучения в области максимума планковской спектральной плотности, в свою очередь, однозначно определяемого исходной температурой охлаждаемого тела.

Использование: в технике охлаждения любых материальных тел, находящихся в твердом, жидком или газообразном состоянии. Сущность изобретения: тепловая энергия отводится от тела только (или преимущественно) путем направленного лучеиспускания. Для этого охлаждаемое тело изолируют от окружающей среды, помещая его в теплоизолированный объем, например, дьюаровский сосуд 1. Электромагнитная энергия теплового излучения, сосредоточенная в этом термоизолированном объеме, в диапазоне волн, соответствующем максимуму планковской спектральной плотности, посредством высоконаправленной антенной системы 8 излучается в сторону холодных участков космического пространства, в пределе имеющих температуру реликтового излучения, равную 3K. В этом процессе устанавливается пониженная по сравнению с начальной криогенная температура тела, равновесная по отношению к антенной температуре, зависящей от выбранного направления излучения в космическое пространство. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Радиационный пассивный способ охлаждения материальных тел, отличающийся тем, что охлаждаемое тело помещают в замкнутый термоизолированный от окружающего пространства корпус, например сосуд Дьюара, а его тепловую энергию, сосредоточенную в термоизолированном корпусе в форме электромагнитного поля теплового излучения в диапазоне максимума планковской спектральной плотности, однозначно определяемого температурой охлаждаемого тела, выводят из термоизолированного корпуса и направляют посредством соответствующих термоизолированной фидерной и высоконаправленной антенной систем в холодные участки космического пространства. 2. Устройство для глубокого охлаждения материальных тел, содержащее термоизолированный от окружающего пространства корпус, отличающееся тем, что корпус выполнен с зеркальными внутренними стенками, снабжен фидерной системой, имеющей термоизолирующую секцию в месте выхода из термоизолированного корпуса, соединенной с высоконаправленной излучающей антенной системой, ориентируемой максимумом своей диаграммы направленности в холодные участки космического пространства.