РЕФРИЖЕРАТОР ИСПАРЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F25B9/12 

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к технике сверхнизких температур, и может быть использовано в области физики твердого тела, ядерной физике, космической технике и холодильной промышленности.

Известен целый ряд рефрижераторов испарения, основанных на откачке насыщенных паров жидкого хладагента, например жидкого ³Не, в которых камера испарения представляет собой емкость из теплопроводного материала, заполненную жидким хладагентом. Основным недостатком рефрижераторов такого типа является то, что образуемый на поверхности испарения холод передается стенкам камеры (и через них находящемуся в тепловом контакте с ними охлаждаемому объекту) через слой жидкого хладагента, теплопроводность которого достаточно низка. Это ограничивает холодопроизводительность устройства и минимальную достижимую температуру.

В случае использования в качестве хладагента ³Не в диапазоне температур ниже 0,5 К теплоперенос через слой жидкости дополнительно ухудшается отсутствием конвекции вследствие инверсии коэффициента теплового расширения. В результате основная площадь поверхности испарения оказывается блокированной (теплоизолируется) и испарение происходит только с узкой полоски поверхности (шириной порядка 1 мм), локализованной по периметру камеры вблизи ее вертикальной стенки. Таким образом, участвующая в процессе генерации холода поверхность испарения резко сокращается, что приводит к дальнейшему снижению холодопроизводительности рефрижератора.

Известен также рефрижератор испарения, наиболее близкий по техническому решению к заявляемому и принятый за прототип, содержащий камеру испарения с развитой теплообменной поверхностью, образованной вертикальными теплопроводными пластинами, находящимися в тепловом контакте с корпусом камеры.

Наличие этих пластин, расположенных на достаточно близком расстоянии друг от друга (менее 1 мм), обеспечивает подвод тепла ко всем участкам поверхности жидкого хладагента. В результате испарение происходит со всей площади поверхности и холодопроизводительность рефрижератора увеличивается. Основными ограничивающими факторами являются в этом случае конечная площадь самой поверхности испарения, определяемая размерами камеры (конкретно ее диаметром), и теплосопротивление на границах пластин с жидким хладагентом (т.н. сопротивление Капицы), резко возрастающее с понижением температуры.

Однако существенным недостатком этой конструкции является то, что основная часть теплообменной поверхности пластин, контактирующей с жидким ³Не, вследствие его плохой теплопроводности оказывается блокированной и практически не участвует в процессе теплопередачи, так что весь тепловой поток снимается только с малых участков высоты пластин, расположенных непосредственно под уровнем жидкости в камере в слое жидкости глубиной около 1 мм. Вследствие этого холодопроизводительность рефрижераторов подобного типа при температурах ниже 0,5 К не превышает 10^-4-10^-5Вт.

Основной задачей предлагаемого технического решения является повышение холодопроизводительности рефрижератора за счет увеличения как теплообменной поверхности пластин в непосредственной близости от поверхности испарения жидкого хладагента, так и самой поверхности испарения.

Эта задача решается путем использования капиллярного эффекта, который позволяет транспортировать тонкую пленку жидкости на значительную высоту над уровнем хладагента в камере независимо от положения самого уровня. Поверхность этой пленки создает дополнительную поверхность испарения хладагента, а покрытая пленкой поверхность теплообменных пластин эффективно включается в теплообмен в силу малости толщины пленки.

Для этого в рефрижераторе, содержащем камеру испарения, теплообменная поверхность которой образована вертикальными теплопроводными пластинами, находящимися в тепловом контакте с корпусом камеры и с жидким хладагентом, последние выполнены в виде подложки с закрепленными на ней вертикально и вплотную друг к другу теплопроводными нитями, например, из медной проволоки, причем диаметр нитей (d) и зазор между нитями δ выбраны из следующих соотношений:

где d диаметр нити, м;
α поверхностное натяжение жидкого хладоагента, H/м;
r плотность жидкого хладоагента, кг/м³;
g ускорение силы тяжести, м/с²;
h высота капиллярного поднятия жидкости, м;
d зазор между нитями, м.

Высота капиллярного поднятия (h) задается исходя из требуемой холодопроизводительности рефрижератора и может быть равна полной высоте теплопроводных пластин, а теоретически даже превышает ее.

Благодаря такому исполнению жидкий хладагент за счет поверхностного натяжения поднимается над уровнем жидкости в камере на значительную высоту и образует на поверхности теплопроводных пластин тонкий слой жидкого хладагента, с которого происходит его испарение, сопровождаемое охлаждением. Чем больше поверхность испарения и соответственно теплообменная поверхность пластины, покрытая тонкой пленкой жидкого хладагента, тем больше теплосъем и, следовательно, тем выше холодопроизводительность рефрижератора.

На фиг. 1 изображен рефрижератор испарения (схема); на фиг. 2 пластина с теплопроводными нитями (общий вид); на фиг. 3 пластина с теплопроводными нитями, вид сверху.

Рефрижератор испарения (фиг. 1) содержит камеру испарения 1, заливаемую жидким хладагентом 2 (например, ³Не), внутренняя полость которой патрубком 3 связана с вакуумным насосом (на чертеже не показан), и охлаждаемый объект 4, размещенные в теплоизолированном корпусе 5, погруженном в ванну 6 с жидким хладагентом 7, например ⁴Не.

Теплообменная поверхность 8 камеры испарения 1 образована теплопроводными пластинами высотой H и длиной l_i, составляющими общую суммарную длину , выполненными в виде подложки 9, например, из медной фольги, с закрепленными на ней вертикально и вплотную друг к другу с зазором δ теплопроводными нитями 10, например, из медной проволоки диаметром d (см. также фиг. 2 и 3), образующими на поверхности пластин капиллярно-нитевую структуру.

В зависимости от требуемых технологических параметров рефрижератора возможно закрепление нитей 10 на подложке 9 как с одной, так и с двух сторон.

Поверхность испарения образована как уровнем 11 жидкого хладагента 2 в камере испарения 1, так и поверхностью 12 пленки жидкого хладагента (фиг. 2), возникающей на наружной стороне теплопроводных пластин 8 при капиллярном поднятии жидкого хладагента в каналах между теплопроводными нитями 10 и подложкой 9 на высоту h.

Рефрижератор работает следующим образом.

При заполнении камеры 1 жидким хладагентом 2 (фиг. 1), например ³Не, уровень жидкости между теплопроводными нитями 10 и подложкой 9 в капиллярно-нитевой структуре поднимается выше уровня жидкости 11 в камере 1 на величину h (фиг. 2) с образованием на внешней поверхности системы менисков.

После заливки жидкости включают вакуумный насос (на чертеже не показан) и через патрубок 3 ведут откачку паров ³Не с поглощением тепловой мощности, пропорциональной теплоте испарения жидкого ³Не.

Производимый холод через теплообменную поверхность 8 передается корпусу камеры 1 и охлаждаемому объекту 4.

В процессе откачки наличие определенного зазора d между нитями 10 обеспечивает постоянную подпитку системы менисков на внешней поверхности капиллярно-нитевой структуры, за счет которых происходит приращение поверхности 12 испарения жидкости и соответственно приращение теплообменной поверхности жидкого ³Не в камере 1. С понижением уровня 11 жидкого хладагента в камере 1 величина поверхности испарения продолжает сохраняться неизменной вплоть до полного опорожнения камеры 1 за счет постоянства высоты капиллярного поднятия жидкости h, при этом теплообменная поверхность также остается постоянной в течение всего периода откачки.

Это обеспечивает стабильность температурного режима в камере при неизменной скорости откачки.

В том случае когда скорость откачки не удается сохранить неизменной в течение всего периода откачки, например в случае использования адсорбционного насоса, падение скорости откачки по мере насыщения адсорбента можно частично компенсировать, обеспечивая избыточный подъем жидкости в капиллярно-нитевой структуре надлежащим выбором диаметра нитей.

В этом случае h выбирается равной или большей полной высоты теплопроводной пластины H, и тогда высота поднятия жидкости в капиллярно-нитевой структуре устанавливается на верхнем крае пластины независимо от положения уровня 11 жидкого хладагента в камере 1, что очевидным образом приводит к увеличению поверхности испарения и теплообменной поверхности в процессе откачки по мере понижения уровня жидкости в камере.

Для полного представления сущности изобретения приведен пример конкретного выполнения предлагаемого рефрижератора.

Для сравнения взят рефрижератор с камерой испарения диаметром 0,05 м, в которой теплообменная поверхность выполнена в виде вертикальных пластин высотой H= 0,02 м и суммарной длиной L=1,375 м. Площадь пластин составляет 0,055 м². При этом доля эффективно участвующей в теплообмене поверхности, локализованной под уровнем жидкости в камере на глубину 1 мм, с обеих сторон пластины составит 0,00275 м², независимо от уровня жидкости в камере.

В предлагаемой конструкции рефрижератора при сохранении тех же геометрических размеров камеры и суммарной длины теплообменной поверхности L=1,375 м, последняя выполнена в виде тонкой подложки с двухсторонней капиллярно-нитевой структурой, параметры которой обеспечивают капиллярное поднятие жидкости на высоту h=5 мм над уровнем жидкости в камере. Диаметр нитей определяется из соотношения d = 16α/ρgh,, где α 1,5•10^-4 H/м, r 82,2 кг/м³ (оба значения для ³Не при температуре 0,4К), g 9,81 м/с², h 5•10^-3м выбранная величина. Отсюда:

а величина зазора между нитями δ определится из неравенства:

откуда для δ получим: 8•10^-6м < d ≅ 75•10^-6м (8 75 мин). Количество нитей в слое на суммарной длине L составит: , на обеих сторонах подложки 4600.

Исходя из вышепринятых условий, приращение поверхности испарения жидкости за счет использования капиллярно-нитевой структуры с обеих сторон подложки составляет по расчету 4,16•10^-3 м², что вдвое превышает площадь поверхности жидкости в камере. Площадь покрытой пленкой жидкого хладагента теплообменной поверхности рефрижератора оказывается равной 10^-2 м², а эффективно участвующая в теплопередаче теплообменная поверхность в слое жидкости глубиной 1 мм под уровнем в камере увеличится по отношению к этой величине для принятого для сравнения рефрижератора (2,75•10^-3 м²) в π/2 разf (на величину суммарной внешней поверхности проволок в этом слое) и составит 4,4•10^-3 м². Таким образом, суммарная теплообменная поверхность в предлагаемой конструкции рефрижератора будет равна 10^-2 м² + 4,3•10^-3 м² 1,43•10^-2 м², что в 5,2 раза превышает теплообменную поверхность рефрижератора, принятого для сравнения. Соответственно во столько же раз возрастет холодопроизводительность рефрижератора на том же температурном уровне.

Таким образом, технический результат, выражающийся в повышении холодопроизводительности предлагаемого устройства, обеспечивается следующим:
наличие нитей создает капиллярно-нитевую структуру теплообменных пластин, состоящую из вертикально расположенных каналов, в которых вследствие капиллярного эффекта уровень жидкого хладагента значительно выше его уровня в камере;
наличие определенных зазоров между нитями обеспечивает просачивание жидкого хладагента на наружную сторону капиллярно-нитевой структуры, с образованием на ней дополнительной поверхности испарения хладагента;
покрытые тонкой пленкой жидкого хладагента участки капиллярно-нитевой структуры создают дополнительную теплообменную поверхность между жидким хладагентом и теплопроводными пластинами, причем эффективность действия этой поверхности обеспечивается малой толщиной покрывающей ее пленки;
значительное (в несколько раз) увеличение поверхностей испарения и теплообмена в ограниченном объеме камеры существенно повышает холодопроизводительность рефрижератора.

Использование: в криогенной технике, в области физики твердого тела, ядерной физике, космической технике и холодильной промышленности. Сущность изобретения: в рефрижераторе теплообменная поверхность, образованная вертикальными теплопроводными пластинами, каждая из которых выполнена в виде подложки с закрепленными на ней вертикально и вплотную друг к другу теплопроводными нитями, создающими капиллярно-нитевую структуру, позволяющую за счет капиллярного поднятия жидкости значительно увеличить как поверхность испарения жидкого хладагента, так и поверхность его теплообмена с теплопроводными пластинами. Наличие тонкой пленки испаряемого жидкого хладагента на значительно увеличенной теплообменной поверхности обеспечивает достаточно высокую скорость откачки, улучшает теплопередачу и тем самым увеличивает холодопроизводительность рефрижератора при неизменных объеме камеры испарения и количестве жидкого хладагента. 3 ил.

Рефрижератор испарения, основанный на откачке насыщенных паров жидкого хладагента, содержащий камеру испарения, теплообменная поверхность которой образована вертикальными теплопроводными пластинами, находящимися в тепловом контакте с корпусом камеры и жидким хладагентом, отличающийся тем, что каждая пластина выполнена в виде подложки с закрепленными на ней вертикально и вплотную друг к другу теплопроводными нитями, причем диаметр d нитей и зазор δ между нитями выбраны из следующих соотношений:


где α - поверхностное натяжение жидкого хладагента, Н/м;
ρ - плотность жидкого хладагента, кг/м³;
g ускорение силы тяжести, м/с²;
h высота капиллярного поднятия жидкости, м.