ТЕРМООПОРА Российский патент 2012 года по МПК F17C13/00 

Изобретение относится к холодильной и криогенной технике, а именно к устройствам для термостатирования объектов, не требующих строгого позиционирования.

При разработке термоопоры термостатируемого объекта приходится решать две взаимно противоречащие задачи:

- повышение термосопротивления элементов термоопоры, которое в большинстве случаев сводится к уменьшению поперечного сечения конструктивных элементов и/или увеличению их длины;

- сохранение жесткости и прочности термоопоры, поскольку элементы конструкции, в общем случае, должны обладать заданной несущей способностью, определяемой из условий прочности.

Общее решение этой задачи существенно ограничивает возможности существующих термоопор, а порою вынуждает создавать дополнительные системы охлаждения.

Известен сильфонный тепловой мост, используемый для термостатирования внутренней трубы с криогенным продуктом и соединяющий внутреннюю трубу с кожухом (Н.В.Филин, А.Б.Буланов. «Жидкостные криогенные системы», Ленинград: «Машиностроение», Ленинградское отделение, 1985, с.202). Известное устройство содержит две коаксиальных трубы разного диаметра, одна из которых помещена в другую так, что они не соприкасаются друг с другом в рабочем режиме. Трубки соединены между собой при помощи длинного сильфона, который и осуществляет роль термоопоры.

Недостатком известного устройства является:

- низкая усталостная прочность сильфонных узлов;

- большие перемещения в осевом направлении могут привести к разрыву сильфона;

- более низкое термическое сопротивление на единицу длины сильфона, чем на единицу длины пакета пластин.

Известна изолирующая опора, используемая для термического изолирования одного узла от другого (под редакцией Малкова М.П. «Вопросы глубокого охлаждения», Москва: «Иностранная литература», 1961, с.416). Известное устройство содержит пакет шайб, используемых как опоры для емкостей с криогенными жидкостями.

Недостатком известного устройства является:

- неспособность воспринимать большие изгибные и растягивающие нагрузки в нерабочем режиме, что ведет к разрушению узла;

- имеет короткий суммарный путь прохождения теплопритоков, а значит работает лишь за счет высокого контактного сопротивления;

- контактное термическое сопротивление сильно зависит от механического нагружения, что не позволяет оценить величину термического сопротивления реальной конструкции из-за монтажных напряжений, случайного смятия при транспортировке, переменной внешней нагрузки и т.д.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно повышение термического сопротивления термоопоры, сохранение высоких несущих свойств конструкции вне зависимости от направления нагрузки, возможности оценки термического сопротивления на этапе конструирования.

Задача изобретения решается тем, что термоопора, состоящая из пакета соосных тонкостенных кольцевых пластин, соприкасающиеся друг с другом по плоскостям, перпендикулярным осям вращения кольцевых пластин, при этом один торец пакета соединен с термостатируемым объектом, а второй торец пакета соединен с корпусом, тонкостенные кольцевые пластины выполнены упругими и жестко соединены между собой через выступы на плоскостях, перпендикулярных осям вращения кольцевых пластин, при этом выступы на каждой тонкостенной кольцевой пластине расположены в шахматном порядке по отношению к соседним пластинам, между корпусом и пакетом тонкостенных кольцевых пластин установлен ложемент, снабженный ограничителями, одни концы которых жестко закреплены на ложементе, а свободные концы ограничителей установлены с заданными радиальными и осевыми зазорами относительно термостатируемого объекта и взаимодействуют с термостатируемым объектом только в условиях увеличения нагрузок на термостатируемый объект, превышающих заданные нагрузки в рабочем режиме.

Задача изобретения решается также тем, что между выступами и тонкостенным кольцевыми пластинами в местах их контакта установлены прокладки из материала с более низкой теплопроводностью, чем материал тонкостенных кольцевых пластин, и/или с высоким уровнем шероховатости поверхности, чем поверхность тонкостенных кольцевых пластин.

Задача изобретения решается также тем, что на свободных концах ограничителей и/или на обращенных к ограничителям поверхностях термостатируемого объекта закреплены демпфирующие прокладки, предотвращающие ударное взаимодействие термостатируемого объекта и ограничителей в условиях увеличения нагрузок на термостатируемый объект, превышающих заданные нагрузки в рабочем режиме.

Задача изобретения решается также тем, что площади контакта соприкасающихся поверхностей по выступам между соседними тонкостенными кольцевыми пластинами выполнены минимально возможными по технологическим соображениям, в виде одной или нескольких точек контакта и/или линии контакта.

Сущность изобретения поясняется графически на примере термоопоры, используемой для термостатирования криогенного аккумулятора холода на борту космического аппарата. Данная реализация изобретения использует кольцевые пластины, например, с трапецевидными выступами.

На фиг.1 приведен общий вид варианта термоопоры с термостатируемым объектом.

На фиг.2 приведено схематическое изображение фрагмента конструкции с произвольным профилем выступов.

На фиг.3 приведено схематическое изображение места стыка пластин с прокладкой из материала низкой теплопроводности с высоким уровнем шероховатости поверхности.

На фиг.4 приведено схематическое изображение ограничителя с демпфирующим покрытием.

Термоопора состоит из двух групп элементов различного функционального назначения: несущих элементов, воспринимающих основные механические нагрузки от термостатируемого объекта 1 (Фиг.1) в нерабочий период времени, и элементов термического сопротивления. Устройство содержит ограничители 2 (Фиг.1) и ложемент 3 (Фиг.1), на котором одним концом жестко закреплены ограничители 2, а другие концы установлены с заданными радиальными и осевыми зазорами относительно термостатируемого объекта (Фиг.1) и который крепится к корпусу 4 (Фиг.1). Элементы термического сопротивления представляют из себя пакет соосных тонкостенных кольцевых пластин 5 (Фиг.1), состыкованных друг с другом в плоскостях, перпендикулярных осям вращения кольцевых пластин 5 (Фиг.1). Тонкостенные кольцевые пластины 5 (Фиг.1) жестко соединены между собой через выступы 6 (Фиг.2, 3) на их поверхности. Выступы 6 (Фиг.2, 3) на каждой тонкостенной кольцевой пластине 5 расположены в шахматном порядке по отношению к соседним пластинам. Площадь контакта каждого выступа 6 на каждой тонкостенной кольцевой пластине 5 выполнена минимально возможной из условия прочности и технологичности сборки пакета. Одним торцом пакет тонкостенных кольцевых пластин 5 (Фиг.1) закреплен на ложементе 3 (Фиг.1), а вторым крепится к термостатируемому объекту 1 (Фиг.1). При этом в рабочий период времени между ограничителями 2 (Фиг.1) и любой точкой термостатируемого объекта 1 (Фиг.1) или пакета тонкостенных кольцевых пластин 5 (Фиг.1) обеспечивается переменный зазор α, а до того, как нагрузки достигнут опасных для конструкции значений, термостатируемый объект 1 (Фиг.1) или пакет тонкостенных кольцевых пластин 5 (Фиг.1) входят в механический контакт с ограничителями 2 (Фиг.1).

Для пластин с произвольной формой выступа величина термического сопротивления R [К/Вт] оценивается по формуле

где D - наружный радиус пластины,

d - внутренний радиус пластины,

δ - толщина пластины (Фиг.2),

n - количество пластин в пакете,

m - количество выступов на одной стороне пластины,

λ - удельная теплопроводность материала пластины,

s - расстояние между ближайшими точками стыковки пластины вдоль криволинейного профиля пластины, как показано на Фиг.2,

с - длина линии контакта по средней окружности.

Из формулы следует, что величина термического сопротивления пропорциональна количеству тонкостенных кольцевых пластин 5 (Фиг.1) в пакете и обратно пропорциональна толщине пластины и количеству выступов (точек контакта) на пластине. Снижение требования по строго фиксированному расположению термостатируемого объекта 1 позволяет увеличить термическое сопротивление термоопоры за счет снижения жесткости тонкостенных кольцевых пластин 5 и количества выступов m на пластине (но не менее трех).

Кроме того, тонкостенные кольцевые пластины 5 (Фиг.1) могут иметь полусферические, синусоидальные (Фиг.2) и другие выступы 6, обеспечивающие минимальную площадь контакта между кольцевыми тонкостенными пластинами 5 и наиболее подходящие из конструктивных и технологических соображений.

Кроме того, между выступами 6 (Фиг.2, 3) на каждой тонкостенной кольцевой пластине 5 (Фиг.1) и поверхностью на прилегающей кольцевой пластине 5 (Фиг.1) в местах контакта могут быть установлены прокладки 7 (Фиг.3) из материала низкой теплопроводности с высоким уровнем шероховатости поверхности.

Кроме того, на ограничителях 2 (Фиг.4) могут быть закреплены демпфирующие прокладки 8 (Фиг.4), предотвращающие ударное взаимодействие термостатируемого объекта 1 (Фиг.4) и ограничителей 2 (Фиг.4) в нерабочем режиме.

Термоопора работает следующим образом.

В нерабочий период времени (в процессе хранения, погрузки, транспортировки и др.) система может подвергаться нагрузкам, превышающим допустимые для рабочего режима. Благодаря податливости тонкостенных кольцевых пластин 5 (Фиг.1) элементы термического сопротивления деформируются, и термостатируемый объект 1 (Фиг.1) опирается на ограничители 2 (Фиг.1) или через пакет тонкостенных кольцевых пластин 5 (Фиг.1) на ложемент 3 (Фиг.1). Подобранная из условий прочности и эксплуатационных особенностей (включая эволюцию космического аппарата) жесткость пакета тонкостенных кольцевых пластин 5 позволяет термостатируемому объекту 1 (Фиг.1) передать механическую нагрузку на ложемент 3 с ограничителями 2 до возникновения опасных напряжений в пакете тонкостенных кольцевых пластин 5 (Фиг.1).

В рабочий период, в условиях микрогравитации, механические нагрузки на термостатируемый объект 1 (Фиг.1) существенно ниже. Контакт между термостатируемым объектом 1 (Фиг.1) и корпусом 4 (Фиг.1) осуществляется только через последовательно соединенные ложемент 3 (Фиг.1) и пакет тонкостенных кольцевых пластин 5 (Фиг.1). Контакт между соседними тонкостенными кольцевыми пластинами 5 (Фиг.1) в пакете осуществляется только в местах их взаимной стыковки. Кондуктивные теплопритоки поступают к термостатируемому объекту 1 лишь через пакет тонкостенных кольцевых пластин 5 (Фиг.1). Длинная извилистая траектория движения теплопритоков в пакете тонкостенных кольцевых пластин 5, малая площадь поперечного сечения пластины, а также наличие контактного сопротивления в местах стыковки пластин способствуют увеличению термического сопротивления термоопоры.

Использование заявленного технического решения по сравнению с известным устройством обеспечивает значительное уменьшение теплопритоков на термостатируемый объект. Предлагаемая термоопора позволяет в десятки раз повысить термосопротивление подвески термостатируемого объекта, работающего в невесомости или условиях пониженной механической нагрузки по сравнению с условиями хранения, транспортировки и другими нерабочими режимами и не имеющих жестких требований к позиционированию.

Изобретение относится к холодильной и криогенной технике и может использоваться в ракетно-космической технике, медицине и других областях техники. Термоопора состоит из пакета соосных тонкостенных кольцевых пластин, соприкасающихся друг с другом по плоскостям, перпендикулярным осям вращения кольцевых пластин, при этом один торец пакета соединен с термостатируемым объектом, а второй торец пакета соединен с основанием. Тонкостенные кольцевые пластины выполнены упругими и жестко соединены между собой через выступы на плоскостях, перпендикулярных осям вращения кольцевых пластин, при этом выступы на каждой тонкостенной кольцевой пластине расположены в шахматном порядке по отношению к соседним пластинам. Между основанием и пакетом тонкостенных кольцевых пластин установлен ложемент, снабженный ограничителями, одни концы которых жестко закреплены на ложементе, а свободные концы ограничителей установлены с заданными радиальными или осевыми зазорами относительно термостатируемого объекта и взаимодействуют с термостатируемым объектом только в условиях увеличения нагрузок на термостатируемый объект, превышающих заданные нагрузки в рабочем режиме. Техническим результатом изобретения является уменьшение теплопритоков на термостатируемый узел. Разделение несущей и термоизолирующей функций термоопоры между двумя узлами позволяет существенно повысить термическое сопротивление конструкции при сохранении несущих свойств. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Термоопора, состоящая из пакета соосных тонкостенных кольцевых пластин, соприкасающихся друг с другом по плоскостям, перпендикулярным осям вращения тонкостенных кольцевых пластин, при этом один торец пакета соединен с термостатируемым объектом, а второй торец пакета соединен с основанием, отличающаяся тем, что тонкостенные кольцевые пластины выполнены упругими и жестко соединены между собой через выступы на плоскостях, перпендикулярных осям вращения кольцевых пластин, при этом выступы на каждой тонкостенной кольцевой пластине расположены в шахматном порядке по отношению к соседним пластинам, между основанием и пакетом тонкостенных кольцевых пластин установлен ложемент, снабженный ограничителями, одни концы которых жестко закреплены на ложементе, а свободные концы ограничителей установлены с заданными радиальными и осевыми зазорами относительно термостатируемого объекта и взаимодействуют с термостатируемым объектом только в условиях увеличения нагрузок на термостатируемый объект, превышающих заданные нагрузки в рабочем режиме.

2. Термоопора по п.1, отличающаяся тем, что между выступами и тонкостенным кольцевыми пластинами в местах их контакта установлены прокладки из материала с более низкой теплопроводностью, чем материал тонкостенных кольцевых пластин, и/или с высоким уровнем шероховатости поверхности, чем поверхность тонкостенных кольцевых пластин.

3. Термоопора по п.1, отличающаяся тем, что на свободных концах ограничителя и/или на обращенных к ограничителю поверхностях термостатируемого объекта закреплены демпфирующие прокладки, предотвращающие ударное взаимодействие термостатируемого объекта и ограничителей в условиях увеличения нагрузок на термостатируемый объект, превышающих заданные нагрузки в рабочем режиме.

4. Термоопора по п.1, отличающаяся тем, что площади контакта соприкасающихся поверхностей по выступам между соседними тонкостенными кольцевыми пластинами выполнены минимальными в виде одной или нескольких точек контакта и/или линии контакта.