Устройство регулирования температурного режима элементов технологического оборудования Российский патент 2025 года по МПК B29C64/209 G05D23/00 

Технологические процессы, имеющие место в таких отраслях промышленности как электроника, энергетика, химия, 3D печать, в процессе их реализации сопровождаются значительным изменением температуры элементов технологического оборудования. Зачастую без регулирования температурного режима выполнение технологических процессов становятся невозможным. В частности при гель-экструзионной 3D-биопечати, когда превышение температуры ведет к золь-гель переходу. В этих случаях необходимость принудительного теплообмена и его интенсивность для поддержания температуры в необходимых интервалах становится критическим условием выполнения технологического процесса, например биопринтинга.

Одной из наиболее широко используемых систем регулирования температуры технологического оборудования являются системы с использованием воздушного регулирования, основанного на принципе передачи или съема тепла от технологических элементов принудительно нагнетаемым потоком воздуха.

Изобретение относится к теплообменникам для локального регулирования температуры элементов технологического оборудования и может быть использовано, в частности, в конструкции устройств 3D-гель-экструзионной биопечати.

Известно Термоэлектрическое устройство для отвода теплоты от элементов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), содержащее термоэлектрическую батарею (ТЭБ), электрически связанную с выходом регулятора температуры, вход которого связан с датчиком температуры, находящимся в контакте с тепловыделяющим элементом РЭА, расположенным в углублении, образованном конструкцией ТЭБ, основной теплообменник, находящийся в тепловом контакте с тепловыделяющими спаями ТЭБ, и дополнительный теплообменник, причем ТЭБ разделена на основную и две дополнительные секции, соединенные электрически последовательно и изготовленные из идентичных по своим геометрическим, электро- и теплофизическим характеристикам термоэлементов, причем основная секция ТЭБ находится в центре основного теплообменника, а дополнительные секции ТЭБ расположены по краям на выступах основного теплообменника, площадь которых соответствует площади дополнительных секций ТЭБ, при этом тепловыделяющий элемент РЭА размещен в образовавшемся углублении с обеспечением теплового контакта с теплопоглощающими спаями основной секции ТЭБ, с теплопоглощающими спаями дополнительных секций ТЭБ и тепловыделяющим элементом РЭА контактирует дополнительный теплообменник, при этом основной и дополнительный теплообменники выполнены в виде полой цельнометаллической емкости, заполненной плавящимся рабочим веществом с большой теплотой плавления и температурой плавления, лежащей в диапазоне 35-55°С, в основном теплообменнике относительно нижней поверхности имеются выемки под областью размещения двух дополнительных секций ТЭБ, высота которых составляет 3/4 высоты основного теплообменника в его боковой части, в которых за счет крепежных приспособлений установлены дополнительные вентиляторные агрегаты, запитываемые от источника электрической энергии, а основной вентиляторный агрегат, питаемый тем же источником электрической энергии, при помощи крепежных приспособлений установлен на нижней поверхности основного теплообменника, находящейся между выемками, имеющей несквозные цилиндрические отверстия, выполненные в коридорном порядке. [1]

Основным недостатком является необходимость установки дополнительных теплообменников, и вентиляторов, что увеличивает габариты. Наличие полой цельнометаллической емкости, заполненной плавящимся рабочим веществом, является дополнительным элементом, увеличивающим время реагирования, а расположение охлаждающей поверхности перпендикулярно направлению воздушного потока создает дополнительное сопротивление воздушному потоку, что снижает КПД устройства.

Известен также «Аппарат воздушного охлаждения» в цилиндрическом корпусе которого вдоль его продольной оси вертикально установлен теплообменный блок, в нижней части аппарата размещена камера входа воздуха, который поднимается вверх аксиально и подается вентилятором, расположенным вдоль оси, а в верхней части аппарата размещена камера выхода использованного воздуха. [2]

В известном устройстве теплообменный блок расположен поперек воздушного потока, формируемого по всей площади сечения цилиндрического корпуса, за счет чего создается сопротивление воздушному потоку, что снижает эффективность теплообмена и КПД устройства.

Технической целью настоящего изобретения является повышение КПД устройства.

Указанная техническая цель достигается тем, что в известном устройстве, в корпусе которого вдоль его продольной оси вертикально установлен теплообменный блок, в нижней части аппарата размещена камера входа воздуха, который поднимается вверх и подается вентилятором, расположенным вдоль оси, а в верхней части аппарата размещена камера выхода использованного воздуха, воздуховод переменного сечения формируется телом крыльчатки вентилятора на всю длину зоны терморегулирования, создавая конфузор, расположенный в начале зоны терморегулирования, переходящий в диффузор на выходе воздуха, обеспечивая повышенные скорости воздуха в зоне их сопряжения, в которой располагается теплообменный блок, а лопасти выполнены внутри по всей длине сформированного воздуховода под углом к плоскости, содержащей образующую воздуховода, с переменной высотой их выступов над телом крыльчатки так, что крайними кромками лопастей при вращении по оси внутри воздуховода формируется свободное пространство для размещения теплообменного блока, а инициирование воздушного потока осуществляется во всем объеме пространства, образованного внутренней поверхностью тела крыльчатки и наружной поверхностью теплообменного блока.

Сущность изобретения состоит в том, что воздуховод формируется телом крыльчатки на всю длину зоны теплообмена, создавая конфузор, зону сопряжения и диффузор, что обеспечивает увеличение скорости воздушного потока в зоне сопряжения за счет сужения поперечного сечения воздушного потока, что обеспечивает надлежащий теплообмен, а лопасти крыльчатки, выполненные по внутренней поверхности вдоль сформированного воздуховода под углом к плоскости, содержащей образующую воздуховода, инициируют движение воздуха во всем меж стенном пространстве, образуемом внутренней поверхностью тела крыльчатки и наружной поверхностью теплообменного блока вдоль всей поверхности теплообмена, исключая сопротивление воздушному потоку за счет поперечных преград на пути движения воздуха, что повышает КПД установки.

Изобретение поясняется рисунками.

На фиг. 1 представлен вид спереди устройства в сборе, фронтальный разрез А-А, вид сверху, горизонтальные разрезы устройства: на уровне привода, разрез В-В; на уровне конфузора, разрез С-С.

На фиг. 2 представлена крыльчатка устройства, вид спереди фиг. 2 (а), аксонометрия фиг. 2 (б), вид сверху фиг. 2 (в) и фронтальный разрез А-А фиг. 2 (г).

Устройство регулирования температурного режима элементов технологического оборудования состоит из рамы 1 (см. фиг. 1) в которой крепится на шарикоподшипниках 2 крыльчатка 3. Приводимая во вращение любым известным способом, например, зубчатой передачей 5, на раме сбоку крепится электропривод 4, вращающий крыльчатку. Крыльчатка 3 (см. фиг. 2) выполнена так, что в разрезе представляет собой воздуховод переменного сечения в виде сопряженных конфузора 6 и диффузора 7. А лопасти 8, например три, пролегают по всей длине воздуховода под углом к плоскости, содержащей образующую воздуховода, и имеют различную высоту выступов над телом крыльчатки так, что при вращении их кромки внутри воздуховода формируют свободную зону 9, в которую помещают теплообменный блок 10 в котором расположен картридж с гелем 11, теплообменный блок крепится к раме 1 кронштейнами (условно не показаны), термодатчики для определения температуры на поверхности картриджа с гелем 11, окружающего воздуха у входа в конфузор 6 и на внешней поверхности теплообменного блока условно не показаны.

Устройство работает следующим образом. Теплообменный блок 10, с картриджем с гелем 11, устанавливается внутри свободной зоны 9. Термодатчики (условно не показаны) и электропривод 4 подсоединяются к блокам питания через контроллер (условно не показаны), обеспечивающий взаимосвязь полярности и силы тока, подаваемого на элементы термоэлектрической батареи, с технологически необходимым интервалом температуры геля и скоростью вращения крыльчатки в зависимости от надлежащей интенсивности теплообмена. При включении устройства на процессоре устанавливается интервал технологически допустимых температур. При критическом отклонении температуры геля, определяемого термодатчиками, включается необходимая полярность элементов термоэлектрической батареи и величина тока, определяющая интенсивность теплообмена с гелем. А по разности температур на наружной поверхности термоэлектрической батареи и внешнего воздуха определяется скорость вращения крыльчатки. Устройство крыльчатки своими лопастями прогоняет воздух вдоль поверхности термоэлектрической батареи, обеспечивая надлежащий теплообмен изменением объема подаваемого воздуха. За счет сужения увеличивается скорость воздушного потока в зоне теплообмена, повышая эффективность теплообмена, за счет конфузора снижается скорость всасывания, за счет диффузора снижается скорость выбрасываемого воздуха, что обеспечивает отсутствие интенсивных воздушных потоков в зоне подачи геля на технологическую поверхность. Инициирование течения воздуха только в пространстве, образованном внешней поверхностью теплообменного блока и внутренней поверхностью тела крыльчатки, исключает наличие преград, располагающихся перпендикулярно воздушным потокам, что снижает аэродинамическое сопротивление и повышает КПД устройства.

Использованные источники информации

1. Патент РФ 2 808 221 Термоэлектрическое устройство для отвода теплоты от элементов РЭА / Евдулов О.В., Ибрагимова А.М., Иванченко А.А. // БИ № 34, 28.11.2023. (АНАЛОГ).

2. Патент РФ 2 801 015 Аппарат воздушного охлаждения. / Астановский Д.Л., Астановский Л.З., Кустов П.В. // БИ № 22, 01.08.2023. (ПРОТОТИП).

Изобретение относится к теплообменным аппаратам и может найти применение в области гель-экструзионной 3D-биопечати. Устройство регулирования температурного режима элементов технологического оборудования, в корпусе которого вдоль его продольной оси вертикально установлен теплообменный блок, в нижней части аппарата размещена камера входа воздуха, который поднимается вверх и подается вентилятором, расположенным вдоль оси, а в верхней части аппарата размещена камера выхода использованного воздуха. При этом воздуховод выполнен переменного сечения и формируется телом крыльчатки вентилятора на всю длину зоны терморегулирования, создавая конфузор, переходящий в диффузор на выходе воздуха, с теплообменным блоком, расположенным в зоне их сопряжения. Причём инициирование воздушного потока осуществляется во всем объеме пространства, образованного внутренней поверхностью тела крыльчатки и наружной поверхностью теплообменного блока, а технологически необходимый интервал температуры геля и скорость вращения крыльчатки обеспечивается контроллером в зависимости от надлежащей интенсивности теплообмена. Изобретение позволяет повысить КПД устройства. 2 ил.

Устройство регулирования температурного режима элементов технологического оборудования, в корпусе которого вдоль его продольной оси вертикально установлен теплообменный блок, в нижней части аппарата размещена камера входа воздуха, который поднимается вверх и подается вентилятором, расположенным вдоль оси, а в верхней части аппарата размещена камера выхода использованного воздуха, отличающееся тем, что воздуховод переменного сечения формируется телом крыльчатки вентилятора на всю длину зоны терморегулирования, создавая конфузор, расположенный в начале зоны терморегулирования, переходящий в диффузор на выходе воздуха, обеспечивая повышенные скорости воздуха в зоне их сопряжения, в которой располагается теплообменный блок, а лопасти выполнены внутри по всей длине сформированного воздуховода под углом к плоскости, содержащей образующую воздуховода, с переменной высотой их выступов над телом крыльчатки так, что крайними кромками лопастей при вращении по оси внутри воздуховода формируется свободное пространство для размещения теплообменного блока, а инициирование воздушного потока осуществляется во всем объеме пространства, образованного внутренней поверхностью тела крыльчатки и наружной поверхностью теплообменного блока.