Термостат /его варианты/ Советский патент 1985 года по МПК G05D23/30 

Изобретение относится к теплотехнике, точнее к устройствам для термостатирования различных объектов, и основано на воздействии электрического поля на дисперсную электропроводную среду.

Целью изобретения является расширение диапазона термостатирования объекта.

На фиг. 1 и 2 схематически изображены варианты выполнения предлагаемого термостата.

По первому варианту (фиг. 1) термостат состоит из внешнего сферического электрода 1, в котором на диэлектрических шайбах 2 установлен шаровой (внутренний) электрод 3. В шаровом электроде 3 установлен термостатируемый объект 4, например кристалл оптического преобразователя частоты. Торцы кристалла заш,ищены оптическими окнами 5 и отделены от полости,-образованной электродами 1 и 3 диэлектрическими шайбами 2. При термостатировании других объектов, например электронных блоков, через торцы осуществляются электрические соединения. На шаровом электроде 3 размещены нагреватель 6 и термодатчик 7, подключенные к последовательно соединенным блоку 8 управления и блоку 9 питания. В зазоре между сферическим 1 и шаровым 3 электродами концентрически устаповЛен промежуточный сферический электрод 10, разделяющий межэлектродный зазор на две несообщающиеся полости 11 и 12, частично заполненные электропроводным порошком 13. Сферический 1 и шаровой 3 электроды соединены между собой электрически и соединены с одним из полюсов блока 9 питания, а промежуточный электрод 10 - с противоположным полюсом блока 9 питания. Один из полюсов блока 9 питания может быть заземлен.

По второму варианту выполнения (фиг. 2) термостат состоит из внешнего цилиндрического электрода 14, в котором на диэлектрических шайбах 2 установлен внутренний цилиндрический электрод 15. Во внутреннем электроде 15 установлен термостатируемый объект 4, например кристалл оптического преобразователя частоты.

От окружающей среды термостатируемый объект 4 отделен оптическими окнами 5. При термостатировании других объектов оптические окна 5 могут быть исключены.

На внутреннем электроде размещен нагреватель 6 и термодатчик 7, подключенные к последовательно соединенным блоку 8 управления и блоку 9 питайия.

В зазоре между электродами 14 и 15 параллельно установлен промежуточный цилиндрический электрод 16, разделяющий зазор на две несообщающиеся полости 17 и 18, частично заполненные электропроводным порошком 1. Цилиндрические электроды 14 и 15 электрически соединены между

собой и одним из полюсов блока 9 питания, а промежуточный электрод 16 - с противоположным полюсом блока 9 питания. Один из полюсов блока 9 питания может быть

заземлен.

Несообщающиеся полости заполняются электропроводным порошком на 0,5-2% от объема полости, так как указанная объемная концентрация электропроводного поjj рощка является оптимальной с точки зрения получения максимального диапазона изменения термического сопротивления полостей.

Термостат работает следующим образом.

5 При подаче разности потенциалов на соединенные цилиндрические электроды 14, , 15 и промежуточный цилиндрический электрод 16 от блока питания 9 в полости 17 между внутренним цилиндрическим электроQ дом 15 и промежуточным цилиндрическим электродом 16, а также в полости 18 между промежуточным цилиндрическим электродом 16 и цилиндрическим внешним электродом 14 возникает электрическое поле, приводящее частицы электропроводного порошка 13

5 в автоколебательное движение. При столкновении с электродами 14-16, находящимися при различной температуре, частицы электропроводного порошка 13 осуществляют перенос тепла от более нагретой поверхнос,, ти к менее нагретой. Термостат со сферическими электродами (по первому варианту) работает аналогично.

Поскольку частота столкновений является функцией приложенного напряжения, переносимый частицами электропроводного

5 порощка 13 тепловой поток функционально зависит от напряжения, вырабатываемого блоком 9 питания. Изменение величины этого напряжения, осуществляемое блоком 8 управления, соединенным с термодатчиком 7,

позволяет поддержать неизменной температуру термостатируемого объекта 4. При наличии в термостатируемом объекте 4 достаточного собственного тепловыделения можно исключить нагреватель 6, или использовать его для ускорения достижения рабочего режима. В противоположном случае внутренний электрод снабжается нагревателем 6, темловыделение в котором регулируется блокогу 8 управления. Это позволяет дополнительно улучщить точность термоста-. тирования.

Расширение диапазона температуры термостатируемого объекта 4 в сторону верхней границы достигается уменьшением лучистого теплопереноса, обеспечиваемого установкой в межэ ектродном зазоре про5 межуточного электрода 16.

Сохранение нижней границы диапазона температуры требует согласованного управления автоколебательным движением частиц электропроводного порошка 13 в обеих полостях при одинаковых разностях потенциалов между электродами 14.16 и 15.16. Согласованное управление, обеспечиваемое равенством пороговых напряженностей электрического поля в обеих полостях, позволяет осуществить как одновременное начало автоколебательного движения (и, следовательно, теплопереноса), так и одновременное достижение максимального теплопереноса. Равенство пороговых напряженностей в обеих полостях достигается соответствующим выбором радиусов электродов 14-16. В сферической полости, ограниченной проводящими поверхностями радиусами г,Гг, напряженность электрического поля определяется выражением ЕХ(Г) , где ei - заряд сферической области радиусом г. Аналогично в сферической полости, ограниченной проводящими поверхностями радиусами , Ег(г) , где е - заряд сферической области радиусом ГгВеличины зарядов ei, e, могут быть найдены из соотношений , , где U - разность потенциалов между электродами. Величины емкостей, образованных поверхностями с радиусами г, г и Г;,, г соответственно равны Ci (rj.-rj; Сг (rs - г), е. е,- , (Гг-rJ - - - С - Гг) Поскольку начало автоколебательного движения частиц электропроводного порощка 13 начинается с внутренних поверхностей электродов 1 и 10 (радиусами г, Гз), то равенство пороговых напряженностей электрического поля в обеих полостях можно записать в виде ЕЛгг) Е,(Г5), откуда ei/r| eg/rf, или , Г,Гги/г(Гг-rj ГгГзи/г|(Гз-rj. Упрощение этого выражения приводит к приведенному отнощению радиусов электродовГг iJ.V:j;z) fjГ5(Гг-п) Аналогично для полостей, образованных электропроводными цилиндрическими электродами , , можно записать Ei(r) -2зг,/г; Ег(г) 2зег(г) гдезе, «а - заряд на единицу длины внутренних (для каждой полост) электродов. Поскольку электрические емкости конденсаторов в этом случае определяются выражениямиci (Гг г); Cj 1/2 ;&г(гЗ/г2), то из условия равенства напряженности электрического поля на внутренних поверхностях электродов 14 и 16 ,) Ei(rj) получают 2U/2raEn(rJri) 2И/2гз1:п(гЗ/Гг). Упрощение этого выражения приводит к следующему отнощению цилиндрических электродов ( fz fi В проведенных вычислениях предполагается, что толщина промежуточного электрода 16 мала, что обычно и требуется на практике во избежание увеличения перепада температуры на промежуточном электроде 16, что уменьщает диапазон температуры термостатируемого объекта 4. Конкретный выбор варианта выполнения термостата зависит от термостатируемого объекта и изменения его положения в пространстве. Для случая, когда термостатируемое тело занимает произвольное положение в пространстве (т.е. вращается вокруг всех трех осей), работоспособным будет первый вариант (сфера в сфере). Изготовление такого термостата для тел протяженных (типа цилиндра) связано с определенными неудобствами и повышенными затратами. Для таких тел подходит второй вариант выполнения термостата, однако в этом случае исключается возможность вращения вокруг оси, перпендикулярной образующей цилиндра.

1. Термостат, содержащий два электрода, выполненные в виде концентрических тел вращения, межэлектродный зазор которых частично заполнен электропроводным порошком, а электроды подключены к блоку питания, подключенному к блоку управления, соединенному с термодатчиком и нагревателем, размещенными на внутреннем электроде, охвать1вающем термостатируемый объект, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона термостатирования, в зазоре между электродами установлен промежуточный сферический электрод, образующий две несообщающиеся между собой полости, причем промежуточный сферический электрод и электрически соединенные между собой внешний и внутренний электроды подключены к противоположным полюсам блока питания, а радиусы электродов связаны соотношением: PI (Гэ - Га ь (Рг- PI) 1-3 где PI - радиус внутреннего электрода; rj радиус промежуточного электрода; г -радиус внешнего электрода. 2. Термостат, содержащий два электрода выполненные в виде концентрических тел вращения, межэлектродный зазор которых частично заполнен электропроводным порошком, а электроды подключены к блоку питания, подключенному к блоку управления, соединенному с термодатчиком и нагревателем, размещенными на внутреннем электроде, охватывающем термостатируемый объект, отличающийся- тем, что, с целью (Л расширения диапазона термостатирования, в зазоре между электродами установлен промежуточный цилиндрический электрод, образующий две несообщающиеся между собой полости, причем промежуточный цилиндрический электрод и электрически соединенные между собой внутренний и внешний электроды подключены к противоположным полюсам блока питания, а радиусы О5 электродов связаны соотношением о оо (-)Га fi 00 4 гдег -радиус внутреннего электрода; Гг - радиус промежуточного электрода; rj - радиус внешнего электрода.