Теплофильтр А.Ф.Домрина Советский патент 1992 года по МПК F21V9/12 

/

Фиг

Изобретение относится к светотехнике, к системам охлаждения в осветителях, в частности к устройствам для отвода от оптических элементов тепла, поступающего к ним в виде излучения от источников света, и может быть использовано в теплозащитных светофильтрах осветителей с улучшенными теплофизическими свойствами и с естественным (не принудительным) охлаждением, например в устройствах для отвода тепла от фильмового канала кино- и фильмопроекто- ров, негативодержателей фотопечатающих устройств и в охлаждаемых светильниках.

Известен теплофильтр абсорбционного типа, представляющий собой слабоокрашенное сине-зеленое (голубое) стекло, например стекло типа СЗС (СЗС 16, СЗС 24, СЗС25, СЗС26),

Недостатком стеклянного абсорбционного теплофильтра является невозможность получения больших его размеров. Теплофильтры из поглощающего тепловое излучение стекла при воздействии на них мощного лучистого потока нагреваются неравномерно, что приводит к появлению больших термоупругих напряжений в теле теплофильтра (в стекле) и, как следствие, к его разрушению

Кроме того, недостатком абсорбционного теплофильтра из стекла является невысокий коэффициент теплопередачи стекла типа СЗС на оправу фильтра даже в условиях возможности активного охлаждения этой оправы, что ухудшает теплосъем с тепло- фильтра и приводит к его перегреву. Тепло- фильтр сам становится вторичным источником теплового излучения. Эффективность рассеивания тепловой энергии этим теплофильтром во внешнее по отношению к осветителю пространство мала.

Недостатком абсорбционного тепло- фильтра из стекла является изменение его спектрального поглощения при повышении температуры теплофильтра в процессе его работы. Общим для всех стекол является смещение при нагревании коротковолновой границы и полос поглощения, а также увеличение оптической плотности в минимумах. Это ухудшает спектральные свойства светофильтров, например поглощение стеклом СЗС 24 инфракрасного излучения ослабевает в два раза. Сильно смещается граница поглощения желтых, оранжевых и красных стекол, расположенных рядом с теплофильтром, доходящим до перехода стекла в следующую марку данного ряда.

Все это ухудшает эксплуатационные характеристики абсорбционного теплофильтра из стекла.

Известен жидкостный теплофильтр, представляющий собой корпус произвольной формы (например, цилиндрический или в виде параллелепипеда), выполненный из

светопрозрачного материала (например, из стекла или пластмассы), пропускающего инфракрасное излучение, заполненный циркулирующей жидкостью, поглощающей (абсорбирующей) инфракрасное излучение.

0 В качестве такой жидкости обычно используют дистиллированную воду, имеющую полосу поглощения в инфракрасной области спектра. Эффективная фильтрация инфракрасного излучения связана с относительно

5 большой толщиной водяного слоя в тепло- фильтре, составляющей 10-30 мм.

Недостатком этого жидкостного тепло- фильтра является необходимость применения специальных устройств для прокачки

0 воды через корпус, что снижает надежность и долговечность теплофильтра и существенно усложняет его. Замкнутая система циркуляции светопроницаемой теплопоглощающей жидкости, снабженная

5 радиаторами охлаждения, сложна и громоздка.

Недостатком этого жидкостного тепло- фильтра является также неизбежность паразитных вибраций и акустических,

0 электрических и магнитных шумов, создаваемых приводом системы циркуляции жидкости, что снижает оптические параметры устройства, в состав которого входит тепло- фильтр.

5 Кроме того, недостатком этого жидкостного теплофильтра является отложение на внутренних поверхностях стеклянного корпуса примесей, возникающих в результате загрязнения циркулирующей жидкости мас0 ляными включениями циркуляционных насосов.

Все это ухудшает эксплуатационные характеристики жидкостного теплофильтра, Наиболее близким к предлагаемому по

5 технической сущности является тепло- фильтр, представляющий собой корпус с противоположными светопрозрачными и пропускающими инфракрасное излучение окнами, заполненный теплопоглощающей

0 жидкостью, являющейся фильтрующим элементом. Корпус герметично соединен с охлаждающим элементом, выполненным в виде рекуперативного теплообменника с исключающим выход пара жидкости предо5 хранительным приспособлением в виде сильфона с регулировочной пружиной. При работе устройства пары нагретой жидкости конденсируются на внутренней поверхности теплообменика и конденсат стекает в емкость корпуса. Охлаждающая вода подается в наружную камеру теплообменника через один патрубок, а выводится через другой. Применение сильфорна исключает стравливание пара и обеспечивает постоянный объем фильтрующей жидкости.

Недостатком известного теплофильтра является необходимость подключения его рекуперативного теплообменника к магистрали с охлаждающей водой, что затрудняет условия его эксплуатации и сужает область возможных применений. Кроме того, недостатком теплофильтра является большой расход охлаждающей воды при длительных сроках эксплуатации устройства, т.е. его низкая экономичность, а также громоздкость, обусловленная конструктивными, особенностями рекуперативного теплообменника, что затрудяет возможность компоновки такими теплофильтрами различных светооптических устройств.

Эти недостатки ухудшают эксплуатационные характеристики теплофильтра с рекуперативным теплообменником.

Цель изобретения - улучшение эксплуатационных характеристик устройства за счет обеспечения естественного и автономного теплоотвода, а также повышения экономичности эксплуатации устройства и его компактности.

Теплофильтр, содержащий заполненный жидкостью корпус с противоположными светопрозрачными теплопропускающими окнами, герметично соединенный с охлаждающим элементом, дополнительно снабжен по меньшей мере одним светопрозрачным теплопоглоща- ющим элементом, расположенным между окнами корпуса. Корпус выполнен в виде испарителя, а охлаждающий элемент - в виде конденсатора одной тепловой трубы.

При этом теплопоглощающий элемент в одном из своих вариантов выполнен в виде зернистого слоя, образованного зернами из теплопоглощающего стекла по меньшей мере одного типа, заполняющими зазор между стеклами.

На фиг.1 изображен теплофильтр с пластинчатым теплопоглощающим элементом в корпусе, разрез; на фиг.2 - то же, с насыпным зернистым теплопоглощающим элементом в корпусе, разрез.

Теплофильтр включает в себя корпус 1 (фиг.1), выполненный в виде кюветы (емкости) из механически прочного материала, содержащей две рабочие стенки 2, образующие два слоя, и боковые стенки 3. Стенки 2 и 3 ограничивают рабочую полость 4 корпуса в виде щели. Рабочие стенки 2 содержат светопрозрачные теплопропускающие

(пропускающие тепловое излучение) оптические окна 5 и 6, расположеные одно против другого. Окна 5 и 6 в стенках 2 могут иметь произвольную форму, например плоскопараллельными прямоугольными (фиг.1) или сферическими (фиг.2). окна 5 и 6 могут иметь одинаковые или различные конструкции: ортогональны или наклонны к оптической оси 7 (фиг.1) корпуса 1. и различно

0 располагаться по отношению одно к другому. Окна могут быть изготовлены из идентичных или различных материалов (например, белых стекол БС 11 и БС 14, пропускающих видимый свет и инфракрас5 нов излучение и имеющих температуру раз- мягчения, равную соответственно 1713 и 1250°С).

Стенки корпуса 1, кроме окон 5 и 6, в частности боковые стенки 3, выполнены

0 светонепроницаемыми. Внутренние поверхности непрозрачных стенок корпуса 1 вы- полнены в виде теплового экрана, позволяющего рассеянному в объеме корпуса 1 тепловому излучению многократно про5 ходить через рабочую полость 4 и поглощаться в ней. Корпус 1 выполнен герметичным. Весь объем рабочей полости 4 заполнен светопроницаемой рабочей жидкостью.

0 В рабочей полости 4 установлен между окнами 5 и 6 по меньшей мере один тепло- поглощающий элемент 8, который может иметь произвольную форму. Элемент 8 может быть выполнен, например, в виде пло5 скопараллельной пластины (фиг.1), клиновидным (не показано) или в виде линзы (не показано), или в виде любой другой более сложной формы. Две рабочие поверхности элемента 8 могут иметь одинаковые

0 или различные формы. Количество тепло- поглощающих элементов 8 в полости 4 также может быть различным. В случаях двух и более теплопоглощающих элементов 8 в полости 4 они располагаются на расстоянии

5 один от другого. Теплопоглощающие элементы 8 могут также комбинироваться с цветными и оттененными светофильтрами (не показаны). Теплопоглощающий элемет 8 выполнен из материала,/ пропускающего

0 световое излучение и поглощающего инфракрасное излучение (излучение теплового диапазона). Таким материалом с увеличенной поглощающей способностью в инфракрасном диапазоне спектра является,

5 например, стекло марок СЗС5, СЗС 16, СЗС 24, СЗС 25 и СЗС 26. Температура размягчения теплопоглощающих стекол меняется в пределах от 330 до 670° С.

Теплопоглощающий элемент 8 может быть выполнен и иначе, а именно в виде

зернистого слоя. В этом случае рабочая полость 4 (фиг,2) корпуса 1 заполнена зернами 9 из теплопоглощающего стекла (тех же марок). Это могут быть зерна стекла одной марки или зерна стекол нескольких различных марок. Зернистая структура теплопоглощающего элемента позволяет использовать теплофильтр без опасности разрушения теплопоглощающего элемента при большой интенсивности фильтруемого излучения. Для предотвращения выпадения зерен 9 из рабочей полости 4 корпуса 1 торцы зазора полости 4 закрыты сеткой 10.

Рабочая полость 4 (фиг.1) корпуса 1 заполнена деаэрированной жидкостью, например дистиллированной водой. К этой рабочей жидкости предъявляется несколько требований: жидкость должна удовлетворять требованиям, предъявляемым к теплоносителю тепловой трубы; она должна обладать увеличенной теплопоглощатель- ной способностью в инфракрасном диапазоне спектра; показатель преломления жидкости должен быть как можно более близким к показателю преломления стекла окон 5 и 6 и элемента 8. Зти требования необходимы для возможности выполнения корпуса 1 в виде испарителя тепловой трубы, для повышения эффективности теплозащиты теплофильтром, а также для уменьшения светопотерь втеплофильтре на границах раздела сред образующих его элементов.

Корпус 1 герметично соединен с охлаждающим элементом 11 с помощью парокон- денсатопровода 12, Корпус 1, охлаждающий элемент 11 и пароконденсатопровод 12 образуют тепловую трубу, представляющую собой замкнутый герметичный корпус, из которого удален неконденсирующийся газ. При этом корпус 1 образует испаритель тепловой трубы, а охлаждающий элемент 11 - ее конденсатор, На внутренней поверхности охлаждающего элемента (конденсатора) 11 и пароконденсатопровода 12 расположена капиллярно-пористая структура (фитиль) 13 тепловой трубы, насыщенная жидким теплоносителем. Однако возможна и безфи- тильнзя гладкостенная тепловая труба (термосифон).

Возможна конструкция тепловой трубы, когда пароконденсатопровод не может быть выделен в ней явно (фиг.2), а испаритель 1 непосредственно соединен с конденсатором 11. Возможно также такое выполнение тепловой трубы (фиг.З), s-.огда испаритель 1 ее единственный, а количество конденсаторов 11 и соответствующих им пароконденсаторопроводов 12 больше одного. Испаритель 1 (фиг.1) тепловой трубы предназначен для поглощения теплового излучения источника 14, а конденсатор 11 - для выделения этой теплоты в окружающее

пространство. Пароконденсатопровод 12 не участвует в процессе теплообмена. Испаритель 1 тепловой трубы расположен в пределах осветительного устройства, например перед источником 14 света и отражателем

0 15. Конденсатор 11 тепловой трубы размещен за пределами осветительного устройства (например, на поверхности корпуса осветителя) и рассчитан на охлаждение естественным (не принудительным) образом

5 путем воздушного охлаждения. Внешняя поверхность металлического конденсатора 11 для повышения теплового излучения зачернена, материал корпуса конденсатора 11 выбран теплопроводным, а конденсатор 11

0 имеет развитую поверхность, габариты и форма которой обусловлены конструктивными особенностями осветителя.

Теплофильтр работает следующим образом.

5 Излучение от источника 14 света (фиг.1) частично направляется непосредственно во входное окно 5 корпуса 1, а частично - на отражатель 15 и далее, отразившись от него, также направляется во входное окно 5. Под0 веденное к окну 5 световое и тепловое излучения свободно проходят через него, Световое излучение проходит далее через рабочую жидкость тепловой трубы, элемент 8 и окно б и выходит из теплофильтра, Теп5 ловое излучение поглощается элементом 8 и рабочей жидкостью полости 4, На поверхности рабочей жидкости происходит испарение. Пар под действием разности концентраций переносится по пароконден0 сатопроводу 12 в конденсатор 11, где за счет переохлаждения конденсируется. Образовавшийся конденсат возвращается по капиллярно-пористой структуре 13 в испаритель 1 под действием сил поверхностного

5 натяжения. Вследствие того, что в тепловой трубе происходит передача скрытой теплоты парообразования, испаритель 1 может передавать конденсатору 11 большие тепловые потоки,

0В термосифонах (глакостенных тепловых трубах), работающих в поле сил тяжести (в отличий невесомости), возврат рабочей жидкости в зону теплоподвода может осуществляться в виде стекающей

5 пленки, для чего конденсатор 11 размещают выше испарителя 1 тепловой трубы. Капиллярно-пористая структура 13 может транспортировать жидкость как поле сил тяжести, так и при его от утствии. Более того, ока способна npor т- гоять силе тяжести. Капиллярно-пористая структура 13 может обеспечить подъем теплоносителя в вертикальной тепловой трубе против сил тяжести на высоту 1-1,5 м, что вполне достаточно для работы устройства. В связи с тем, что площадь поверхности конденсатора 11 превышает площадь поверхности испарителя 1 тепловой трубы, последнеяя функционирует как трансформатор плотности теплового потока, осуществляя его декон- центрацию. Охлаждение конденсатора 11 осуществляется естественным образом, конвекцией воздуха, омывающего поверхности конденсатора 11, и излучением тепла конденсатором 11 в окружающее пространство.

Теплофильтр с другим исполнением испарителя 1 (фиг.2) предполагающим зернистый теплопоглощающий элемент 9, работает аналогично. Зерна 9 пропускают видимую составляющую спектра и поглощают инфракрасное излучение, нагреваясь при этом и вызывая нагревание окружающей их рабочей жидкости. Выделившаяся в испарителе 1 тепловая мощность эффективно переносится с помощью тепловой трубы в ее конденсатор 11, где конвективно и ра- диационно сбрасывается в окружающее пространство, осуществляя теплообмен с окружающей средой. Интенсификации теплообмена способствует зачерненное™ поверхности конденсатора 11. Малые размеры зерен 9 теплопоглощающего стекла исключают его растрескивание в процессе работы теплофильтра.

Применение изобретения позволяет обеспечить более высокую по сравнению с известными устройствами интенсивнось теплоотвода от объекта освещения путем естественного сброса тепла в окружающую среду, а также высокую стабильность температуры в теплофильтре (стационарное распределение температуры), исключает перегрев теплофильтра и растрескивание его стеклянных элементов. Применение самоохлаждаемого теплофильтра позволяет существенно

снизить температуру в его рабочем объеме. Это позволяет использовать теплофильтр в оптических системах с источниками излучения повышенной мощности. При этом теплофильтр может быть выполнен с любой спектральной характеристикой пропускания в видимом диапазоне. Устройство хорошо компонуется в различных осветителях и легко совмещается с его элементами. Оно

может быть использовано в любых стандартных серийных изделиях без существенного изменения их конструкции. Эффективный теплосъем осуществляется без расхода хладагента и энергии,

что упрощает конструкцию и повышает надежность устройства. Все это улучшает эксплуатационные характеристики устройства.

Формула изобретения

1.Теплофильтр, содержащий заполненный жидкостью корпус с противоположными свегопрозрачными окнами, герметично соединенный с охлаждающим элементом,

отличающийся тем, что, с целью улучшения эксплуатационных характеристик, корпус выполнен в виде испарителя, а охлаждающий элемент - в виде конденсатора одной тепловой трубы, причем по меньшей мере одно из окон корпуса выполнено поглощающим тепловое излучение.

2.Теплофильтр по п.1, о т л и ч а ю щ и- й с я тем, что внешняя поверхность заднего окна корпуса дополнительно снабжена покрытием, пропускающим световое и отражающим тепловое излучения, при этом заднее окно выполнено теплопоглощаю- щим, а корпус заполнен теплоохлаждающей жидкостью.

3. Теплофильтр поп.1,отличающи- й с я тем, что внешняя поверхность заднего окна корпуса дополнительно снабжена покрытием, пропускающим световое и отражающим тепловое излучение, при этом

переднее окно выполнено теплопоглощаю- щим, а корпус заполнен теплопоглощающей жидкостью.

Использование: в светотехнике, в частности ь устройствах для отвода от оптических элментс в тепла, поступающего к ним в виде излучения от источника света. Тепло- фильтр включает корпус 1 в виде кюветы с двумя рабочими 2 и боковыми 3 стенками. 73 П ограничивающими рабочую полость 3. Стенки 2 содержат светопрозрачные теплопро- пускающие окна 5 и 6. Окна 5 и 6 могут произвольно располагаться относительно оптической оси 7. Весь объем полости 4 заполнен светопроницаемой рабочей жидкостью. В полости 4 установлен светопроз- рачный теплопоглощающий элемент 8 в виде пластины или в виде зернистого слоя из стекла. Торцы зазора полости закрыты сеткой. Корпус 1 герметично соединен с охлаждающим элементом 11с помощью паро- конденсатопровода 12. Корпус 1, охлаждающий элемент 11 и пароконденса- топровод 12 образуют тепловую трубу, в ко торой корпус 1 - испаритель, а элемент 11- ее конденсатор. На внутренней поверхности тепловой трубы расположена капиллярно-пористая структура 13. Испаритель 1 располагается перед источником 14 света и отражателем 15, а конденсатор 11 - за пределами осветительного устройства. 2 з.п. ф- лы, 2 ил. СЛ яхиг. |щ.«3э ЗЗЗЗхШЈЩ SEEilSESF tl Т СЛ