Теплофильтр Советский патент 1993 года по МПК F21V9/12 

телем 13. а конденсатор 9 выделяет теплоту в окружающее пространство. Внешняя поверхность заднего окна б имеет интерференционное покрытие, отражающее тепловое излучение. Тепловое излучение источника 12 проходит через окно 5, рабочую жидкость 8, окно 6. частично поглощаясь в них, и отражается назад покрытием, полностью поглощаясь в теплофильтре. Жидкость 8 испаряется. Ее пар конденсируется в конденсаторе 9, передавая ему скрытую теплоту парообразования. Положительный эффект: уменьшение толщины теплофильтра и потерь света на отражения. 1 з. п. ф-лы. 3 ил.

Использование: в системах охлаждения осветителей с улучшенными теплофизиче- скими свойствами и с естественным охлаждением. Сущность изобретения: теплофильтр содержит корпус 1 в виде емкости с двумя рабочими стенками 2 и боковыми стенками 3, образующими полость 4. Стенки 2 содержат светопрозрачные тепло- поглощающие окна 5 и 6, произвольно расположенные относительно оптической оси 7. Полость 4 заполнена светопроницаемой деаэрированной жидкостью 8. Корпус .1 герметично соединен с охлаждающим элементом 9 с помощью пароконденсатопровода 10. Элементы 1, 9 и 10 образуют тепловую трубу с испарителем 1 и конденсатором 9, на внутренней поверхности которых расположен фитиль 11. Испаритель 1 поглощает тепловое излучение источника 12с отрэжаел с

Изобретение относится к светотехнике, а именно к системам охлаждения в осветителях, в частности к устройствам для отвода от оптических элементов тепла, поступающего к ним в виде излучения 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 фильмопроекторов. негативодержателей фото печатающих устройств и в охлаждаемых светильниках.

Известен теплофильтр абсорбционного типа, представляющий собой слабоокрашенное сине-зеленое (голубое) цветное стекло, например- одно из освоенных отечественной промышленностью стекол типа СЭС (СЭС f 6, СЭС 24;. СЭС 25, СЭС 26).

Недостатком стеклянного абеорбционг нота теплофильтра является невозможность получения больших размеров фильтра. Тёплофйльтры 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.

Другим недостатком абсорбционного теплофильтра из стекла является невысокий коэффициент теплопередачи стекла типа СЭС на оправу фильтра даже в условиях возможности активного охлаждения этой оправы, что ухудшает теплосьем 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.

Кроме того/ недостатком абсорбционного теплофильтра из стекла является изменение его спектрального поглощения при повышении температуры теплофильтра в процессе его работы. Общим для всех сте- кол является смещение при нагревании коротковолновой границы и полос поглощения, а также увеличение оптической плотности в минимумах. Это ухудшает спектральные свойства светофильтров. Например, поглощение стеклом СЭС 24 инфракрасного излучения ослабевает в два

раза. Сильно смещается граница поглощения желтых, оранжевых и красных стекол, расположенных рядом с теплофильтром, доходящая до перехода стекла в следующую марку данного ряда.

Все это ухудшает конструктивные и светотехнические характеристики абсорбционного теплофильтра из стекла.

Известен жидкостный.теплофильтр, представляющий сооой 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. В качестве такой жидкости обычно используют дистиллированную воду, имеющую полосу поглощения в инфракрасной области

спектра. Эффективная фильтрация инфракрасного излучения связана с относительно большой толщиной водяного слоя в тепло- фильтре, составляющей 10-30 мм.

Недостатком этого жидкостного теплофильтра является необходимость применения специальных устройств для прокачки воды через корпус, что снижает надёжность и долговечность теплофильтра и существенно усложняет его. Замкнутая система циркуляции светопроницаемой телпоглощающей жидкости, снабженная радиаторами охлаждения, сложна и громоздка.

Другим недостатком этого жидкостного теплофильтра является неизбежность паразитных вибраций и акустических, электрических и магнитных шумов, создаваемых приводом системы циркуляции жидкости, что снижает оптические параметры устройства, в состав которого входит теплофильтр.

. ,- V - . -

Кроме того, недостатком этого жидкостного теплофильтра является отложение на внутренних поверхностях стеклянного кор- пуса примесей, возникающих в результате

загрязнения циркулирующей жидкости маеляными включениями циркуляционных насосов.

Все это ухудшает конструктивные и светотехнические характеристики жидкостного теплофильтра.

Известен теплофильтр, представляющий собой корпус с противоположными све- топрозрачными и. пропускающими инфракрасное излучение окнами, заполненный теплопоглощающей жидкостью, являю- щейся фильтрующим элементом. Корпус герметично соединен с охлаждающим элементом, выполненным в виде рекуперативного теплообменника с исключающим выход пара жидкости предохранительным приспособлением в виде сильфонэ с регулировочной пружиной.

. При работе устройства пары нагретой жидкости конденсируются на внутренней поверхности теплообменника и конденсат стекает в емкость корпуса. Охлаждающая вода подается в наружную камеру теплообменника через один патрубок, а выводится через другой. Применение сильфона исключает стравливаниё пара и обеспечивает по- стоянный объем фильтрующей жидкости.

Недостатком этого теплофильтра является необходимость подключения его рекуперативного теплообменника к магистрали с охлаждающей водой, что затрудняет уело- вия его эксплуатации и сужает область возможных применений.

Другим недостатком этого теплофй лы- ра является большой расход охлаждающей воды при длительных сроках эксплуатации устройства, то есть его низкая экономичность.

Кроме того, недостатком этого тепло- фильтра является его громоздкость, обусловленная конструктивными особенностями рекуперативного теплообменника, что затрудняет возможность компоновки такими теплофильтрами различных светооптических устройств.

Все это ухудшает конструктивные и све- тотехнические характеристики этого тепло- фильтра.

Из известных теплофильтров наиболее близким к заявленному техническим решением, выбранным в качестве прототипа, являет- ся устройство, описанное в заявке. Устройство представляет собой заполненный жидкостью корпус с противоположными све- топрозрачными теплопропускающимй окнами и охлаждающий элемент. При этом корпус выполнен в виде испарителя, а охлаждающий элемент - в виде конденсатора одной тепловой трубы. Корпус снабжен по меньшей мере одним светопрозрачным теплопоглощаю- щим элементом, расположенным между окнами корпуса, Теплопоглощающий элемент в одном из своих вариантов выполнен в виде плоскопараллельной пластины из тепло- поглощающего стекла, а в другом варианте - в виде зернистого слоя, образованного зернами из теплопоглощающего стекла по меньшей мере одного типа, заполняющими зазор между стеклами,

Недостатком этого теплофильтра является его увеличенная толщина, обусловленная наличием внутри корпуса теплопоглощающего элемента, располагаемого к тому же в случае его выполнения в виде пластины на определенных расстояниях от окон корпуса. Другим недостатком этого теплофильтра являются его повышенные световые потери, вызванные наличием в корпусе по меньшей мере одного теплопоглощающего элемента, на двух поверхностях которого, граничащих с рабочей жидкостью с меньшим, чем у стекла, показателем преломления света, может теряться на отражение до 5% падающего излучения. При выполнении теплопоглощающего элемента в виде зернистого слоя аналогичные потери света происходят на каждом из нескольких зерен, расположенных по толщине тепло- фильтра, что существенно увеличивает их.

Все это ухудшает конструктивные и светотехнические характеристики известного теплофильтра.

Целью изобретения является улучшение конструктивных и светотехнических характеристик теплофильтра за счет обеспечения меньшей его толщины и уменьшения потерь света на отражение.

Поставленная цель достигается тем, что в известном теплофильтре, содержащем заполненный жидкостью корпус с противоположными светопрозрачными окнами и охлаждающий элемент, выполненные соответственно в виде испарителя и конденсатора одной тепловой трубы, согласно изобретению по меньшей мере одно из окон корпуса выполнено поглощающим тепловое излучение.

Поставленная цель достигается также тем, что внешняя поверхность заднего окна корпуса дополнительно снабжена покрытием, пропускающим световое и отражающим тепловое излучения.

Таким образом, заявленное техническое решение имеет следующие отличительные от прототипа существенные (основные и дополнительные) признаки:

по меньшей мере одно из окон корпуса выполнено поглощающим тепловое излучение;

внешняя поверхность заднего окна корпуса дополнительно снабжена покрытием.

пропускающим световое и отражающим тепловое излучения.

Благодаря этим отличиям достигается возможность уменьшения толщины тепло- фильтра и потерь света на отражение тепло- фильтром, что улучшает конструктивные и светотехнические характеристики.

В приведенной выше новой совокупности основных и дополнительных отличительных признаков, не обнаруженной в известных технических решениях данной области техники, взятый сам по себе отличительный признак независимого пункта формулы изобретения известен. Однако в известных жидкостных светофильтрах тепло поглощается либо жидкостью, либо помещенным в нее стеклянным элементом, а окна служат лишь элементами корпуса, являющегося емкостью для жидкости. В заявленном устройстве тепло поглощается одним или двумя окнами корпуса, а жидкость служит только для отведения поглощенного окнами тепла за пределы устройства. В заявленном устройстве окно выполняет одновременно две функции - элемента корпуса и теплопоглощающего элемента. Благодаря этому предложенное устройство проявляет по сравнению с известным устройством новый эффект - сокращение толщины светофильтра при сохранении той же эффективности теплоот- вода, что и в прототипе.

Кроме того, в приведенной выше совокупности отличительных признаков, не обнаруженной в известных технических решениях данной области техники, признак дополнительного пункта формулы изобретения (теплоотражающее покрытие на внешней поверхности заднего окна тепло- фильтра) не выявлен как в аналогах заявленного технического решения, так и в любых других известных в технике объектах. Благодаря выполнению теплопоглощающим только заднего (по ходу луча света) окна светофильтра в этом окне будут сильнее нагреваться слои, граничащие с жидкостью {чем внешние слои окна), в которых будет поглощаться основная доля инфракрасного излучения. Но эти же слои будут сильнее и отводить тепло в рабочую жидкость. Два эти процесса обеспечивают относительную однородность поля температур в теле тепло- поглощающего окна, что повышает его надежность и является новым эффектом. Кроме того, благодаря наличию внешнего теплоотражающего покрытия вдвое увеличивается длина пути инфракрасного излуче- ния в теплофильтре, что улучшает теплопоглощение им и позволяет уменьшить толщину светофильтра. При этом проход инфракрасного излучения через тепло- фильтр в двух взаимно противоположных направлениях также улучшает однородность теплопоглощения в толще теплофильтра.

На фиг. 1 изображен предлагаемый теплофильтр, разрез; на фиг. 2 - теплофильтр с теплопоглощающим задним окном и с отражающим тепловое излучение покрытием на

0 его внешней поверхности, разрез; на фиг. 3 - теплофильтр с теплопоглощающим передним окном и с отражающим тепловое излучение покрытием на внешней поверхности заднего окна, разрез.

5 Предложенный теплофильтр включает в себя корпус 1 (фиг. 1), выполненный в виде кюветы (емкости) из механически прочного материала, содержащего две рабочие стенки 2, образующие два слоя, и боковые стен0 ки 3. Стенки 2 и 3 ограничивают рабочую полость 4 корпуса 1 в виде щели. Рабочие стенки 2 содержат светопрозрачные тепло- поглощающие (поглощающие тепловое излучение) оптические окна 5 и 6,

5 расположенные противоположно друг другу. Окна 5 и 6 в стенках 2 могут иметь произвольную форму, например быть плоскопараллельными прямоугольными (фиг. 1) или сферическими (не показано).

0 Разные окна 5 и 6 могут иметь одинаковую

. или разную конструкцию. Они могут быть

ортогональны или наклонны к оптической

оси 7 корпуса 1 и различно располагаться по

отношению одно к другому Окно 6 или оба

5 окна 5 и б корпуса 1 выполнены поглощающими тепловое излучение. Оба окна 5 и 6 выполнены пропускающими видимый свет. Стенки корпуса 1, кроме окон 5 и б, в частности боковые стенки 3, выполнены свето0 непроницаемыми.:

Внутренние поверхности непрозрачных стенок корпуса 1 выполнены в виде теплового экрана, позволяющего рассеянному в объеме корпуса 1 тепловому излуче5 нию многократно проходить через рабочую полость 4 и поглощаться в ней. Корпус 1 выполнен герметичным. Весь обьем рабочей полости 4 заполнен светопроницаемой рабочей жидкостью 8.

0 Теплопоглощающее окно 5. 6 может быть выполнено, например, в виде плоскопараллельной пластины (фиг. 1), клиновидным (не показано) или иметь любую иную более сложную форму. Две рабочие поверх5 ности окна 5, 6 могут иметь одинаковую или различную форму. Теплопоглощающее окно 5, 6 выполнено из материала с увеличенной поглогщательной способностью в инфракрасном диапазоне спектра, например из стекла марок СЭС 5, СЭС 16. СЭС 24. СЭС

25, СЭС 26. Температура размягчения теп- лопоглощающих стекол меняется в преде лах от 330 до 670°С.

Рабочая полость 4 корпуса 1 заполнена деаэрированной жидкостью 8, например дистиллированной водой. К этой рабочей жидкости предъявляется несколько требований. Во-первых, жидкость 8 должна удовлетворять требованиям, предъявляемым к теплоносителю тепловой трубы. Далее, же- лательнО) чтобы она обладала увеличенной теплбпоглощательной способностью в инфракрасном диапазоне спектра. Кроме того, желательно, чтобы показатель преломления жидкости 8 был как можно более близким к показателю преломления стекла окон 5, 6. Первое требование необходимо.для возможности выполнения корпуса 1 в виде испарителя тепловой трубы. Второе требование направлено на повышение эффективности теплозащиты теплофильтром, Третье требование имеет своей целью уменьшение светопотерь в теплофильтре на границах раздела сред образующих его элементов.

Корпус 1 герметично соединен с охлаждающим элементом 9 с помощью парокон- денсатопровода 10. Корпус 1, охлаждающий элемент 9 и пароконденсатопровод 10 образуют тепловую трубу, представляющую собой замкнутый герметичный корпус, из которого удален неконденсирующийся газ. При этом корпус 1 образует испаритель тепловой трубы, а охлаждающий элемент 9 - ее конденсатор. На внутренней поверхности охлаждающего элемента (конденсатора) 9 и пэроконденсатопровода 10 расположена капиллярно-пористая структура (фитиль) 11 тепловой трубы, насыщенная жидким теплоносителем. Однако возможна и бесфитильная гладкостенная тепловая труба (термосифон). Возможна конструкция тепловой трубы, когда пароконденсатопровод не может быть выделен в ней явно (не показано), а испаритель 1 непосредственно соединен с конденсатором 9. Возможно также такое выполнение тепловой трубы (фиг. 1), когда испаритель 1 единственный, а количество конденсаторов 9 и соответствующих им пароконденсатопроводов 10 больше одного. Испаритель 1 тепловой трубы предназначен для поглощения теплового излучения источника 12, а конденсатор 9 - для выделения этой теплоты в окружающее пространство. Пароконденсатопровод 10 не участвует в процессе теплообмена. Испаритель 1 тепловой трубы расположен в пределах осветительного устройства, например, перед источником света 12 и отражателем 13. Конденсатор 9 тепловой трубы размещен за пределами осветительного устройства (например, на поверхности корпуса осветителя) и рассчитан на охлаждение естественным (не принудительным) обра- 5 зом путем воздушного охлаждения. Внешняя поверхность металлического конденсатора 9 для повышения теплового излучения зачернена, материал корпуса конденсатора 9 выбран теплопроводным, а

0 конденсатор 9 имеет развитую поверхность, габариты и форма которой обусловлены конструктивными особенностями осветителя.

Теплофильтр может быть выполнен в трех вариантах,

5 В соответствии с вторым вариантом выполнения теплофильтра теплопоглощаю- щим выполнено заднее окно 6 (фиг. 2). Переднее окно 5 выполнено теплопропуска- ющим. На внешней поверхности заднего ок0 на 6 нанесено интерференционное покрытие (интерференционное зеркало) 14, пропускающее видимую часть спектра и отражающее тепловое излучение.

В соответствии с третьим вариантом вы5 полнения теплофильтра теплопоглощаю- щим выполнено только переднее окно 5 (фиг. 3). Внешняя поверхность заднего теп- лопропускающего окна б снабжена интерференционным покрытием (инфракрасным

0 зеркалом) 14, отражающим инфракрасную область спектра излучения источника света 12. Корпус 1 заполнен теплопоглощающей жидкостью 8.

Теплофильтр работает следующим об5 разом.

Излучение от источника света 12 (фиг. 1) частично направляется непосредственного входное окно 5 корпуса 1, ачастично-на отражатель 13 и далее, отразившись от него,

0 также направляется во входное окно 5. Подведенное к окну 5 световое излучение свободно проходит через него. Световое излучение проходит далее через рабочую жидкость 8 тепловой трубы и окно 6 и выхо5 дит из теплофильтра. Тепловое излучение поглощается теплопоглощающим окном 6 или двумя окнами 5 и 6, каждое из которых выполнено из теплопоглощающего материала, и рабочей жидкостью 8 полости 4. На

0 поверхности рабочей жидкости 8 происходит испарение. Пар под действием разности концентраций переносится по пароконден- сатопроводу 10 в конденсатор 9, где за счет переохлаждения конденсируется, Образо5 вавшийся конденсат возвращается по капиллярно-пористой структуре 11 в испаритель 1 под действием сил поверхностного натяжения. Вследствие того, что в тепловой трубе происходит передача скрытой теплоты парообразования,испаритель 1

может передавать конденсатору 9 большие тепловые потоки. В термосифонах (гладко- стенных тепловых трубах), работающих в поле сил тяжести (в отличие от невесомости), возврат рабочей жидкости в зону теп- л on од вода может осуществляться в виде стекающей пленки, для чего конденсатор 9 размещают выше испарителя 1 тепловой трубы. Капиллярно-пористая структура 11 может транспортировать жидкость как в поле сил тяжести, так и при его отсутствии. Более того, она способна противостоять силе тяжести. Капиллярно-пористая структура 11 может обеспечить подъем теплоносителя в вертикальной тепловой трубе против сил тяжести на высоту 1-1,5 м, что вполне достаточно для работы заявленного устройства. В связи с тем, что площадь поверхности конденсатора 9 превышает площадь поверхности испарителя 1 тепловой трубы, последняя функционирует как трансформатор плотности теплового потока, осуществляя его деконцентрацию. Охлаждение конденсатора 9 осуществляется естественным образом, конвекцией воздуха, омывающего поверхности конденсатора 9, и излучением тепла конденсатором 9 в окружающее пространство.

Работа тёплофильтра по второму варианту его выполнения (фиг. 2) осуществляется следующим образом.

Свет источника 12 проходит через окна 5 и б корпуса 1, рабочую жидкость 8 и интерференционное покрытие 14 на внешней поверхности окна 6. Тепловое излучение свободно проходит через окно 5, частично поглощается рабочей жидкостью 8 в корпусе 1 и частично поглощается теплопоглоща- ющим окном 6. Непоглощенная часть теплового излучения отражается покрытием (инфракрасным зеркалом) 14 и проходит теплопоглощающие среды в обратном направлении, полностью в них поглощаясь.

Формула изобретения 1. Теплофильтр, содержащий заполненный жидкостью корпус с противоположными светопрозрачными окнами и охлаждающей элемент, выполненные соответственно в виде испарителя и конденсатора одной тепловой трубы, отличающий- с я тем, что, с целью улучшения его конструктивных и светотехнических характеристик, в

Наличие покрытия 14 увеличивает таким образом длину пути теплового излучения в теплопоглощающих средах, что повышает эффективность теплопоглощения при неизменности толщины корпуса 1.

Работа тёплофильтра по третьему варианту его выполнения (фиг. 3)осуществляется аналогично, Световое излучение источника 12, направленное во входное теплопоглощающее окно 5 корпуса 1. беспрепятственно проходит через окно 5, рабочую жидкость 8 в корпусе 1, теплойропускающее окно б и через интерференционное покрытие 14, являющееся зеркалом для инфракрасного излучения. Тепловое излучение частично поглощается входным окном 5 и частично проходит толщину этого окна. Часть прошедшего окна 5 инфракрасного излучения поглощается рабочей жидкостью 8 испарителя 1 .а прошедшая часть свободно проходит через толщу окна б и проникает а отражающее покрытие 14. После полного отражения на зеркале 14 тепловое излучение возвращается внутрь корпуса 1 и вторично

проходит через слой рабочей жидкости и теплопоглощающее окно 5, поглощаясь теп- лофильтром сполна. Возникшее в результате поглощения в корпусе 1 инфракрасного излучения тепло с помощью тепловой трубы отводится в окружающее пространство. Применение данного технического решения позволяет улучшить конструктивные и светотехнические характеристики тепло- фильтра путем уменьшения его толщины и

потерь света, связанных с его отражением на границах раздела сред. Техническое решение обеспечивает повышенную однородность распределения температуры в объёме тёплофильтра, что исключает растрескйвание его стеклянных элементов и повышает надежность устройства. Все это улучшает эксплуатационные характеристики устройства.- .

нем по меньшей мере одно из окон корпуса выполнено поглощающим тепловое излучение.

2, Теплофильтр по п. 1, отличаю щи й- с я тем, что внешняя поверхность заднего окна корпуса дополнительно снабжена покрытием, пропускающим световое и отражающим тепловое излучения.