ТЕРМОСТАТИРУЕМОЕ ГИРОСКОПИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО Советский патент 2006 года по МПК G01C21/18 

Изобретение относится к области гироскопического приборостроения и может быть использовано для устройств, требующих поддержания стабильного теплового режима при изменении температуры окружающей среды.

Известны термостатируемые гироскопические устройства, которые содержат установленные на гиростабилизированной платформе (ГСП) чувствительные элементы (ЧЭ), электрические нагреватели, термодатчики и регулятор. На ГСП, кроме этого расположен вентилятор с системой управления, обдувающий все чувствительные элементы охлаждающим газом, и охранные нагреватели системы терморегулирования.

В этих устройствах поддержание необходимой температуры ЧЭ осуществляется путем их непосредственного обдува охлаждающим газом, когда температура ГСП превышает требуемую, или подогревом ГСП электрическими нагревателями, если температура ниже требуемой.

При этом переход с одного режима на другой приводит к изменению температурных полей 43 и возможной нестабильности их установочных осей. Кроме этого, прямой обдув ЧЭ охлаждающим газом, имеющим нестационарную температуру, меняющуюся в зависимости от внешних условий, не позволяет обеспечить равномерный теплосъем с ЧЭ, что приводит к значительным нестационарным температурным перепадам по конструкции ГСП и ЧЭ.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является термостатируемое гироскопическое устройство космического корабля "Аполлон".

Известное устройство содержит сферический теплоизолированный корпус, снабженный кожухом с каналов жидкостной системы охлаждения. В корпусе, во внутреннем кольце карданова подвеса, выполненного в виде замкнутом металлической оболочка, установлена гиростабилизированная платформа, на основании которой расположены шесть чувствительных элементов, термодатчик, термозадатчик, два нагревателя системы термостатирования, автоматическая система управления мощностью на нагревателях и усилительно-преобразующее устройство.

На каждом торце ЧЭ установлено по одному нагревателю единой системы термостатирования. На внешнем кольце карданова подвеса расположены два вентилятора, один на одном конце, другой на диаметрально противоположном. Вентиляторами также управляет система термостатирования, и они включаются только при значительных изменениях внешних условий или повышенном выделении тепла в гиростабилизированной платформе.

В этом устройстве тепло, выделяющееся в ЧЭ, за счет естественной конвекции и излучения передается на замкнутую металлическую оболочку внутреннего кольца карданова подвеса, откуда естественной конвекцией и излучением передается на кожух устройства, если тепловыделения в норме, или снимается потоком охлаждающего воздуха при повышенных тепловыделениях на ГСП. При изменении ориентации ГСП с ЧЭ относительно вектора силы тяжести температурное поле по ГСП будет изменяться, т.к. теплообмен за счет естественной конвекции зависит как от направления, так и от величины вектора силы тяжести (ускорения). Система термостатирования ГСП и ЧЭ работает по сигналу одного термодатчика, установленного на ГСП. В результате этого при поворотах ГСП ее температура в областях, удаленных от места установки термодатчика, может изменяться из-за изменения конвективной составляющей теплообмена, а изменение температурных полей основания ГСП и ЧЭ существенно влияет на точностные параметры устройства.

Термостатируемое гироскопическое устройство космического корабля "Аполлон" обеспечивает стабильность поддержания рабочей температуры чувствительных элементов на уровне ±0,33°С, в то время как на современном этапе развития гироскопических приборов предъявляются требования к стабильности рабочей температуры ЧЭ и к стабильности температурного поля по ГСП на уровне 0,01÷0,03°С.

Кроме того, система термостатирования гироскопического устройства космического корабля "Аполлон" обеспечивает уровень теплоотвода с ГСП на замкнутую оболочку внутреннего кольца карданова подвеса не более 18 Вт, что обусловлено низкой эффективностью естественной конвекции и излучения, при выделении на ГСП большей мощности, например, 30-70 Вт, для отвода тепла в ограниченных габаритах устройства необходимо значительно понизить температуру хладагента, поступающего из внешней системы охлаждения, что усложняет систему термостатирования.

Таким образом, известное устройство имеет следующие недостатки:

- недостаточная стабильность поддержания рабочей температуры чувствительных элементов,

- недостаточный уровень теплоотвода с гиростабилизированной платформы на внутреннее кольцо карданова подвеса,

- зависимость изменения температурного поля от изменения ориентации гиростабилизированной платформы, что существенно влияет на точностные параметры устройства.

Целью предлагаемого технического решения является повышение точности термостатируемого гироскопического устройства.

Указанная цель достигается тем, что в известное термостатируемое устройство, содержащее теплоизолированный сферический корпус, гиростабилизированную платформу с чувствительными элементами, установленную в кардановом подвесе в замкнутой сферической оболочке, теплообменник жидкостной системы охлаждения, два вентилятора с системой управления, систему термостатирования, усилительно-преобразующие устройства введен закрепленный на внутренней поверхности корпуса первый сферический кожух с щелевым зазором шириной 40-60 мм по экваториальному сечению и с двумя отверстиями на его полюсах, в которые вставлены и закреплены соответственно на полюсах корпуса два вентилятора. Кроме того, замкнутая сферическая оболочка вокруг ГСП выполнена в виде оребренного снаружи сферического радиатора, соединенного с экваториальным фланцем гиростабилизированной платформы, и закрывающего радиатор второго сферического кожуха с двумя отверстиями на его полюсах, в которые вставлены и закреплены соответственно на полюсах радиатора два дополнительных вентилятора, теплообменник жидкостной системы охлаждения выполнен в виде трубки, витки которой расположены между сферическими поверхностями корпуса и первого кожуха на расстоянии 2-3 мм от каждой из них и закреплены на внутренней поверхности корпуса, система термостатирования выполнена в виде отдельных систем термостатирования каждого чувствительного элемента, включающих термодатчик и нагреватель в виде обмоток, электрически связанных с термозадатчиком и усилительно-преобразующим устройством, а два дополнительных вентилятора электрически связаны через систему управления вентиляторов с термодатчиком, установленным на радиаторе на расстоянии 2-5 мм от места его соединения с гиростабилизированной платформой, при этом между поверхностью ГСП и внутренней поверхностью радиатора образован зазор δ=0,01-0,03 Д, где Д - внутренний диаметр радиатора.

Величина δ выбрана из условия отсутствия естественной конвекции в этом зазоре. По опытно-теоретической зависимости для данной геометрии прибора это условие выполняется при соотношении:

Gr·Pr≤10³

где Gr - число Грасгофа,

Pr - число Прандтля.

Для воздушной среды рассчитанная по этой формуле величина δ должна быть менее 0,03 Д, где Д - внутренний диаметр радиатора.

Указанное расположение вентиляторов в устройстве, выполнение теплообменника жидкостной системы охлаждения в виде трубки и закрепление ее витков на корпусе на расстоянии 2-3 мм от его поверхности и от поверхности кожуха, размер щелевого зазора шириной 40-60 мм по экваториальному сечению первого сферического кожуха, размеры оребренного радиатора и второго сферического кожуха, установка термодатчика системы управления вентиляторами на радиаторе на расстоянии 2-5 мм от места его соединения с ГСП, введение индивидуальных систем термостатирования чувствительных элементов были определены расчетным путем на теплофизической модели устройства и выбраны исходя из условий его эксплуатации.

На чертеже представлен чертеж предлагаемого термостатируемого гироскопического устройства.

Устройство содержит сферический корпус 1, покрытый теплоизоляцией 2.

На внутренней поверхности корпуса 1 закреплен первый сферический кожух 3 с щелевым зазором 4 шириной 40-60 мм по экваториальному сечению и с двумя отверстиями на полюсах, в которые вставлены и закреплены соответственно на полюсах корпуса 1 два вентилятора 5 и 8. Между сферическими поверхностями корпуса 1 и первого сферического кожуха 3 расположен теплообменник жидкостной системы охлаждения, выполненный в виде трубки 7, витки которой закреплены на внутренней поверхности корпуса 1 на расстоянии 2-3 мм от каждой из указанных поверхностей.

В кольцах карданова подвеса 8 установлена гиростабилизированная платформа 9 с чувствительными элементами 10. С экваториальным фланцем 11 ГСП 9 соединен сферический, оребренный снаружи радиатор 12, закрытый вторым сферическим кожухом 13 с двумя отверстиями на полюсах, в которые вставлены и закреплены соответственно на. полюсах радиатора 12 два дополнительных вентилятора 14 и 15, электрически связанные через усилительно-преобразующее устройство 16, термозадатчик 17 и термодатчик 18, образующие систему управления вентиляторами 14 и 15. Термодатчик 18 установлен на наружной поверхности радиатора 12 на расстоянии 2-5 мм от места его соединения с экваториальным фланцем ГСП 9.

ГСП 9 имеет сферическую поверхность, выполненную путем заполнения пустот между ЧЭ 10 пенопластом 19. Между сферической поверхностью ГСП 9 и внутренней поверхностью радиатора имеется зазор δ=0,01÷0,03 Д.

Каждый из чувствительных элементов 10 имеет автоматическую систему термостатирования.

На фиг.1 показана система термостатирования одного из ЧЭ 10

Система содержит термодатчик 20, термозадатчик 21 и нагреватель 22, установленные на корпусе ЧЭ 10. При этом термодатчик 20 через термозадатчик 21 и усилительно-преобразующее устройство 23 последовательно соединен с нагревателем 22.

Усилительно-преобразующие устройства 16 и 23 установлены вне устройства в блоке электроники (на фиг.1 не показан).

Между первым сферическим кожухом 3 и вторым сферическим кожухом 13 имеется полость 24, заполненная газом. В этой полости расположены кольца карданова подвеса 8.

Ребра радиатора 12 расположены меридианально и образуют вместе с внутренней поверхностью второго сферического кожуха 13 вентиляционные каналы 25.

Пространство между двумя сферическими поверхностями корпуса и первого сферического кожуха 3 с трубкой 7, заполненной жидким хладагентом, поступающим из внешней системы охлаждения (на фиг.1 не показана), и газом, прогоняемым из полости 24 через это пространство вентиляторами 5, 6, образуют жидкостно-газовый теплообменник.

Устройство работает следующим образом.

При включении устройства начинают работать вентиляторы 5,6. Они работают в неуправляемом режиме и обеспечивают постоянную циркуляцию газа через теплообменник. Вентиляторы забирают газ из полости 24, прогоняют через теплообменник и выбрасывают его обратно через щелевой зазор 4 в полость 24. Одновременно при включении устройства также начинают работать системы термостатирования ЧЭ 10, разогревая их до рабочей температуры.

При этом тепло с ЧЭ 10 поступает на ГСП 9 и с ее фланца 11 теплопроводностью на радиатор 12.

В процессе работы при достижении расчетной температуры радиатора 12 по сигналу термодатчика 18 усилительно-преобразующее устройство 16 включает вентиляторы 14, 15.

Вентиляторы управляются по линейному закону, реагируя на изменение тепловыделений в ГСП 9 или температуры газа вокруг нее изменением объемного расхода охлаждающего газа.

Вентиляторы 14, 15 работают по последовательной схеме, забирая из полости 24 охлажденный газ на вход в каналы 25 радиатора 12, где газ нагревается теплом от элементов платформы, и выбрасывая его на выходе в полость 24, где он смешивается с охлажденным газом, поступающим через зазор 4 кожуха 3 (направления газовых потоков показаны на чертеже стрелками). Таким образом в полости устройства осуществляется регулируемый теплообмен.

Предлагаемое техническое решение позволяет повысить точность устройства посредством снижения и стабилизации температурных перепадов по конструкции ГСП и чувствительных элементов и повышения точности поддержания их рабочей температуры.

В предлагаемом устройстве стабильность рабочих температур конструкции платформы поддерживается на уровне 0,01-0,02°С, что повышает более чем на порядок стабильность температурные режимов ЧЭ на платформе и тем самым снижает на порядок нестабильность точностных параметров ЧЭ от температурных возмущений по сравнению с прототипом.

Кроме этого, устранено влияние на точностные параметры ГСП изменений ее ориентации относительно вектора силы тяжести (ускорения).

Изобретение относится к области гироскопического приборостроения и может быть использовано для устройств, требующих поддержания стабильного теплового режима при изменении температуры окружающей среды. Сущность: в устройстве обеспечивается снижение и повышенная стабилизация температурных перепадов по конструкции гироприбора за счет использования отдельных систем термостатирования каждого чувствительного элемента гироприбора, применения жидкостной системы отвода тепла и двух вентиляторов, включенных в состав системы термостатирования. Технический результат: повышение точности термостабилизации гироскопического устройства 1 ил.

Термостатируемое гироскопическое устройство, содержащее теплоизолированный сферический корпус, установленную в кардановом подвесе в сферической оболочке гиростабилизированную платформу с фланцем и чувствительными элементами, жидкостной теплообменник в виде трубки, разовую систему охлаждения в виде двух основных вентиляторов, последовательно соединенных термодатчика, термозадатчика и усилителя-преобразователя, выход которого соединен с основными вентиляторами, систему термостатирования в виде последовательно соединенных термодатчика, термозадатчика, усилителя-преобразователя и нагревателя, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, введены дополнительные вентиляторы, первый и второй сферические кожухи, причем первый сферический кожух закреплен на внутренней поверхности теплоизолированного сферического корпуса и выполнен с расположенными в экваториальной плоскости диаметрально противоположно друг другу двумя соосными отверстиями, в которых размещены закрепленные на корпусе дополнительные вентиляторы, и с кольцевым щелевым зазором по его диаметральному сечению, плоскость которого перпендикулярна экваториальной плоскости, сферическая оболочка выполнена оребренной с наружной стороны, соединена с фланцем гиростабилизированной платформы и размещена во втором сферическом кожухе, выполненном с расположенными в плоскости, перпендикулярной экваториальной, двумя соосными отверстиями, в которых расположены закрепленные на сферической оболочке два основных вентилятора, термодатчик газовой системы охлаждения которых установлен на наружной поверхности сферической оболочки в месте ее соединения с фланцем гиростабилизированной платформы, причем витки трубки жидкостного теплообменника расположены между внешней поверхностью первого сферического кожуха и внутренней поверхностью теплоизолированного сферического корпуса, а зазор между внешней сферической поверхностью гиростабилизированной платформы и внутренней поверхностью сферической оболочки удовлетворяет следующему соотношению: δ=0,01-0,03Д, где Д - диаметр сферической оболочки.