ОПТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ГАЗОВЫХ ДАТЧИКАХ
OPTICAL ELEMENTS IN GAS SENSORS

Данное изобретение относится к предотвращению и/или устранению конденсации на оптических элементах в газовых датчиках и, в частности, к использованию термоэлектрических тепловых насосов для предотвращения или устранения конденсации.
Газовые датчики используются во многих областях применения, где необходимо или желательно обнаружить присутствие конкретного газа или конкретных газов. Например, в тех областях промышленности, где применяются взрывоопасные газы, необходимо контролировать окружающие области, чтобы убедиться в отсутствии утечек газа, которые могут привести к взрыву вследствие воспламенения газа.
Один тип газового датчика, известный в данной области техники, определяет присутствие газа путем обнаружения изменений в спектре электромагнитного излучения вследствие поглощения газом. Такой газовый датчик обычно содержит газоизмерительный объем, содержащийся в корпусе газового датчика. Корпус имеет отверстия, чтобы позволить газу поступать в газоизмерительный объем и выходить из него. Электромагнитное излучение проходит через газоизмерительный объем от источника излучения к детектору излучения. Электромагнитное излучение имеет спектр диапазона частот, покрывающий частоты, соответствующие полосе поглощения искомого газа. Частотный спектр, принятый на детекторе, анализируется для определения того, произошло ли поглощение излучения в диапазоне частот полосы поглощения. Если в диапазоне частот полосы поглощения произошло поглощение излучения, это указывает на то, что в газоизмерительном объеме может присутствовать искомый газ. Анализ частотного спектра электромагнитного излучения может предполагать сравнение поглощения на частотах в полосе поглощения с поглощением на частотах в референсной полосе, при этом референсная полоса представляет собой участок частотного спектра электромагнитного излучения, который не поглощается искомым газом.
В таких газовых датчиках электромагнитное излучение обычно проходит через оптические элементы или отражается от оптических элементов, таких как окна и зеркала. Однако, поскольку необходимо позволить окружающей атмосфере проникать в измерительный объем, чтобы распознать газ в окружающей атмосфере, невозможно предотвратить поступления в измерительный объем водяного пара. При определенных условиях окружающей среды на оптических элементах может образовываться конденсат. Конденсат образуется, когда температура окружающего воздуха вблизи некоторой поверхности превышает температуру этой поверхности. Следовательно, конденсация, вероятно, будет происходить, когда температура окружающей среды изменяется. Например, если газовый датчик охлаждается (например, за ночь), корпус и оптические элементы придут в термическое равновесие с окружающей средой и станут холодными. Когда температура повышается (например, в течение дня), температура окружающей среды будет повышаться, однако для прихода корпуса и оптических поверхностей в термическое равновесие потребуется некоторое время, в результате чего корпус и оптические поверхности имеют температуру ниже температуры окружающей среды. В этом случае на относительно холодных поверхностях оптического элемента образуется конденсат. Эта проблема может усугубляться при наличии высокой влажности.
Конденсация на оптических элементах создает проблемы в газовых датчиках, поскольку, когда электромагнитное излучение проходит сквозь окна или отражается от зеркал, конденсация оказывает влияние на спектр проходящего или отражаемого света. Способ обнаружения газа основан на оценке изменения в электромагнитном спектре вследствие поглощения газом. Если к тому же происходит непредсказуемое количественное поглощение или рассеивание, вызванное конденсацией на оптических элементах, сложно или невозможно надежно определить, присутствует ли газ. Конденсация на оптических элементах может привести к ложным положительным данным или может привести к тому, что газовый датчик не сможет обнаружить присутствие газа. В первом случае это по меньшей мере вызывает неудобства, поскольку может заставить человека, контролирующего систему, поверить в присутствие опасного газа, когда его на самом деле нет, а во втором случае ситуация может быть потенциально угрожающей, если утечка опасного газа остается незамеченной из-за конденсации на оптических элементах газового датчика.
Решение, использованное в данной области техники, для того, чтобы сделать эту проблему менее острой, заключается в создании соответствующего резистивного нагревательного элемента в тепловом контакте с каждым оптическим элементом.
Как упоминалось выше, когда температура оптического элемента ниже температуры окружающего воздуха, особенно в условиях высокой влажности, на поверхностях оптического элемента будет происходить конденсация водяного пара. Когда это случается, конденсацию можно предотвратить или устранить путем включения резистивных нагревательных элементов в контакте с оптическими элементами. Нагревательные элементы переносят тепловую энергию на оптические элементы, тем самым повышая их температуру. Как только их температура становится выше температуры окружающей среды, конденсат на оптических элементах испаряется. Точно так же образование конденсата на оптическом элементе можно предотвратить, используя резистивный нагревательный элемент для нагрева оптического элемента до образования конденсата.
Однако данный подход порождает соответствующие проблемы. В связи с особенностью тех мест, где требуется контролировать присутствие газа, не всегда имеется возможность удобно расположить газовые датчики в точках, имеющих доступ к источнику энергии. Таким образом, часто требуется полагаться на питание от батарей для управления газовыми датчиками. Однако количество энергии батареи, необходимое для работы резистивных нагревательных элементов, относительно велико. Это приводит к существенному сокращению срока службы батареи газового датчика.
Данная проблема становится особенно острой в сетях газовых датчиков, содержащих большое число блоков газовых датчиков, которые могут быть распределены по большой площади и могут привести к коммерчески неприемлемому результату.
Таким образом, задача настоящего изобретения заключается в создании более эффективного устройства для предотвращения конденсации на оптических элементах газовых датчиков.
Согласно первому аспекту изобретения, предложено газочувствительное устройство, содержащее:
газовый датчик, выполненный с возможностью использования света для распознавания присутствия газа;
оптический элемент, расположенный так, что указанный свет падает на него; а также
термоэлектрический тепловой насос, имеющий холодную сторону и горячую сторону, при этом термоэлектрический тепловой насос выполнен с возможностью переноса тепловой энергии от указанной холодной стороны к указанной горячей стороне в ответ на подачу электрической энергии, поступающей на термоэлектрический тепловой насос, при этом горячая сторона термоэлектрического теплового насоса находится в тепловом контакте с оптическим элементом.
Изобретение также относится к способу предотвращения, устранения или уменьшения конденсации на оптическом элементе в газочувствительном устройстве, при этом газочувствительное устройство содержит газовый датчик, выполненный с возможностью использования света для распознавания присутствия газа, при этом оптический элемент расположен так, что указанный свет падает на него, при этом способ включает:
использование термоэлектрического теплового насоса для переноса тепловой энергии на оптический элемент, при этом:
термоэлектрический тепловой насос имеет холодную сторону и горячую сторону, при этом термоэлектрический тепловой насос переносит тепловую энергию от указанной холодной стороны к указанной горячей стороне в ответ на подачу электрической энергии, поступающей на термоэлектрический тепловой насос; при этом
горячая сторона термоэлектрического теплового насоса находится в тепловом контакте с оптическим элементом.
Следует отметить, что термины "горячая сторона" и "холодная сторона" используются в настоящем описании согласно общепринятым значениям в уровне техники, в соответствии с которыми "холодная" сторона поглощает тепловую энергию, а "горячая" сторона излучает тепловую энергию, так что тепловая энергия «перекачивается» от холодной стороны к горячей стороне. Не обязательно, чтобы температура горячей стороны была выше температуры холодной стороны. В зависимости от рабочих условий и условий окружающей среды (например, уровня влажности), горячая сторона может иметь температуру ниже, чем у холодной стороны.
Кроме того, термин "сторона" в отношении горячей стороны и холодной стороны подразумевает поверхность или часть термоэлектрического теплового насоса, не ограничивая при этом термоэлектрический тепловой насос какой-либо конкретной формой. Понятие «термоэлектрический тепловой насос» относится к любому твердотельному устройству, в котором используется термоэлектрический эффект для переноса тепла от одной части устройства к другой при пропускании электрического тока. Термин "термоэлектрический тепловой насос", таким образом, охватывает термоэлектрические нагреватели и термоэлектрические охладители (которые также могут именоваться нагревателями на основе элементов Пельтье, охладителями на основе элементов Пельтье или тепловыми насосами на основе элементов Пельтье).
Следует также отметить, что термин "свет" в настоящем описании означает электромагнитное излучение, т.е. свет может представлять собой видимый свет, но не обязательно его. Свет может обладать любой приемлемой частотой или любым приемлемым диапазоном (любыми приемлемыми диапазонами) частот.
Заявитель пришел к выводу о том, что для предотвращения конденсации на оптических элементах в газочувствительном устройстве, даже если относительная влажность составляет 100%, поверхности оптических элементов должны быть лишь чуть теплее окружающего воздуха. Например, разница в 0,2°С может быть достаточной, чтобы избежать конденсации, хотя следует отметить, что изобретение не ограничено разностью температур, составляющей 0,2°С. Благодаря очень малой требуемой разности температур термоэлектрическая перекачка тепла является весьма эффективной. В дополнение к активной перекачке тепла с помощью термоэлектрического теплового насоса имеется также дополнительная тепловая энергия в результате джоулева нагрева, связанного с электрическим сопротивлением самого термоэлектрического теплового насоса. Эта дополнительная тепловая энергия вносит свой вклад в увеличение температуры оптического элемента.
В предпочтительных вариантах осуществления газочувствительное устройство содержит поглотитель тепла в тепловом контакте с холодной стороной термоэлектрического теплового насоса. Способ предпочтительно включает использование термоэлектрического теплового насоса для переноса тепловой энергии от поглотителя тепла к оптическому элементу. Может использоваться любой пригодный поглотитель тепла. В предпочтительных вариантах осуществления поглотитель тепла проходит по существу вдоль всей длины и/или по существу всей ширины, и/или по существу всей глубины измерительного объема газочувствительного устройства. Поглотитель тепла может представлять собой поглотитель тепла любого типа, известного в уровне техники, в частности, поглотитель тепла может иметь ребра и/или образовывать складки. Он может быть выполнен из металла или любого другого пригодного материала или комбинации материалов. Поглотитель тепла может быть выполнен из пористого керамического материала. Заявитель пришел к выводу, что это в особенности предпочтительно, поскольку поглотитель тепла, выполненный из пористого керамического материала, может быть весьма эффективен при переносе тепла, например, более эффективен, чем металл, благодаря большой площади поверхности пористого материала.
Следует отметить, что термин "поглотитель тепла" относится к структуре, которая может быть пригодна для традиционного использования в качестве поглотителя тепла, т.е. иметь форму, предназначенную для максимального увеличения площади поверхности и воздушного потока по ней, но при этом тепловой поток в поглотителе тепла согласно настоящему изобретению поступает в противоположном направлении по сравнению с традиционным использованием поглотителя тепла. В традиционной схеме поглотителя тепла поглотитель тепла используется для отвода тепла от горячего тела (например, некоторого компонента), чтобы охладить это тело. Тепло отводится через поглотитель тепла и переносится от его поверхности в окружающий воздух. Однако согласно настоящему изобретению поглотитель тепла отводит тепло из окружающего воздуха, при этом тепло проводится через поглотитель тепла к холодному телу (т.е. оптическому элементу), чтобы нагреть это тело. Лежащие в основе принципы, однако, остаются теми же.
Поглотитель тепла предоставляет дополнительное преимущество, позволяющее повысить эффективность газочувствительного устройства. В вариантах осуществления, содержащих поглотитель тепла, в дополнение к повышению температуры оптического элемента термоэлектрический тепловой насос забирает тепловую энергию от поглотителя тепла, который, в свою очередь, забирает тепловую энергию из окружающего воздуха, понижая температуру окружающего воздуха в непосредственной близости. Поскольку конденсат образуется тогда, когда воздух вблизи поверхности теплее самой поверхности, понижение температуры воздуха также служит для предотвращения или устранения конденсации. Термоэлектрический тепловой насос, таким образом, создает два взаимодополняющих эффекта, способных поднять температуру оптического элемента до уровня, превышающего температуру окружающего воздуха: он повышает температуру оптического элемента и снижает температуру окружающего воздуха.
Дополнительный эффект поглотителя тепла, способствующий устранению и/или предотвращению конденсации, заключается в том, что поглотитель тепла служит конденсатной ловушкой. Когда тепловая энергия откачивается из поглотителя тепла, он охлаждается относительно окружающего воздуха. Водяной пар в окружающем воздухе, таким образом, конденсируется на поглотителе тепла, что приводит к уменьшению влажности локально расположенного окружающего воздуха, помогая предотвратить и/или устранить конденсацию на оптическом элементе. Кроме того, когда водяной пар конденсируется на поглотителе тепла, тепловая энергия переносится на поглотитель тепла. Эта энергия, высвобожденная благодаря конденсации на поглотителе тепла, далее перекачивается на оптический элемент термоэлектрическим тепловым насосом и тем самым способствует нагреву оптического элемента. Поглотитель тепла может иметь поверхностное покрытие или поверхностную микро- или наноструктуру. Например, поглотитель тепла может быть пористым. Это увеличивает поглощение воды и повышает эффективность поглотитель тепла как конденсатной ловушки, способствуя снижению влажности окружающего воздуха. Это может также увеличить высвобождение энергии в результате конденсации на поглотителе тепла.
Следует отметить, что в вариантах осуществления, в которых поглотитель тепла отсутствует, вышеуказанные преимущества до некоторой степени обеспечиваются холодной стороной термоэлектрического теплового насоса. В этих вариантах осуществления холодная сторона отводит тепловую энергию непосредственно из локально расположенного окружающего воздуха, охлаждая воздух. Холодная сторона может также служить в качестве конденсатной ловушки, при этом энергия, получаемая из водяного пара, конденсирующегося на холодной стороне, может способствовать нагреву оптического элемента тем же способом, что описан выше. Однако эти эффекты могут быть усилены путем создания поглотителя тепла благодаря большой площади поверхности поглотителя тепла.
Газочувствительное устройство согласно настоящему изобретению содержит по меньшей мере один оптический элемент. Однако в совокупности вариантов осуществления газочувствительное устройство в общей сложности содержит более одного оптического элемента. Каждый оптический элемент может выбираться из группы, состоящей из зеркала и окна, хотя могут использоваться и другие оптические элементы.
Могут быть созданы один или несколько дополнительных термоэлектрических тепловых насосов. Предпочтительно каждый из дополнительных тепловых насосов приспособлен для того, чтобы его соответствующая горячая сторона находилась в тепловом контакте с одним или более из дополнительных оптических элементов. В некоторых вариантах осуществления холодная сторона каждого из дополнительных термоэлектрических тепловых насосов находится в тепловом контакте с поглотителем тепла.
В некоторых вариантах осуществления, вне зависимости от количества оптических элементов или количества термоэлектрических тепловых насосов, могут быть созданы один или несколько дополнительных поглотителей тепла. Таким образом, холодная сторона термоэлектрического теплового насоса может также находиться в тепловом контакте с одним, некоторыми или всеми дополнительными поглотителями тепла. Если газочувствительное устройство содержит дополнительный термоэлектрический тепловой насос (дополнительные термоэлектрические тепловые насосы), холодные стороны этого дополнительного термоэлектрического теплового насоса (этих дополнительных термоэлектрических тепловых насосов) могут находиться в тепловом контакте с одним или более дополнительными поглотителями тепла.
Предпочтительно горячая сторона термоэлектрического теплового насоса находится в тепловом контакте с оптическим элементом посредством пребывания в физическом контакте. Горячая сторона термоэлектрического теплового насоса может непосредственно физически контактировать с оптическим элементом или может пребывать в контакте посредством промежуточного теплопроводящего элемента или вещества, например посредством теплопроводящего связующего материала или адгезива. Предпочтительно, однако, чтобы горячая сторона термоэлектрического теплового насоса удерживалась в непосредственном физическом контакте с оптическим элементом. Например, термоэлектрический тепловой насос и оптический элемент могут удерживаться вместе с помощью механического крепежного приспособления, такого как винты и зажимы.
Аналогичным образом холодная сторона термоэлектрического теплового насоса предпочтительно находится в тепловом контакте с поглотителем тепла посредством пребывания в физическом контакте с ним. Холодная сторона термоэлектрического теплового насоса может непосредственно физически контактировать с поглотителем тепла или может пребывать в контакте посредством промежуточного теплопроводящего элемента или вещества, например, посредством теплопроводящего связующего материала или адгезива. Холодная сторона термоэлектрического теплового насоса может находиться в тепловом контакте с поглотителем тепла посредством проводника тепла (например, вытянутого проводника тепла или "тепловой трубки"). Это может обеспечить больше свободы при создании конструкции с точки зрения расположения поглотителя тепла. Предпочтительно, однако, холодная сторона термоэлектрического теплового насоса удерживается в непосредственном физическом контакте со поглотитель тепла. Например, термоэлектрический тепловой насос и поглотитель тепла могут удерживаться вместе с помощью механического крепежного приспособления, такого как винты и зажимы.
Термоэлектрический тепловой насос может иметь любую пригодную форму. Он может быть образован из квадратной или прямоугольной матрицы чередующихся плиток n- и p-типа на керамической подложке с расположением дополнительной керамической подложки поверх плиток, так что термоэлектрический тепловой насос имеет квадратную или прямоугольную форму. Однако возможны и другие формы. Термоэлектрический тепловой насос может иметь отверстие или зазор, чтобы позволить проходить электромагнитному излучению. Например, термоэлектрический тепловой насос может иметь форму кольца или С-образную форму. Такая конструкция в особенности предпочтительна, когда термоэлектрический тепловой насос используется с окном, поскольку это предоставляет возможность электромагнитному излучению проходить через окно посредством отверстия или зазора, позволяя при этом горячей стороне термоэлектрического теплового насоса находиться в тепловом контакте с областью окна (а значит, нагревать ее), окружающей или по существу окружающей область, через которую проходит излучение. Аналогичным образом термоэлектрический тепловой насос, имеющий отверстие или зазор, может предпочтительно использоваться с зеркалом, поскольку это позволяет термоэлектрическому тепловому насосу крепиться к отражающей стороне зеркала, а не к обратной стороне зеркала, не блокируя прохождение излучения (поскольку излучение может проходить через зазор или отверстие). Это может обеспечить более эффективный нагрев отражающей стороны зеркала.
В совокупности вариантов осуществления газочувствительное устройство содержит измерительный объем. Газочувствительное устройство может содержать корпус, при этом в корпусе могут быть созданы отверстия, чтобы позволить газу попадать в измерительный объем. Предпочтительно термоэлектрический тепловой насос и, если он предусмотрен, поглотитель тепла расположены в измерительном объеме. Например, они могут быть выполнены с возможностью нагрева зеркала в измерительном объеме или окна между измерительным объемом и другим объемом газочувствительного устройства. Однако наличие измерительного объема в газочувствительном устройстве не является необходимым условием. Например, газочувствительное устройство может представлять собой детектор прямой видимости. Термоэлектрический тепловой насос и/или поглотитель тепла, таким образом, не должны обязательно располагаться в измерительном объеме. Кроме того, даже в вариантах осуществления, в которых имеется измерительный объем, термоэлектрический тепловой насос может использоваться для нагрева оптического элемента (или поверхности оптического элемента), находящегося не внутри измерительный объем. Таким образом, даже в вариантах осуществления, в которых имеется измерительный объем, поглотитель тепла может располагаться в объеме газочувствительного устройства, отличном от измерительного объема.
Предпочтительно оптический элемент термически изолирован от корпуса. Он может быть установлен на теплоизолирующей конструкции. Например, зеркало может крепиться к теплоизолирующей монтажной опоре, при этом теплоизолирующая монтажная опора крепится к стенке корпуса. Зеркало может удерживаться на месте держателем зеркала, который, например, может зажимать или крепить шпилькой зеркало на месте. Держатель зеркала может быть выполнен из теплоизолирующего материала, например пластика. Дополнительно или в качестве альтернативы держатель зеркала может иметь малую площадь контакта с зеркалом. Например, держатель зеркала может содержать небольшое количество (например, шесть или менее) поддерживающих или скрепляющих элементов, например шпилек, язычков или штифтов, удерживающих зеркало в ряде дискретных точек. Например, зеркало может устанавливаться или удерживаться в рабочем положении в корпусе с помощью некоторого количества шпилек, например трех шпилек.
В одной возможной схеме держатель зеркала образует часть поглотителя тепла, например, он может быть выполнен за одной целое с поглотителем тепла или он может быть термически присоединен к поглотителю тепла и выполнен из того же материала, что и поглотитель тепла. При таких схемах зеркало может быть по существу термически изолировано от поглотителя тепла благодаря малой площади контакта с держателем зеркала, как описано выше. В некоторых вариантах осуществления поглотитель тепла, термоэлектрический тепловой насос и зеркало установлены «штабелем», при этом поглотитель тепла выступает вперед зеркала для крепления его шпильками к термоэлектрическому тепловому насосу и поглотителю тепла. Поглотитель тепла затем может устанавливаться на корпусе посредством теплоизолирующей монтажной опоры.
Другие оптические элементы могут удерживаться на месте держателем, который может иметь любой из признаков, описанных выше в отношении держателя зеркала.
Окно может устанавливаться в теплоизолирующей внутренней стенке газочувствительного устройства. Эта теплоизоляция предназначена для предотвращения или существенного уменьшения переноса тепла между оптическим элементом и корпусом, который может обладать высокой теплоемкостью и (как и оптические элементы), вероятно, холоднее окружающего воздуха в тех случаях, когда возможна конденсация. Такая схема является предпочтительной, поскольку не позволяет тепловой энергии, переносимой на оптический элемент для нагрева оптического элемента, рассеиваться в корпусе.
Аналогичным образом поглотитель тепла предпочтительно термически изолирован от корпуса, чтобы предотвратить или существенно уменьшить перенос тепловой энергии от поглотителя тепла к корпусу. Перенос тепловой энергии от поглотителя тепла к корпусу нежелателен, поскольку это может снизить температуру поглотителя тепла. Эффективность термоэлектрического теплового насоса зависит от разности температур между холодной стороной (а значит, поглотителем тепла) и горячей стороной. Если поглотитель тепла охлаждается вследствие переноса тепла к корпусу, температура поглотителя тепла может оказаться существенно (например, на несколько градусов) ниже температуры горячей стороны термоэлектрического теплового насоса, что приводит к низкой эффективности перекачки. Это связано с тем, что когда разность температур между горячей и холодной сторонами теплового насоса велика, джоулев нагрев доминирует над термоэлектрическим переносом тепла, при этом джоулев нагрев существенно менее эффективен, чем термоэлектрический перенос тепла.
Следует отметить, что настоящее изобретение может использоваться для устранения, уменьшения и/или предотвращения конденсации, а также то, что если термоэлектрический тепловой насос включить в ожидании наступления конденсации, можно полностью предотвратить образование конденсата, а не только всего лишь его устранить, после того как он уже образовался. Желательно полностью избежать конденсации, что может достигаться путем непрерывной работы термоэлектрического теплового насоса. Однако следует также отметить, что непрерывная работа истощит батарею быстрее, чем при ее периодическом использовании. Следовательно, хотя термоэлектрический тепловой насос может непрерывно находиться во включенном состоянии, предпочтительно его включать периодически.
Термоэлектрический тепловой насос может включаться с заданными, например регулярными интервалами, например, по сигналу таймера. Он может включаться в заданные моменты времени, например конкретные моменты времени дня, когда конденсация более вероятна (например, утром). Он может включаться в ответ на некоторые условия окружающей среды, например замеренное изменение температуры окружающей среды или влажности. Он может включаться в ответ на обнаружение состояния, указывающего на присутствие конденсации. Газочувствительное устройство может быть выполнено с возможностью определения присутствия конденсации изданных, используемых для обнаружения газа. Например, в некоторых вариантах осуществления газовый датчик измеряет величины, свидетельствующие о поглощении электромагнитного излучения в одной или более полос поглощения газа и в одной или более референсных полос. Определенные изменения в поглощении могут указывать на присутствие конденсации, например неожиданное увеличение поглощения в референсной полосе (референсных полосах) или одновременно в референсной полосе (референсных полосах) и полосе поглощения (полосах поглощения). Газочувствительное устройство может определять присутствие (или вероятность присутствия) конденсации из этих изменений поглощения, а затем может вызывать включение термоэлектрического теплового насоса.
Аналогичным образом термоэлектрический тепловой насос может отключаться в ответ на обнаружение (с помощью газового датчика или как-то иначе) того, что конденсация устранена или существенно уменьшена. Он может отключаться в ответ на изменение условий окружающей среды. Он может отключаться по истечении заданного количества времени.
Возможные признаки вышеописанных термоэлектрического теплового насоса, оптического элемента и поглотителя тепла могут также распространяться соответственно на дополнительный термоэлектрический тепловой насос (дополнительные термоэлектрические тепловые насосы), дополнительный оптический элемент (дополнительные оптические элементы) и дополнительный поглотитель тепла (дополнительные поглотители тепла), если они предусмотрены.
Далее будут описаны определенные предпочтительные варианты осуществления, приведенные лишь в качестве примера, со ссылкой на сопроводительные чертежи, где:
на Фигуре 1 показан нагреватель на основе элементов Пельтье для использования в газочувствительном устройстве согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;
на Фигуре 2 показан нагреватель на основе элементов Пельтье по Фигуре 1 в тепловом контакте с задней поверхностью зеркала газочувствительного устройства согласно вариантам осуществления изобретения;
на Фигуре 3 показан кольцеобразный нагреватель на основе элементов Пельтье для использования с окном или зеркалом согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;
на Фигуре 4 показан нагреватель на основе элементов Пельтье по Фигуре 3, расположенный в тепловом контакте с окном газочувствительного устройства согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;
на Фигуре 5 показано газочувствительное устройство согласно настоящему изобретению, содержащее нагреватель на основе элементов Пельтье по Фигуре 1 и кольцеобразный нагреватель на основе элементов Пельтье по Фигуре 3 для предотвращения конденсации на окне и зеркале в газочувствительном устройстве;
на Фигуре 6 показана конструкция для удерживания зеркала и нагревателя на основе элементов Пельтье на месте относительно поглотителя тепла и корпуса газового датчика согласно одному варианту осуществления изобретения.
на Фигуре 7 показан трехмерный покомпонентный вид конструкции, представленной на Фигуре 6.
на Фигуре 8 показан альтернативный вариант осуществления газочувствительного устройства, в котором два кольцеобразных нагревателя на основе элементов Пельтье используются для окна и зеркала;
на Фигуре 9 показан график изменения коэффициента полезного действия для типового нагревателя на основе элементов Пельтье.
На Фигуре 1 показан нагреватель 2 на основе элементов Пельтье для использования в вариантах осуществления настоящего изобретения. Нагреватель 2 на основе элементов Пельтье содержит корпус 4, имеющий холодную сторону 6 и горячую сторону 8. Нагреватель на основе элементов Пельтье представляет собой твердотельное устройство, которое в ответ на подачу электрического тока через электрические соединения 10 переносит тепло от холодной стороны 6 к горячей стороне 8. Следует отметить, что метки "холодная" и "горячая" не обязательно предполагают, что горячая сторона находится при более высокой температуре, чем холодная сторона. В некоторых схемах по настоящему изобретению, в частности во влажной среде, холодная сторона может быть теплее горячей стороны. Метки «холодная» и «горячая» указывают направление переноса тепла, а именно от холодной стороны к горячей стороне.
Корпус 4 нагревателя 2 на основе элементов Пельтье может иметь любую пригодную форму. Следует отметить, что нагреватели на основе элементов Пельтье обычно являются прямоугольными или квадратными, но и другие формы не исключены из настоящего изобретения. Нагреватель на основе элементов Пельтье содержит матрицу чередующихся термоэлектрических элементов n-типа 4а и p-типа 4b, расположенных на прямоугольной керамической подложке (соответствующей горячей стороне 8). Такая же прямоугольная керамическая подложка (соответствующая холодной стороне 6) расположена поверх матрицы.
На Фигуре 2 показан нагреватель 2 на основе элементов Пельтье по Фигуре 1, расположенный в тепловом контакте с зеркалом 12. Зеркало имеет переднюю (отражающую) поверхность 14 и заднюю (неотражающую) поверхность 16. Нагреватель 2 на основе элементов Пельтье расположен так, что его горячая сторона 8 находится в тепловом контакте с задней поверхностью 16 зеркала 12. В конструкции, показанной на Фигуре 2, нагреватель 2 на основе элементов Пельтье удерживается на своем месте на задней поверхности 16 зеркала 14 с помощью зажимов 18, привинченных на месте к задней поверхности 16 зеркала 14. Однако следует отметить, что могут использоваться альтернативные способы для крепления нагревателя 2 на основе элементов Пельтье к зеркалу 12. Например, может применяться теплопроводящий адгезив. Когда электрический ток подается на электрические соединения 10 нагревателя 2 на основе элементов Пельтье, тепловая энергия переносится от холодной стороны 6 нагревателя 2 на основе элементов Пельтье к горячей стороне 8.
Поглотитель тепла установлен в тепловом контакте с холодной стороной 6 нагревателя 2 на основе элементов Пельтье. Поглотитель тепла на Фигуре 2 для упрощения не показан, но показан и описан ниже со ссылкой на Фигуры 5 и 6. Перенос тепла от холодной стороны 6 к горячей стороне 8 нагревателя на основе элементов Пельтье приводит к отбору тепловой энергии из воздуха, окружающего холодной сторону, главным образом посредством поглотителя тепла, и переноса ее к зеркалу 12, тем самым повышая температуру зеркала 12. Более высокая температура зеркала 12 относительно окружающего воздуха 20 предотвращает образование конденсата на передней поверхности 14 зеркала 12.
Электромагнитное излучение 22, используемое для распознавания газа, далее может отражаться от передней поверхности 14 зеркала 12 в условиях, при которых конденсация не воздействует на спектр излучения 22.
На Фигуре 3 показан кольцеобразный нагреватель 24 на основе элементов Пельтье для использования в вариантах осуществления настоящего изобретения. Кольцеобразный нагреватель на основе элементов Пельтье содержит множество термоэлектрических элементов n-типа 26а и p-типа 26b, расположенных на кольцеобразной керамической подложке 32а, при этом поверх термоэлектрических элементов 26а, 26b расположена дополнительная кольцеобразная керамическая подложка 32b. Кольцеобразный нагреватель 24 на основе элементов Пельтье имеет горячую сторону 34, холодную сторону 36, а также электрические соединения 38. По аналогии с нагревателем 2 на основе элементов Пельтье, описанным на Фигуре 1, когда электрический ток подается на электрические соединения 38, тепло переносится от холодной стороны 36 к горячей стороне 34.
На Фигуре 4 показан нагреватель 24 на основе элементов Пельтье по Фигуре 3, расположенный в тепловом контакте с окном 40. Нагреватель 24 на основе элементов Пельтье удерживается в контакте с окном 40 теплопроводящим адгезивом 42. Следует отметить, что в других вариантах осуществления для крепления нагревателя 24 на основе элементов Пельтье к окну 40 могут использоваться альтернативные способы. В газочувствительном устройстве согласно вариантам осуществления изобретения поглотитель тепла установлен в тепловом контакте с холодной стороной 36 нагревателя 24 на основе элементов Пельтье. Поглотитель тепла на Фигуре 4 для упрощения не показан, но описан ниже со ссылкой на Фигуры 5 и 6.
Когда электрический ток подается на электрические соединения 38, тепловая энергия переносится от холодной стороны 36 к горячей стороне 34 нагревателя 24 на основе элементов Пельтье. Таким образом, тепло отводится из окружающего воздуха 44а, прилегающего к холодной стороне, главным образом посредством поглотителя тепла (не показано), и переносится в тело окна 40. Это повышает температуру окна 40.
Благодаря более высокой температуре окна 40 по сравнению с окружающим воздухом 44а и окружающим воздухом 44b на другой стороне окна 40 на окне 40 не допускается образование конденсата. Таким образом, когда электромагнитное излучение 46 проходит через окно 40 в процессе работы газочувствительного устройства, излучение 46 может проходить через окно 40, не изменяя своего спектра в результате конденсации на окне 40. Надежность газочувствительного устройства, таким образом, существенно повышается.
Согласно обеим конструкциям, показанным на Фигурах 2 и 4, в дополнение к переносу тепла нагревателем 2, 24 на основе элементов Пельтье, существует также джоулев нагрев в нагревателе 2, 24 на основе элементов Пельтье. Энергия, генерируемая джоулевым нагревом, переносится на зеркало 12 или окно 40 в дополнение к теплопереносу, вызванному эффектом Пельтье. Это обеспечивает дополнительный нагрев зеркала 12 и окна 40. Данный дополнительный нагрев способствует повышению эффективности конструкции нагревателя на основе элементов Пельтье для предотвращения конденсации.
На Фигуре 5 показано газочувствительное устройство 48, в котором используются два нагревателя 2, 24 на основе элементов Пельтье согласно настоящему изобретению. Газочувствительное устройство 48 содержит газовый датчик 49 в корпусе 50. Корпус 50 включает содержит пластиковый колпачок 51 для связи с атмосферой, который может сниматься с корпуса 50, например, с целью очистки. За исключением пластикового колпачка 51 для связи с атмосферой корпус 50 выполнен из стали. Колпачок 51 для связи с атмосферой имеет отверстия 52 для доступа газа. Корпус 50 содержит участок 54 для размещения компонентов, в котором располагается газовый датчик 49, содержащий компоненты (например, компоненты управления, компоненты для генерирования и обнаружения излучения и т.д.). Эти компоненты для упрощения не показаны на Фигуре 5. Газочувствительное устройство 48 также содержит измерительный объем 56. В процессе работы газочувствительного устройства 48 электромагнитное излучение 58 передается из участка 54 для размещения компонентов в измерительный объем 56 через окно 40. Электромагнитное излучение 58 отражается от зеркала 12 в обратном направлении через окно 40 на детектор (не показан).
Следует отметить, что конкретное газочувствительное устройство, показанное на Фигуре 5, представляет возможную конструкцию. Настоящее изобретение может быть предпочтительно использовано в любом газочувствительном устройстве, в состав которого входят отражающие или пропускающие оптические элементы, или любой другой оптический элемент, на котором может образовываться конденсат.
Окно 40 снабжено кольцеобразным нагревателем 24 на основе элементов Пельтье, как описано выше со ссылкой на Фигуру 4. Нагреватель 24 на основе элементов Пельтье имеет горячую сторону 34 и холодную сторону 36. Горячая сторона 34 крепится к окну 40 и находится в тепловом контакте с ним. Холодная сторона 36 пребывает в тепловом контакте с двумя поглотителями 64 тепла. Поглотители 64 тепла выполнены из металла и имеют ребра 66 для содействия поглощению тепловой энергии из окружающего воздуха 68 в измерительном объеме 56. Следует отметить, что может использоваться любое количество поглотителей тепла. Может использоваться один поглотитель тепла, например, проходящий через верхнюю часть и нижнюю часть измерительного объема 56, как поглотители 64 тепла, показанные на Фиг. 5, но соединенный позади зеркала 12 и нагревателя 2 на основе элементов Пельтье. Поглотитель тепла (поглотители тепла) могут иметь отверстия, чтобы позволить создать поток газа в корпусе. Такие отверстия могут быть необходимы для поглотителей тепла, которые по существу заключают в оболочку часть измерительного объема 56, например поглотителей тепла, обладающих цилиндрической симметрией.
Когда на нагреватель 24 на основе элементов Пельтье подается электрическая энергия, тепловая энергия переносится от поглотителей 64 тепла, находящихся в тепловом контакте с холодной стороной 36, на окно 40, находящееся в тепловом контакте с горячей стороной 34. Кроме того, Джоулев нагрев, создаваемый нагревателем 24 на основе элементов Пельтье, генерирует тепло, которое переносится на окно 40. Таким образом, температура окна 40 повышается, препятствуя образованию конденсата и/или устраняя его с окна 40, как описано выше со ссылкой на Фигуру 4.
Благодаря теплу, которое переносится от поглотителей 64 тепла, температура поглотителей тепла падает. Это создает два основных эффекта.
Во-первых, поглотители 64 тепла пребывают при температуре ниже температуры окружающего воздуха 68. В результате водяной пар в окружающем воздухе 68 стремится конденсироваться на относительно холодных поглотителях 64 тепла. Это снижает уровень влажности в окружающем воздухе, дополнительно уменьшая вероятность образования конденсата на окне 40. Кроме того, дополнительная тепловая энергия переносится на поглотители 64 тепла в результате конденсации водяного пара, при этом данная дополнительная тепловая энергия переносится посредством термоэлектрических тепловых насосов 2, 24 на зеркало 12 и окно 40. Эта дополнительная тепловая энергия может помочь уменьшить или устранить разность температур между поглотителями 64 тепла (а значит, холодной стороной 36 нагревателя 24 на основе элементов Пельтье) и горячей стороной 34 нагревателя 24 на основе элементов Пельтье, существенно повышая эффективность нагревателя 24 на основе элементов Пельтье.
Во-вторых, вследствие более низкой температуры поглотителей 64 тепла по сравнению с окружающим воздухом 68 тепловая энергия переносится из окружающего воздуха 68 на поглотители 64 тепла. Благодаря этому окружающий воздух 68 охлаждается, увеличивая разность температур между окном 40 и окружающим воздухом 68. Это дополнительно способствует устранению образования конденсата на окне 40.
Окно 40 установлено на теплоизолирующей стенке 70, имеющей отверстие 72, чтобы позволить электромагнитному излучению 58 проходить в измерительный объем 56. Теплоизоляция существенно уменьшает перенос тепла от окна 40 к корпусу 50. Преимущество этого заключается в том, что тепловая энергия, вырабатываемая благодаря эффекту Пельтье и джоулеву нагреву нагревателя 24 на основе элементов Пельтье, переносится на окно 40 для повышения его температуры, но не рассеивается в корпусе 50. Перенос этой тепловой энергии на корпус 50 нежелателен, поскольку корпус 50 (выполненный преимущественно из стали) обладает высокой теплоемкостью. Если нагревателю 24 на основе элементов Пельтье приходится нагревать корпус 50 в дополнение к окну 40, потребуется перенос значительно большего количества тепловой энергии. Это существенно снизит эффективность схемы нагрева на эффекте Пельтье. Теплоизоляция окна 40 может достигаться с помощью других конструкций для теплоизоляции, в частности, окно может устанавливаться на теплоизолирующем кольце, помещенном вокруг отверстия в стальной внутренней стенке.
Окно (или другие оптические элементы) не обязательно должны устанавливаться непосредственно на теплоизолирующей монтажной опоре. Например, оптический элемент может устанавливаться на подузле, при этом сам подузел может устанавливаться на теплоизолирующей монтажной опоре. Такое решение может обеспечить дополнительное преимущество, если в состав подузла входят компоненты, генерирующее тепло посредством джоулева нагрева (например, оптоэлектроника), поскольку джоулев нагрев может способствовать нагреву оптического элемента.
Зеркало 12 снабжено нагревателем 2 на основе элементов Пельтье, как описано выше со ссылкой на Фигуры 1 и 2. Согласно вышеприведенному описанию со ссылкой на Фигуру 2 нагреватель 2 на основе элементов Пельтье находится в тепловом контакте с задней поверхностью 16 зеркала 12. Передняя поверхность 14 зеркала 12 является отражающей, чтобы отражать электромагнитное излучение 58 в обратном направлении через измерительный объем 56. Горячая сторона 8 нагревателя 2 на основе элементов Пельтье находится в тепловом контакте с зеркалом 12. Холодная сторона 6 нагревателя 2 на основе элементов Пельтье находится в тепловом контакте со поглотителями 64 тепла и установлена на теплоизолирующем блоке 74, который сам смонтирован на задней стенке 76 корпуса 50. Нагреватель 2 на основе элементов Пельтье передает тепловую энергию зеркалу благодаря эффекту Пельтье и джоулеву нагреву, как описано выше со ссылкой на Фигуру 2. Таким образом, образование конденсата на зеркале 12 не допускается и/или он удаляется с зеркала 12. Как описано выше со ссылкой на нагреватель 24 на основе элементов Пельтье, нагреватель 2 на основе элементов Пельтье отводит тепловую энергию от поглотителей 64 тепла посредством холодной стороны 6. Таким образом, нагреватель 2 на основе элементов Пельтье помогает снизить температуру окружающего воздуха 68 и заставляет поглотитель 64 тепла работать в качестве конденсатной ловушки.
По тем же причинам, которые описаны выше в отношении теплоизолирующей стенки 70, предусмотрена теплоизолирующая монтажная опора 74, чтобы предотвратить перенос тепла от поглотителей 64 тепла к корпусу 50. Как упоминалось выше, корпус 50 обладает значительной теплоемкостью. Одно из преимуществ настоящей конструкции заключается в том, что поглотители 64 тепла отбирают тепло из окружающего воздуха 68 и из водяного пара, конденсирующегося на поглотителях 64 тепла. Эта тепловая энергия повышает температуру поглотителей 64 тепла, что может уменьшить или устранить разность температур между поглотителями 64 тепла и горячей стороной 8 нагревателя 2 на основе элементов Пельтье, тем самым повышая эффективность нагревателя 2 на основе элементов Пельтье. Если бы поглотители 64 тепла находились в тепловом контакте с корпусом 50, часть тепловой энергии в поглотителях 64 тепла могла рассеиваться в корпусе 50. Вследствие значительной теплоемкости корпуса 50, а также того, что корпус (как и оптические элементы), вероятно, холоднее окружающего воздуха в тех случаях, когда возможна конденсация, это может понизить температуру поглотителей 64 тепла. Данное явление может привести к тому, что поглотители 64 тепла станут существенно (например, на несколько градусов) холоднее горячей стороны 8 нагревателя на основе элементов Пельтье, что снизит эффективность нагревателя 2 на основе элементов Пельтье.
На Фигуре 6 показана альтернативная конструкция для удерживания зеркала 12 и нагревателя 2 на основе элементов Пельтье на месте относительно поглотителя 65 тепла и корпуса 50. Корпус 50 на Фигуре 6 для упрощения не показан. Нагреватель 2 на основе элементов Пельтье находится в тепловом контакте с зеркалом 12, при этом нагреватель 2 на основе элементов Пельтье и зеркало 12 удерживаются вплотную к поглотителю 65 тепла держателем 92 зеркала, так что холодная сторона нагревателя 2 на основе элементов Пельтье находится в тепловом контакте с поглотителем 65 тепла.
Как и в других вариантах осуществления, поглотитель 65 тепла может быть выполнен из любого подходящего материала, например металла или керамики. Он может иметь любую пригодную форму, например форму диска, или может иметь ребра. Он может быть пористым, например на микро- или наноразмерном уровне, например он может представлять собой микропористый керамический поглотитель тепла.
Держатель 92 зеркала может быть выполнен из теплоизолирующего материала, например пластика. В качестве альтернативы держатель 92 зеркала может быть выполнен из теплопроводящего материала, например металла. Площадь контакта между держателем 92 зеркала и зеркалом 12 может быть достаточно мала, чтобы зеркало 12 было по существу термически изолировано от держателя 92 зеркала.
На Фигуре 7 показан трехмерный покомпонентный вид конструкции, представленной на Фигуре 6. Держатель 92 зеркала содержит три опорные шпильки 94, удерживающие зеркало 12 и нагреватель 2 на основе элементов Пельтье вплотную к поглотителю 65 тепла. Опорные шпильки по существу уменьшают тепловой контакт между держателем 92 зеркала и зеркалом 12, нагревателем 2 на основе элементов Пельтье, а также узлом поглотителя 65 тепла, тем самым сводя к минимуму перенос тепла между зеркалом 12 и корпусом. Может использоваться больше или меньше трех опорных шпилек 94.
В некоторых вариантах осуществления держатель 92 зеркала выполнен из того же материала, что и поглотитель 65 тепла, при этом может быть выполнен за одно целое с поглотителем 65 тепла. В некоторых вариантах осуществления держатель зеркала может эффективно действовать в качестве поглотителя тепла или его части. В некоторых вариантах осуществления опорные шпильки 94 служат для минимизации переноса тепла между зеркалом и поглотителем 65 тепла, чтобы позволить нагревателю 2 на основе элементов Пельтье эффективно нагревать зеркало 12.
На Фигуре 8 показана альтернативная конструкция газочувствительного устройства 78, имеющая ту же конфигурацию нагревателя 24 на основе элементов Пельтье и окна 40, что и в газочувствительном устройстве 50, но иную конструкцию зеркала 80 и кольцеобразного нагревателя 84 на основе элементов Пельтье для отражения электромагнитного излучения в обратном направлении из измерительного объема 56. Конструкция газочувствительного устройства 78 в остальном идентична конструкции газочувствительного устройства 50, показанной на Фигуре 5. Описание одинаковых элементов в этой связи повторяться не будет.
Зеркало 80 в газочувствительном устройстве 78 находится в чуть другом положении, чем зеркало 12 в газочувствительном устройстве 50. Зеркало 80 установлено непосредственно на теплоизолирующей монтажной опоре 82, которая установлена на задней стенке 76 газочувствительного устройства 78. Вместо того чтобы расположить нагреватель на основе элементов Пельтье между зеркалом 80 и теплоизолирующей монтажной опорой 82, кольцеобразный нагреватель 84 на основе элементов Пельтье установлен на передней (отражающей) поверхности 90 зеркала. Отверстие в кольцеобразном нагревателе 84 на основе элементов Пельтье позволяет электромагнитному излучению 58 достигать отражающей поверхности 90 зеркала 80 и благодаря этому отражаться в обратном направлении из измерительного объема 56.
Нагреватель 84 на основе элементов Пельтье расположен так, что его горячая сторона 86 находится в тепловом контакте с зеркалом 80, а его холодная сторона 88 находится в тепловом контакте со поглотителями 64 тепла. Кольцеобразный нагреватель 84 на основе элементов Пельтье позволяет получить тот же эффект, что и нагреватель 2 на основе элементов Пельтье в газочувствительном устройстве 50, однако имеет другую ориентацию и форму, чтобы позволить ему крепиться к передней поверхности 90 зеркала 80.
Следует отметить, что описаны лишь некоторые возможные варианты осуществления, при этом возможны другие варианты. Следует также отметить, что благодаря высокой эффективности термоэлектрических тепловых насосов в сочетании с дополнительным джоулевым нагревом настоящее изобретение может предоставить весьма эффективный способ предотвращения образования конденсата и/или устранения его с оптических элементов в газочувствительном устройстве. Данное преимущество в особенности усиливается тем, что для устранения или предотвращения конденсации требуется лишь малая разность температур. С помощью термоэлектрических тепловых насосов малая разность температур может достигаться очень эффективно.
Это становится очевидным из Фигуры 9, где показан график изменения коэффициента полезного действия для типового теплового насоса на эффекте Пельтье. Коэффициент полезного действия (СОР) теплового насоса на эффекте Пельтье определяется следующим образом:
СОР = тепло, поглощенное на холодной стороне (Вт)/входная мощность элемента (Вт).
По y-оси отложен коэффициент полезного действия, а по x-оси отложен ток, подаваемый на тепловой насос на эффекте Пельтье. Поскольку коэффициент полезного действия зависит от температуры, показаны разные кривые графика для различных значений разности температур между горячей и холодной сторонами. Значения разности температур (DT) выражены через DTmax, где DTmax - максимальная разность температур, получаемая тепловым насосом на эффекте Пельтье. Ток, отложенный по x-оси, нормализован относительно тока Imax, являющегося током, создающим разность температур, равную DTmax.
Поскольку необходимо увеличить температуру оптического элемента лишь на долю градуса, чтобы предотвратить конденсацию, искомыми DT/DTmax - кривыми являются верхние кривые (0,0-0,1). Можно видеть, что для широкого диапазона рабочих условий коэффициент полезного действия превышает 1.
Коэффициент полезного действия (в отличие от теплового КПД) может превышать 1, поскольку он представляет собой отношение выхода (тепла, переносимого в результате работы насоса) к потерям (электрической энергии, необходимой для управления работой насоса), в то время как тепловой КПД для теплового насоса представляет собой отношение выходной энергии к входной энергии.
Для резистивного элемента, который не «перекачивает» тепловую энергию, в силу закона сохранения энергии выход (тепло, вырабатываемое при джоулевом нагреве) не может превышать потери (электрическую энергию, необходимую для работы резистивного элемента). Эквивалентный коэффициент полезного действия, таким образом, не может превышать 1 для резистивного элемента, который не перекачивает тепло. Для элемента, обладающего чисто омическим сопротивлением, эквивалентный коэффициент полезного действия равен 1. Тепловой насос на эффекте Пельтье, таким образом, работает лучше, чем резистивный элемент для широкого диапазона рабочих условий.