ВАКУУМНЫЙ ОХЛАЖДАЮЩИЙ АГРЕГАТ

Полезная модель относится к области аналитического приборостроения, лабораторному и промышленному оборудованию, может быть применена для бесконтактного элементного анализа химического состава вещества в лабораторных условиях.
Для решения задач получения безмасляного вакуума и/или улучшения степени вакуума известны охлаждающие агрегаты, действие которых основано на физических откачивающих эффектах, происходящих при криогенных температурах, а именно: конденсации газов на охлажденных металлических поверхностях и адсорбции газов на твердых адсорбентах.
Из уровня техники известно изобретение, использующееся в вакуумной технике при создании ловушек, охлаждаемых криогенными продуктами (патент №RU 2278716 от 27.05.2004 г.). Решение направлено на снижение расхода хладагента путем улучшения тепловой защиты, охлаждаемого экрана и сосуда с криогенной жидкостью и увеличение ресурса работы за счет более равномерного распределения вымораживаемых паров по рабочей поверхности ловушки.
Известно изобретение вымораживающая ловушка (патент №RU 2182989 от 26.05.2000 г.), использующаяся в криогенной и вакуумной технике, например, при вакуумировании теплоизоляционных полостей в криогенных емкостях. Решение направлено на повышение эффективности охлаждения за счет использования холода отходящих паров криогенной жидкости. В состав вымораживающей ловушки, содержащей корпус с соосно размещенной внутри емкостью, заполненной криогенной жидкостью, с винтовым оребрением на внешней поверхности, цилиндрическую стенку, примыкающую к торцам оребрения с образованием канала и установленную с зазором относительно стенок корпуса, входят полая крышка и решетка, закрепленные на открытом торце емкости и образующие полость для сбора паров криогенной жидкости, расположенные коаксиально с зазором относительно стенок корпуса дополнительный цилиндр с винтовым оребрением, торцы которого примыкают к цилиндрической стенке с образованием винтового канала для паров криогенной жидкости, заглушенного со стороны дна корпуса и сообщенного через решетку с полостью крышки.
Общим недостатком указанных технических решений является наличие криогенной жидкости. Так как для бесперебойного функционирования охлаждающего агрегата необходимо поддерживать в нем достаточный уровень хладагента, то это приводит к необходимости постоянного контроля со стороны персонала. В случае если необходимо длительное во времени функционирование охлаждающего агрегата, необходимо создавать и поддерживать в рабочем состоянии сложную автоматику по контролю за уровнем и доливу хладагента. Кроме того, эксплуатация хладагента требует создания технически сложной материальной базы для хранения, а в отдельных случаях и производства хладагента. Так как большинство хладагентов опасны для здоровья человека, то обращение с ними требует особой техники безопасности. Данные обстоятельства в конечном счете влияют на стоимость эксплуатации оборудования и стоимость продукта.
Известно решение, применяемое в крионасосах серии НВК различных модификаций с одно - и двухступенчатыми микроохладителями (МО) (Нестеров С.Б., Васильев Ю.К., Андросов А.В. Методы расчета вакуумных систем. - М.: Издательство МЭИ,2004. - 220 с, metody-rascheta-vakuumnykh-sistem стр. 212). Конструктивно охлаждающий агрегат представляет собой устройство, содержащее блок криооткачки с микроохладителем, сложной формы теплозащитный охлаждаемый экран, компрессорную установку с блоком управления и соединяющие их кабели и трубопроводы. Компрессорная установка нагнетает хладагент на блок криоткачки, который под действием хладагента остывает до температур достаточных для осаждения на своей поверхности молекул откачиваемого газа.
Недостатком решения является использование жидкого хладагента для достижения отрицательных температур на криопанели, что приводит к необходимости регламентного обслуживания, наличия дополнительного материально-технического обеспечения либо дополнительной системы, обеспечивающей непрерывную циркуляцию хладагента.
Известно изобретение по патенту №RU 2511922 от 04.10.2012 г., направленное на повышение потребительских свойств и надежности охлаждающего агрегата, в котором используются элементы Пельтье. В данном решении термоэлектрические модули установлены параллельно и смонтированы в неразборном вакуумированном объеме, что делает конструкцию сложноремонтируемой.
Известно изобретение по патенту №RU 2240478 от 04.04.2003 г., в котором для снижения энергозатрат и повышения эффективности работы охлаждающего устройства между термоэлектрическими модулями установлен конусный концентратор. При этом применение однокаскадных модулей и их термостабилизация с помощью изолятора имеет следующие недостатки: меньшая достигаемая величина температурной разницы между охлаждаемой поверхностью и окружающей средой. Кроме того получение качественной термостабилизации с помощью изолятора является конструктивно и технологически трудновыполнимым.
Наиболее известным аналогом предлагаемого изобретения является решение, приведенное в статье И.В. Зорина. Экранированная вакуумная термоэлектрическая ловушка (http://journals.ioffe.ru/jtf/2007/09/p131-134.pdf). Охлаждающий агрегат представляет собой криопанель, выполненную в виде колец, и введенную в вакуумированную область. На панели происходит осаждение и намораживание паров вакуумного масла благодаря тому, что панель охлаждается посредством первой части термобатареи, состоящей из двух двукаскадных модулей. Для уменьшения тепловой нагрузки на криопанель вокруг нее в вакуумной области расположены охлаждаемые экраны, термомеханически не связанные с криопанелью. Экраны охлаждаются второй частью термобатареи, состоящей из двух двухкаскадных модулей. Кроме того, вторая часть термобатареи установлена последовательно на теплую сторону первой части и таким образом воспринимает тепловую нагрузку и от криопанели в том числе. Теплая сторона последнего термоэлектрического каскада охлаждается с помощью водоохлаждаемого радиатора. Такое решение позволяет говорить о последовательно-параллельном подключении криопанели и защитных экранов, что дает возможность отвести большее количество тепловой энергии, но при этом разница между температурой криопанели и температурой наружного контура охлаждения меньше, чем при последовательном подключении термоэлектрических каскадов. Для достижения термостабилизации и уменьшения тепловой нагрузки отсек с термобатарей герметизирован и изолирован с помощью теплоизолятора. Для улучшения передачи теплового потока от охлаждаемых элементов к термобатарее между конструктивными элементами применяется прокладки из мягкого металла - индия. Однако воздушная прослойка между индиевой прокладкой и контактными плоскостями все равно сохраняется, что снижает теплопроводность всего соединения.
Задачей предлагаемой полезной модели является упрощение конструкции вакуумного охлаждающего агрегата, снижение затрат на его эксплуатацию. Техническим результатом является улучшение эксплуатационных характеристик, повышение надежности.
Результат достигается за счет конструкции вакуумного охлаждающего агрегата, содержащего криопанель, охлаждаемую группой термоэлектрических модулей, расположенных в термоизолированном пространстве, отличающегося тем, что криопанель расположена в вакууме, термоэлектрические модули расположены последовательно друг за другом, при этом между ними установлен концентратор, выполненный в виде усеченной пирамиды, теплая сторона последнего термоэлектрического модуля охлаждается замкнутой водяной системой охлаждения, содержит сильфон, герметизирующий технологическую секцию агрегата, содержит прокладки.
Также результат обеспечивается за счет того, что прокладки выполнены из жидкого металла.
Также результат обеспечивается за счет того, что криопанель выполнена в виде плоской пластины.
Также результат обеспечивается за счет того, концентратор выполнен из теплопроводного материала.
Заявляемая полезная модель поясняется Фиг. 1, на которой приведена конструкция вакуумного охлаждающего агрегата.
Вакуумный охлаждающий агрегат состоит из криопанели 1 в виде тонкой пластины, выполненной из материала с высокой теплопроводностью. При этом со стороны технологической зоны 2 на криопанель последовательно установлен набор термоэлектрических модулей 3, по крайней мере, один является каскадом, при этом между термоэлектрическими модулями установлен конусный концентратор 4, позволяющий добиться равномерного распределения тепла на охлаждающей поверхности следующего за ним термоэлектрического модуля. Для уменьшения теплосопротивления на стыках плоскостей элементов системы охлаждения (криопанели и термоэлектрических модулей, термоэлектрических модулей и конусного концентратора и т.д.), установка всех элементов ведется через теплопроводящую прокладку типа «жидкий металл» 6. Для этих целей также применяется прокладка в виде теплопроводящей пасты. В описываемой
конструкции большая часть теплообмена происходит посредством конвекции - движения нагретого воздуха, который должен окружать нагревающиеся элементы внутри технологической зоны, и его замещения более прохладными потоками. Чтобы упорядочить направление теплового потока технологическая зона 2 герметизирована и из нее откачан воздух, что позволяет исключить конвекцию и тем самым термостабилизировать всю систему охлаждения и задать направление теплового потока с помощью теплообмена между поверхностями, находящимися в непосредственном физическом соприкосновении. Для достижения глубокого охлаждения на теплой стороне последнего термоэлектрического модуля осуществляется принудительный съем тепла посредством замкнутой водяной системы 5.
Полезная модель разработана и применена в конструкции масс-спектрометра, выпускаемого ФГУП «Экспериментальный завод научного приборостроения со Специальным конструкторским бюро (ФГУП ЭЗАН)».
системы охлаждения, установка всех элементов ведется через теплопроводящую смазку типа «жидкий металл» 6. В описываемой конструкции большая часть теплообмена происходит посредством конвекции - движения нагретого воздуха, который должен окружать нагревающиеся элементы внутри технологической зоны, и его замещения более прохладными потоками. Чтобы упорядочить направление теплового потока технологическая зона 2 герметизирована и из нее откачан воздух, что позволяет исключить конвекцию и тем самым термостабилизировать всю систему охлаждения и задать направление теплового потока с помощью теплообмена между поверхностями, находящимися в непосредственном физическом соприкосновении. Для достижения глубокого охлаждения на горячей стороне последнего термомодуля осуществляется принудительный съем тепла, посредством водяной системы закрытого типа 5.
Полезная модель разработана и применена в конструкции масс-спектрометра, выпускаемого ФГУП «Экспериментальный завод научного приборостроения со Специальным конструкторским бюро (ФГУП ЭЗАН)».