ТЕРМОМОСТ
THERMO-BRIDGE

Изобретение относится к холодильной и криогенной технике, а именно к устройствам для термостатирования объектов, и может использоваться в ракетно-космической технике, медицине и других областях техники, где требуется уменьшение теплопритоков к термостатируемому объекту в течение длительного времени.
Известна шариковая опора, используемая для термостатирования внутренней трубы с криогенным продуктом и соединяющая внутреннюю трубу с кожухом (Н.В.Филин, А.Б.Буланов «Жидкостные криогенные системы», Ленинград: «Машиностроение» Ленинградское отделение, 1985, с. 201). Известное устройство содержит шарик, находящийся в контакте с одной стороны с кожухом, а с другой диаметрально противоположной стороны контактирует с внутренней трубой, кольцо, охватывающее шарик перпендикулярно линии, соединяющей точки контакта шарика с кожухом и с внутренней трубой, стержневые опоры, соединяющие кольцо с внутренней трубой.
Недостатком известного устройства является то, что известное устройство нельзя использовать для передачи усилий от термостатируемого объекта (внутренней трубы) на корпус (кожух), а также то, что шарик контактирует с кольцом, что увеличивает теплопритоки на термостатируемый объект.
Известен цилиндрический тепловой мост, используемый для термостатирования внутренней трубы с криогенным продуктом и соединяющий внутреннюю трубу с кожухом (Н.В.Филин, А.Б.Буланов «Жидкостные криогенные системы», Ленинград: «Машиностроение» Ленинградское отделение, 1985, с.201-202). Известное устройство содержит цилиндр с двумя фланцами: внутренним и внешним. Внутренний фланец соединен с внутренней трубой, а наружный фланец соединен с кожухом.
Недостатком известного устройства являются большие теплопритоки на термостатируемый объект из-за значительной площади кольцевого контакта цилиндрического теплового моста с термостатируемым объектом (внутренней трубой) и с корпусом (кожухом), а также из-за недостаточной длины пути прохождения теплового потока в условиях ограничения габаритных размеров известного устройства (например, при использовании его в космической технике).
Известен узел подвески охлаждаемого сосуда крионасоса (а.с. SU 1232841, F04В 37/08, 1986 г.), принятый за прототип, содержащий верхние и нижние соосные трубки, последняя из которых связана с сосудом, соединенный с трубками тепловой мост и вкладыш с поперечными экранами, имеющими смещенные один относительно другого отверстия, а также по меньшей мере один стакан с днищем, обращенным к верхней трубке и имеющий центральное отверстие, а тепловой мост выполнен в виде расположенных одна в другой цилиндрических обечаек, торцы которых последовательно соединены при помощи кольцевых проставок с трубками и между собой, причем стакан расположен между соседними обечайками, а вкладыш выполнен в виде крышки, размещенной в отверстии днища стакана, в крышке выполнены заполненные газом - криосорбентом герметичные полости с размещенными в них теплозащитными экранами.
Известное техническое решение того же назначения, что и заявляемое, однако оно функционально ориентировано на крупногабаритные криогенные установки (в частности, на крионасосы). При этом его использование не требует ограничения по площади контакта между кольцевыми проставками и обечайками, между кольцевыми проставками и трубами. Известное техническое решение неприемлемо в микрокриогенной технике, так как его конструктивное исполнение не может обеспечить требуемые в этой области техники низкие уровни теплопритоков (например, на уровне не более 0,05 Вт) от корпуса к термостатируемому объекту.
Кроме того, термическое сопротивление известного устройства не может быть повышено в условиях отсутствия гравитации установкой стакана 6, организацией лабиринтных каналов, и герметичными полостями 11 и 12, так как при отсутствии гравитации конвективный теплообмен между отходящими газами и стенками обечаек не реализуется.
Задачей изобретения являются уменьшение теплопритоков на термостатируемый объект, уменьшение габаритов термомоста при заданном термическом сопротивлении и обеспечение фиксирования термостатируемого объекта относительно корпуса в заданном положении, расширение области использования изобретения за счет возможности его применения в области микрокриогенной техники, в условиях микрогравитации и отсутствия гравитации.
Это достигается тем, что в термомосте, состоящем из тонкостенной и внешней тонкостенной оболочки, тонкостенная оболочка охвачена внешней тонкостенной оболочкой, при этом с одной стороны между внешней поверхностью тонкостенной оболочки и внутренней поверхностью внешней тонкостенной оболочки выполнен зазор, а с другой стороны поверхности этих оболочек по торцам жестко соединены между собой, тонкостенная оболочка по торцу, противоположному месту соединения с внешней тонкостенной оболочкой, соединена с термостатируемым объектом, внешняя тонкостенная оболочка по торцу, противоположному месту соединения с тонкостенной оболочкой, соединена с корпусом, площади контакта соприкасающихся поверхностей тонкостенной и внешней тонкостенных оболочек, внешней тонкостенной оболочки и корпуса выполнены в виде одной или нескольких точек контакта, а площадь контакта тонкостенной оболочки и термостатируемого объекта выполнена в виде одной или нескольких точек контакта или линии контакта, при этом со стороны соединения с термостатируемым объектом установлена ограничительная шайба, жестко соединенная с наружной поверхностью тонкостенной оболочки или с внутренней поверхностью внешней тонкостенной оболочки и выполненная из материала с большим термическим сопротивлением, чем материал термомоста, а в зазоре между внешней поверхностью тонкостенной оболочки и внутренней поверхностью внешней тонкостенной оболочки установлена теплоизоляция.
Задача изобретения решается также тем, что выступ на торце тонкостенной оболочки в месте контакта с термостатируемым объектом выполнен в форме конуса.
Задача изобретения решается также тем, что контакт в виде одной или нескольких точек между соприкасающимися поверхностями тонкостенной оболочки с термостатируемым объектом выполнен путем их соединения через один или несколько шарообразных выступов.
Задача изобретения решается также тем, что контакт в виде одной или нескольких точек между соприкасающимися поверхностями торца внешней тонкостенной оболочки и корпусом выполнены путем их соединения через шарообразные выступы.
Задача изобретения решается также тем, что контакт в виде одной или нескольких точек между соприкасающимися поверхностями торца тонкостенной оболочки и торца внешней тонкостенной оболочки выполнены путем их соединения через шарообразные выступы.
Задача изобретения решается также тем, что соприкасающиеся поверхности тонкостенной и внешней тонкостенной оболочек соединены по резьбе.
Задача изобретения решается также тем, соприкасающиеся поверхности торца внешней тонкостенной оболочки и корпуса соединены по резьбе.
Сущность изобретения поясняется графически на примере термомоста, используемого для термостатирования объекта в условиях микрогравитации и в условиях отсутствия гравитации.
На фиг.1 приведена схема соединения термомоста и термостатируемого объекта.
На фиг.2 приведен вариант выполнения термомоста с ограничительной шайбой, установленной на внешней поверхности тонкостенной оболочки.
На фиг.3 приведен вариант выполнения термомоста с ограничительной шайбой, установленной на внутренней поверхности внешней тонкостенной оболочки.
На фиг.4 приведен вариант выполнения торца тонкостенной оболочки термомоста с одним шарообразным выступом в месте соединения тонкостенной оболочки термомоста с термостатируемым объектом.
На фиг.5 приведен вариант выполнения торца термомоста с двумя шарообразными выступами в месте соединения с термостатируемым объектом.
На фиг.6 приведен вариант выполнения термомоста с шарообразными выступами на торце внешней тонкостенной оболочки в месте соединения с корпусом.
На фиг.7 приведен вариант выполнения термомоста с шарообразными выступами на торце тонкостенной оболочки в месте соединения торца тонкостенной оболочки с торцом внешней тонкостенной оболочки.
Термомост состоит из тонкостенной оболочки 1 (фиг.1), один торец которой соединен с термостатируемым объектом 2 (фиг.1), а противоположный торец тонкостенной оболочки 1 (фиг.1) жестко соединен с торцом внешней тонкостенной оболочки 3 (фиг.1), противоположный торец внешней тонкостенной оболочки 3 (фиг.1) жестко соединен с корпусом 4 (фиг.1). При этом между внешней поверхностью тонкостенной оболочки 1 (фиг.1) и внутренней поверхностью внешней тонкостенной оболочки 3 (фиг.1) [кроме места их соединения по торцу, противоположному месту контакта тонкостенной оболочки 1 (фиг.1) с термостатируемым объектом 2 (фиг.1)] выполнен зазор 5 (фиг.1). В зазор 5 (фиг.1) между внешней поверхностью тонкостенной оболочки 1 (фиг.1) и внутренней поверхностью внешней тонкостенной оболочки 1 (фиг.1) установлена теплоизоляция (условно не показано), что уменьшает теплопередачу между участками термомоста с различными температурными уровнями и, соответственно, уменьшает величину теплопритоков к термостатируемому объекту 2 (фиг.1).
Варианты установки ограничительной шайбы на фиг.1 условно не показаны и приведены на фиг.2 и фиг.3.
Кроме того, выступ на торце тонкостенной оболочки 1 (фиг.1) в месте контакта с термостатируемым объектом 2 (фиг.1) может быть выполнен в форме конуса, что позволяет обеспечить в виде точки площадь контакта между соприкасающимися поверхностями торца тонкостенной оболочки и термостатируемого объекта и тем самым увеличить термическое сопротивление термомоста в целом и уменьшить теплопритоки на термостатируемый объект.
В варианте выполнения термомоста на фиг.2 в канавке на наружной поверхности тонкостенной оболочки 1 (фиг.2) со стороны соединения с термостатируемым объектом установлена разрезная ограничительная шайба 6 (фиг.2), что позволяет ограничить амплитуду колебаний торца тонкостенной оболочки 1 (фиг.2) величиной зазора между наружным диаметром ограничительной шайбы 6 (фиг.2) и внутренним диаметром внешней тонкостенной оболочки 3 (фиг.2).
В варианте выполнения термомоста на фиг.3 в канавке на торце внешней тонкостенной оболочки 3 (фиг.3) со стороны соединения с термостатируемым объектом 2 (фиг.3) установлена разрезная ограничительная шайба 6 (фиг.3), что позволяет ограничить амплитуду колебаний торца тонкостенной оболочки 1 (фиг.3) величиной зазора между внутренним диаметром ограничительной шайбы 6 (фиг.3) и наружным диаметром тонкостенной оболочки 1 (фиг.3).
В варианте выполнения термомоста на фиг.4 торец тонкостенной оболочки 1 (фиг.4) снабжен одним шарообразным выступом в месте соединения тонкостенной оболочки 1 (фиг.4) с термостатируемым объектом 2 (фиг.4), что позволяет обеспечить в виде линии площадь контакта термомоста с термостатируемым объектом 2 (фиг.4).
В варианте выполнения термомоста на фиг.5 торец тонкостенной оболочки 1 (фиг.5) снабжен двумя шарообразными выступами в месте соединения тонкостенной оболочки 1 (фиг.5) с термостатируемым объектом 2 (фиг.5), что позволяет обеспечить в виде двух точек площадь контакта термомоста с термостатируемым объектом 2 (фиг.5).
В варианте выполнения термомоста на фиг.6 торец внешней тонкостенной оболочки 3 (фиг.6) снабжен несколькими шарообразными выступами в месте соединения внешней тонкостенной оболочки 3 (фиг.6) с корпусом, что позволяет обеспечить в виде нескольких точек площадь контакта внешней тонкостенной оболочки 3 (фиг.6) с корпусом 4 (фиг.6). Фиксирование положения внешней тонкостенной оболочки 3 (фиг.6) относительно корпуса 4 (фиг.6) может быть выполнено с помощью крепежного элемента (например, винта) в месте соединения торца внешней тонкостенной оболочки 3 (фиг.6) с корпусом 4 (фиг.6) (условно не показано).
В варианте выполнения термомоста на фиг.7 торец тонкостенной оболочки 1 (фиг.7) снабжен несколькими шарообразными выступами в месте соединения тонкостенной оболочки 1 (фиг.7) с внешней тонкостенной оболочкой 3 (фиг.7), что позволяет обеспечить в виде нескольких точек площадь контакта тонкостенной оболочки 1 (фиг.7) с внешней тонкостенной оболочкой 3 (фиг.7). Фиксирование положения тонкостенной оболочки 1 (фиг.7) относительно с внешней тонкостенной оболочкой 3 (фиг.7) может быть выполнено с помощью крепежного элемента (например, винта) в месте соединения торца тонкостенной оболочки 1 (фиг.7) с торцом внешней тонкостенной оболочкой 3 (фиг.7).
Кроме того, соединение соприкасающихся поверхностей тонкостенной оболочки 1 (фиг.1) и внешней тонкостенной оболочки 3 (фиг.1) может быть выполнено по резьбе (условно не показано).
Кроме того, соединение соприкасающихся поверхностей внешней тонкостенной оболочки 3 (фиг.1) с корпусом 4 (фиг.1) может быть выполнено по резьбе (условно не показано).
Термомост работает следующим образом.
После охлаждения термостатируемого объекта 2 (фиг.1) до заданного температурного уровня (ниже температурного уровня корпуса) основной тепловой поток от корпуса проходит по месту соединения корпуса с торцом внешней тонкостенной оболочки 3 (фиг.1), далее основной тепловой поток проходит по цилиндрической части внешней тонкостенной оболочки 3 (фиг.1) и через место соединения торца внешней тонкостенной оболочки 3 (фиг.1) и торца тонкостенной оболочки 1 (фиг.1) переходит на цилиндрическую часть тонкостенной оболочки 1 (фиг.1). Далее основной тепловой поток через место соединения торца тонкостенной оболочки 1 (фиг.1) с термостатируемым объектом 2 (фиг.1) переходит на термостатируемый объект 2 (фиг.1). На всем пути от корпуса 4 (фиг.1) до термостатируемого объекта 2 (фиг.1) основной тепловой поток уменьшается вследствие высокого термического сопротивления термомоста и рассеивания тепла в окружающее пространство.
Использование заявленного решения по сравнению со всеми известными устройствами аналогичного назначения обеспечивает уменьшение теплопритоков на термостатируемый объект. Кроме того, использование заявленного решения позволяет:
- уменьшить габариты термомоста при заданном термическом сопротивлении и обеспечить фиксирование термостатируемого объекта относительно корпуса в заданном положении;
- расширить область использования изобретения за счет возможности его применения в области микрокриогенной техники, в условиях микрогравитации и отсутствия гравитации.