Установка для поглощения электромагнитного излучения
ELECTROMAGNETIC RADIATION ABSORPTION DEVICE

Предлагаемое изобретение относится к вспомогательным средствам радиоэлектронного оборудования и, дополнительно, может быть использовано в качестве низкопотенциального источника тепловой энергии.
Энергия потока электромагнитного излучения от различных источников, рассеивающаяся в дальнейшем в окружающей среде, может быть преобразована в тепловую энергию. Например, в патенте EP 0124357, Toshiba, 1984 описан электромагнитный радиатор, включающий источники излучения и вакуумный контейнер циклотрона, соединённые между собой волноводом. Волновод встроен в теплоотводящую камеру. В патенте US 3660784, Ratheon, 1972 описано устройство поглощения электромагнитной энергии, содержащее волновод, в который встроен канал движения теплоносителя, связанный с теплообменным аппаратом. В свою очередь, предлагаемая установка для поглощения рассеиваемого электромагнитного излучения позволит расширить область использования данного класса устройств, например, применив их при испытаниях антенной техники. Предполагается увеличение количества поглощаемой тепловой энергии при сохранении простоты конструкции, при возможности использования данной установки в качестве низкопотенциального источника тепловой энергии.
Предложена установка для поглощения рассеиваемого электромагнитного излучения, содержащая средства подвода электромагнитного излучения и теплообменное оборудование, включающее модель абсолютно чёрного тела. Средства подвода электромагнитного излучения включают радиопрозрачную линзу облучателя антенной системы и входной патрубок модели абсолютно чёрного тела. Модель абсолютно чёрного тела включает, по меньшей мере, одну сферическую конструкцию, заполняемую теплоносителем, по преимуществу хладагентом. Пространство теплоносителя в сферической конструкции связано с, по меньшей мере, одним внешним теплообменным аппаратом. Модель абсолютно чёрного тела представляет собой мобильную конструкцию с ограничением на максимальный линейный размер груза.
Основой предложенной установки является теплообменный аппарат – практическая модель абсолютно чёрного тела, состоящий из нескольких полых непрозрачных конструкций, по преимуществу сферических, вложенных друг в друга. В предельном случае может быть использована только одна конструкция, в которой образовано пространство (канал, полость, каналы) для циркуляции теплоносителя (хладагента), в качестве теплоносителя может быть использована вода из водопроводной сети. Например, может быть предложена модель абсолютно чёрного тела, состоящая из внешней 1 и внутренней 2 сферической конструкции. Во внутренней сферической конструкции 2 образовано пространство 3 для циркуляции теплоносителя (хладагента). Характерный размер (зазор) пространства 3 для циркуляции теплоносителя может быть рассчитан при решении кубического уравнения вида , где R – радиус внешней сферы (м); h – зазор между внешней и внутренней сферами (м); m – масса теплоносителя, заполняющего зазор; с – плотность теплоносителя. Циркуляция теплоносителя (хладагента) обеспечивает равенство температур на поверхности внутренней сферической конструкции 2, ограничивающей внутреннюю полость 4 внутри которой моделируются характеристики абсолютно чёрного тела. Пространство между внешней 1 и внутренней 2 сферическими конструкциями, а также внутренняя полость 4, образованная сферической конструкцией 2 может быть заполнена теплоизолирующей средой (газом (воздухом), теплоизолирующим материалом) либо в данном пространстве может быть создан вакуум.
Модель абсолютно чёрного тела обеспечивает множество поглощений и переизлучений подводимого потока электромагнитного излучения материалом внутренней сферической конструкции 2, преобразование поглощённой электромагнитной энергии в тепловую энергию, обеспечивающую нагрев теплоносителя в пространстве (канале, полости, каналах) 3 сферической конструкции 2. Внутренняя поверхность сферической конструкции 2, принимающая поток электромагнитного излучения и обращённая к полости 4, изготавливается с применением материалов наиболее эффективно поглощающих электромагнитное излучение. Например, может быть использован сверхширокодиапазонный гибкий тканый радиопоглощающий материал на основе наноструктурного ферромагнитного микропровода, обеспечивающий самозатухание электромагнитного излучения (в настоящее время данный материал используется для оборудования безэховых камер, устранения нежелательного электромагнитного фона, обеспечения биологической или же информационной безопасности). Также, в качестве материала для изготовления внутренней поверхности сферической конструкции 2 могут быть выбраны радиопоглощающие материалы коврового типа серии «Терновник» на основе обработанной полиэтилентерефталатной плёнки (в настоящее время данный материал используется при оборудовании безэховых и радиоэкранированных камер и помещений, обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронного оборудования и т.п.).
Средства подвода электромагнитного излучения к модели абсолютно чёрного тела включают входной патрубок (зрачок) абсолютно чёрного тела 5 и радиопрозрачную линзу 6, корпус 7 которой, механически связан с оборудованием – источником электромагнитного излучения, например, облучателем 8 антенной системы, связанным с волноводом 9 и усилителем мощности. Диаметр облучателя 8, как правило, больше чем диаметр входного патрубка 5, что минимизирует рассеивание электромагнитного излучения вне модели абсолютно чёрного тела. Для оперативного присоединения к оборудованию – источнику электромагнитной энергии (типа облучателя антенной системы 8) установка представляет собой мобильную конструкцию на шасси или раме 7 для заданного типа для автомобильной транспортировки с ограничением на максимальный линейный размер груза (2,2 м в поперечнике согласно существующим транспортным нормам, в таком случае масса теплоносителя – технической воды заполняющего зазор составляет ~100 кг).
Как и было указано выше, служащее для циркуляции теплоносителя пространство (канал, полости, каналы) 3 сферической конструкции 2 связано с внешним теплообменным аппаратом, например, рекуперативным низкотемпературным теплообменным аппаратом (НТОА), в котором тепло от теплоносителя (хладагента), циркулирующего в модели абсолютно чёрного тела может быть передано теплоносителю, предназначенному для дальнейшего хозяйственного использования. (Может быть использована система из нескольких низкотемпературных теплообменных аппаратов, естественный или искусственный водоём). На линии подвода теплоносителя к пространству 3 сферической конструкции 2 последовательно расположены: клапан V-1, расходомер (Р), фильтр (Ф), сорбент (С), клапан V-2, первая теплообменная поверхность НТОА. На линии отвода теплоносителя от пространства 3 сферической конструкции 2 последовательно расположены: вторая теплообменная поверхность НТОА, клапан V-3, отвод выхода теплоносителя (последовательно расположены клапан V-5, откачной насос (ОН), клапан V-6), отвод гидроаккумулятора (Г) с клапаном V-7, ротационный насос (Н), клапан V-4.
Расход теплоносителя, необходимого для охлаждения внутренней сферической конструкции может быть рассчитан следующим образом, через уравнение теплового баланса , где A – работа, совершаемая подводимой (утилизируемой) мощностью  в единицу времени t; С – удельная теплоемкость, кДж/кг⋅К;  – масса теплоносителя, кг;  – входная температура теплоносителя охлаждающего контура, К;  – выходная температура теплоносителя охлаждающего контура, К. Дифференцируя по времени уравнение теплового баланса, получаем, что подводимая мощность W пропорциональна массовому расходу жидкости через контур теплообменник: . Удельный расход теплоносителя , кг/с, , следовательно, расхода теплоносителя . Для обеспечения непрерывной циркуляции теплоносителя (хладагента) в пространстве 3 модели абсолютно чёрного тела, контур циркуляции теплоносителя оборудован ротационным насосом (Н), например, скважинные насосы марок Sprut 90QJD, Aquatica, Pedrollo 4SR, и гидроаккумулятором (Г).
Использование установки может быть проиллюстрировано следующим образом.
При испытании передатчиков электромагнитной энергии происходит её излучение в окружающее пространство. Направление излучения определяется диаграммой передающей системы: «усилитель мощности – волноводный тракт – облучатель – антенная система». Геометрия волнового фронта определяется, в основном, диаграммой направленности антенной системы, которая имеет главный лепесток, а также боковые и задние лепестки. Основная доля энергии излучается в направлении главного лепестка диаграммы направленности антенной системы. При испытаниях передающей системы «усилитель мощности – волноводный тракт – облучатель» на предельных режимах, когда антенная система не используется основной поток электромагнитного излучения выходит из раскрыва облучателя через радиопрозрачную мембрану и может представлять, как опасность для персонала, так и общую экологическую опасность. В свою очередь, обеспечив эффективное поглощение излученной в пространство электромагнитной энергии можно обеспечить экологическую чистоту и безопасность обслуживающего персонала при испытании радиопередатчиков на предельных режимах излучения.
После подключения описанной выше модели абсолютно чёрного тела к облучателю 8 антенной системы и начала испытаний поток электромагнитного излучения, проходит через радиопрозрачную линзу 8, входит в патрубок (зрачок) абсолютно чёрного тела 5 и попадает в пространство 3 внутри сферической конструкции 2 модели абсолютно чёрного тела. Радиопрозрачная линза 6 – двояковыпуклая собирающая линза обеспечивает ввода потока электромагнитного излучения во внутреннюю полость 4 сферической конструкции 2 и согласование диаметра излучателя 8 и диаметра входного патрубка 5. Фокус линзы 6 должен совпадать с центром сечения входного патрубка абсолютно чёрного тела 5.
Электромагнитная энергия полностью поглощается за счёт нагрева материала конструкции. Из-за поглощения тепловой энергии внутренние стенки сферической конструкции 2 постоянно нагреваются. Плавление материала сферической конструкции 2 предотвращается за счёт использования системы охлаждения. Полученное сферической конструкцией 2 тепло отбирается с её внутренней поверхности теплоносителем (хладагентом), циркулирующим в замкнутом контуре и переносится его в низкотемпературный теплообменник (НТОА), в котором оно утилизируется, охлаждаясь встречным потоком теплоносителя и конвективным теплообменом с атмосферой. (Конструкция теплообменника может предусмотреть его использование для нагрева теплоносителя для каких-либо хозяйственных нужд).
Таким образом, предложенная установка обеспечит практически полное поглощение электромагнитного излучения, например, при испытаниях антенных систем, обезопасив тем самым персонал испытаний и окружающую среду. Тепловая энергия, полученная за счёт поглощения электромагнитного излучения, утилизируется в теплообменнике и может быть использована в качестве дополнительного низкопотенциального источника тепла. Конструкция и последовательность работы предложенной установки для поглощения электромагнитного излучения не ограничивается приведёнными выше примерами и может быть, в дальнейшем, усовершенствована и/или видоизменена согласно сущности изобретения.