охлаждающее устройство с замкнутым циклом циркулирующего теплоносителя

Формула изобретения

Охлаждающее устройство с замкнутым циклом циркулирующего теплоносителя, содержащее расположенные в защитном герметичном кожухе шток относительного перемещения, охлаждаемый элемент и теплоноситель, отличающееся тем, что устройство снабжено рабочей камерой и двумя кольцевыми полостями, примыкающими к ней с двух сторон и связанными с нею обратным и регулирующим клапанами соответственно, причем вторая сторона первой полости примыкает к поршню, соединенному со штоком, при этом вторая кольцевая полость образована сообщающимися между собой двойными с зазором стенками, полыми торцом и теплоотводом и через второй обратный клапан соединена с первой кольцевой полостью, а охлаждаемый элемент расположен на теплоотводе второй кольцевой полости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области физики, в частности к устройствам для охлаждения элементов, например, электронной аппаратуры. Может быть использовано в геофизической сейсморазведке.

Известен излучатель сейсмических сигналов (Патент РФ N 1805419 МПК G 01 V 1/133 БИ N 12 от 30.03.1993 г.). Излучатель выполнен в виде двух подвижных элементов, снабженных приводом относительного перемещения. Элементы герметично соединены между собой и образуют замкнутый объем, заполненный теплоносителем (жидкостью). Однако, для работы в условиях высоких внешних температур и давлений данный излучатель не предназначен.

Известно устройство для испарительно-жидкостного охлаждения силовых полупроводниковых модулей (Патент РФ N 2026574 МПК G 12 B 15/00 опубликовано БИ N 1 от 10.01.1995 г.). По максимальному количеству сходных существенных признаков данное устройство принимается за прототип.

Известное устройство имеет герметичный корпус, заполненный жидким диэлектриком, в котором находятся силовые высокотемпературные полупроводниковые приборы. Корпус соединен паропроводами с наклонным теплообменником, снабженным конденсатопроводом, на котором установлен дополнительный (соединенный с основным) теплообменник с внутренним оребрением. Применяется комбинированное испарительно-жидкостное охлаждение. Конденсат должен иметь температуру на 25 - 30 градусов ниже температуры корпусов низкотемпературных полупроводниковых приборов для того, чтобы они эффективно охлаждались жидкостным охладителем. Температура воды в теплообменнике-конденсаторе должна быть ниже на 25 - 30 градусов насыщения жидкого диэлектрика для интенсивной и полной конденсации его паров и отсутствия аварийного избыточного давления паров в герметичном корпусе.

Однако из описанного выше следует, что данное устройство не может быть использовано для охлаждения электронных приборов в условиях внешних высоких температур, например, при температуре 200 - 250 градусов на глубине около 8 тысяч метров в скважине при сейсморазведке.

Сущность заявляемого технического решения заключается в совокупности признаков, достаточных и необходимых для достижения технического результата изобретения. А именно, необходимо такое охлаждающее устройство, которое обеспечивает работу электронных приборов при температуре окружающей среды 500 - 650 K. Например, работу скважинного приемного модуля, предназначенного для приема сейсмических колебаний.

Заявляемое охлаждающее устройство с замкнутым циклом циркулирующего теплоносителя, как и прототип, содержит защитный герметичный кожух с замкнутым объемом циркуляции теплоносителя, охлаждаемый элемент внутри кожуха и соосный с кожухом шток.

В отличие от прототипа устройство снабжено рабочей камерой и двумя кольцевыми полостями, расположенными в защитном герметичном кожухе. Рабочая камера размещена между двумя кольцевыми полостями и соединена с ними обратным и регулирующим клапанами. Причем объем одной полости изменяется с помощью примыкающего к ней поршня на штоке. Вторая кольцевая полость образована двойными стенками, полым торцом и осью (теплоотводом), которые сообщаются между собой непосредственно. При этом обе полости связаны между собой вторым обратным клапаном. Охлаждаемый элемент, например электронные модули скважинного приемного модуля, размещен в циркулирующем теплоносителе на полой оси (теплоотводе) второй кольцевой полости.

Предлагаемое устройство обеспечивает охлаждение элемента, например электронных полупроводниковых приборов, при окружающей температуре 500 - 650 K, в условиях, где невозможна подача теплоносителя извне, а использование хладагента (например, жидкий азот) ограничено малыми габаритами изделия и длительным временем пребывания (около 5 часов) в экстремальных условиях при больших пластовых давлениях.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлено эскизное изображение заявляемого устройства.

Заявляемое охлаждающее устройство с замкнутым циклом циркулирующего теплоносителя, как и прототип, содержит защитный герметичный кожух 1, соосный с ним шток 2 относительного перемещения, охлаждаемый элемент 3 и теплоноситель.

В отличие от прототипа устройство снабжено расположенными в в герметичном кожухе 1 рабочей камерой 4 и двумя кольцевыми полостями 5 и 6, примыкающими к ней с двух сторон.

Рабочая камера 4 через обратный клапан 7 связана с первой кольцевой полостью 5, а через регулирующий клапан 8 со второй полостью 6. Кольцевая полость 5 второй стороной примыкает к поршню 9 на штоке 2. Кольцевая полость 6 снабжена двойными (с зазором) стенками 10 и полым же торцем 11 и теплоотводом 12. Стенки 10, торец 11 и теплоотвод 12 непосредственно сообщаются между собой, а при помощи второго обратного клапана 13 сообщаются с кольцевой полостью 5. На теплоотводе 12 кольцевой полости 6 размещен охлаждаемый элемент 3.

Работа охлаждающего устройства с замкнутым циклом циркулирующего теплоносителя заключается в следующем.

В рабочую камеру 4 в стационарных условиях закачен теплоноситель (например воздух) до расчетного давления (10 - 15 атм), на которое расчитан и регулирующий клапан 8. Поршень 9 находится в рабочем положении. Он расчитан на необходимый объем теплоносителя в кольцевой полости 5. На теплоотводе 12 полости 6 размещен охлаждаемый элемент 3. Кожух 1 обеспечивает полную герметичность всего устройства.

В общем случае нормальная работа охлаждаемого элемента 3 на полупроводниковых приборах гарантируется при температуре в кольцевой полости 6 порядка 85 градусов (около 358 K). Для поддержания окружающей элемент 3 температуры меньше или равно 85 градусов (358 K) при условии, что в пристеночной области кожуха 1 наружная температура 500 - 650 K, необходимо произвести несколько рабочих циклов по перемещению поршня 9.

Один цикл работы совершается за n с (например, за 1,4 с). Из рабочего положения поршень 9 перемещается к рабочей камере 4, изменяя объем полости 5. Избыток теплоносителя через обратный клапан 7 поступает из полости 5 в рабочую камеру 4, создавая тем самым избыточное давление в ней. При достижении расчетного давления на регулирующий клапан 8 он срабатывает и теплоноситель поступает в сообщающиеся полости 12, 11 и 10 кольцевой полости 6.

Расширение теплоносителя происходит от 10 - 15 до 1 атм, при этом температура теплоносителя снижается в 10 - 15 раз. Это обеспечивает охлаждение самого элемента 3 через теплоотвод 12 и окружающей его среды через стенки 10, торец 11 кольцевой полости 6. За счет расширившегося теплоносителя, который через обратный клапан 13 поступает в кольцевую полость 5, поршень 9 перемещается в первоначальное положение. Устройство готово к следующему циклу работы. Число циклов определяется как рассеиваемой мощностью работающего элемента 3 (полупроводниковые приборы), так и количеством тепла, поступающего из окружающей среды через кожух 1 и стенки 10 кольцевой полости 6.

Возможность осуществления охлаждения электронного модуля в условиях работы при окружающей температуре 500 - 650 K была проверена расчетным путем и на макете.

Электронный модуль содержал 4 полупроводниковых элемента с допустимой рабочей температурой 95 градусов. Нормальная работа гарантировалась при температуре меньше или равно 85 градусов (358 K). Для поддержания этой температуры при температуре пристеночной области кожуха 1 500 - 650 K необходимо было произвести 10 - 20 циклов работы устройства.