Тема 13. Засоби захисту оптичних приладів від дії зовнішніх факторів

 

Лекція № 44. Захист оптичного приладу від теплової дії

 

До систем і пристроїв для забезпечення необхідних теплових режимів роботи оптичних приладів відносяться:

· системи охолоджування вузлів і елементів;

· системи стабілізації температури в певному діапазоні;

· теплові труби, радіатори і т.п.

Використання конвекції.

Простим способом охолоджування приладу є вільна конвекція повітря усередині приладу. У вузьких місцях, де відстань між елементами менше 5 мм, конвекція відсутня. В разі рівності тепловіддачі з обох боків закритого металевого корпусу, різниця температур зовні і усередині конструкції визначається співвідношенням:

,                                         (13.1)

де  - розсіювана приладом потужність;  - коефіцієнти теплообміну за рахунок конвекції і теплового випромінювання відповідно; - площа корпусу приладу.

Для пластмасових корпусів цей перепад температур визначається наступним співвідношенням:

                                      (13.2)

У приведеному співвідношенні   - коефіцієнт теплообміну за рахунок теплопровідності, який для металевих корпусів дуже великий і його можна не враховувати в формулі (13.1). Для поліпшення теплообміну із зовнішнім середовищем використовують перфоровані корпуси. Тепловий потік, що відводиться в цьому випадку від корпусу, визначається співвідношенням:

                                           (13.3)

де   - коефіцієнт перфорування 

 - площа вентиляційних отворів;  - площа корпусу.

Якщо вільна конвекція виявляється неефективною, то застосовують вимушену конвекцію з використанням вентилятора. А саме використовують припливну і витяжну вентиляцію. І той і інший варіанти передбачають герметизацію бічних стінок корпусу.Тепловий потік при вимушеній конвекції, що відводиться від корпусу, визначають згідно співвідношення:

                                       (13.4)

де  - коефіцієнт теплообміну при вимушеній конвекції, який може набувати наступних значень:

                                (13.5)

Якщо використання вентиляторів виявляється також неефективним, застосовують рідинне охолоджування окремих елементів або вузлів. При цьому:

                           (13.6)

Використання термостатів

Термостатом називається пристрій, який знаходячись в середовищі, що змінялося в широкому інтервалі температури, підтримує усередині заданого об'єму постійну температуру. Термостат, як правило, включає внутрішній герметизиований об'єм, теплоізолюючий шар, корпус, пристрий контролю температури.

Пристрої для охолоджування приймачів випромінювання

Для охолоджування приймачів випромінювання використовують різні способи. Найбільш поширені наступні:

· випарні (кріостатні);

· способи, засновані на дроселюванні газу (ефект Джоуля - Томпсона);

· термоелектричні способи охолоджування (ефект Пельтье);

· радіаційні способи;

· використання теплових труб і теплообмінників.

При виборі того або іншого способу конструктор повинен враховувати:

· необхідну температуру охолоджування;

· стабільність її підтримки;

· холодонавантаження;

·  тривалість безперервної роботи;

· час виходу на робочий режим;

· енергоспоживання;

· автономність;

· масогабаритні характеристики;

· умови експлуатації;

· простоту обслуговування і надійність;

· можливість конструкторського сполучення з охолодженим вузлом;

· зручність розміщення.

Найчастіше застосовують випарні методи охолоджування, засновані на безпосередньому контакті хладагента з охолоджуваним вузлом. Хладагент знаходиться в судині, яка носить назву судина Дьюара, яка представлена на рисунку 13.1.

 

 

Рис.13.1. Конструкція  кріостата

На рис.13.1 показані: внутрішній сосуд1, хладагент 2, зовнішня судина 3, токопровідні доріжки 4, контактні штирі 5, вхідне вікно кріостата 6, фотоприймач 7. Термофізичні характеристики деяких хладагентов представлені в таблиці 13.1.

Табл. 13.1.

Хладагент	Температура кипіння	Температура сублімації
Гелій	4,2	-
Азот	77,86	43 ¸ 60
Метан	111,67	59 ¸ 90

 

Подібні кріостати доцільно використовувати при тепловому навантаженні від 0,5 Вт в діапазоні температур від 11 до 110 К⁰ і терміні служби від 11000 годин.

Переваги  кріостатів:

· простота;

· надійність в роботі;

· стабільність підтримки температури;

· відсутність споживання енергії.

Структурна схема дросельного пристрою, що охолоджує, представлена на рис.13.2.

Рис. 13.2. Дросельний пристрій, що охолоджує фотоприймач

На рис.13.2 показані: 1 – судина із стислим газом; 2 – теплообмінник; 3 – дросельний пристрій у вигляді трубки з невеликим отвором діаметром 25 – 75 мкм; 4 – охолоджувана зона.Виходячи з отвору у вузлі (3) газ різко розширюється, його тиск падає, що приводить до пониження температури. Такі мікрохолодильники конструктивно можуть бути виконані двома способами:

1) приймач розташований у вакуумованій порожнині;

2) фотоприймач розташований в газонаповненому об'ємі.

 

Подібні системи можуть бути розімкнені або замкнуті. Розімкнені мають оптимальний ресурс роботи приблизно 15 годин при холодонавантаженні до 3 Вт. Замкнуті системи мають ресурс 2000 годин при холодонавантаженні до 110 Вт. Але конструктивно замкнуті системи значно складніші.

Найбільш мініатюрними пристроями для охолоджування вузлів і елементів оптичних приладів є напівпровідникові термоелектричні холодильники, принцип дії яких заснований на ефекті Пельтье.

Основними достоїнствами цих пристроїв є:

· великий термін служби, оскільки в таких пристроях відсутні рухливі елементи і хладагенти;

· безшумність в роботі;

· відсутність вібрацій;

· простота експлуатації.

Суть ефекту Пельтье полягає в тому, що при пропусканні струму між двома напівпровідниками певного типа в одному напрямі виділяється теплота, а в протилежному – поглинається. В результаті на кордоні переходу різниця температур складає 70 С. Для здобуття більшого перепаду температур використовують багатокаскадні напівпровідникові охолоджувачі.

В деяких випадках для охолоджування вузлів оптичних приладів використовують пасивне радіаційне охолоджування. Наприклад, такий спосіб застосовують для охолоджування приладів, що працюють в космосі. Таке охолоджування дозволяє підтримувати температуру вузлів в діапазоні 60 – 120 К. Засіб охолоджування повинен передбачати екранування вузлів від прямого сонячного випромінювання, випромінювання Землі і інших вузлів космічного апарату. У конструкцію охолоджувача часто вводять радіатор.

Ефективним способом відведення тепла з корпусу приладу є вживання теплових труб. Теплова труба – це пристрій, призначений для перенесення теплового потоку з одного кінця труби в іншій за рахунок використання прихованої теплоти фазового перетворення теплоносія. Теплоносій поміщений всередину герметичної труби (див. рис. 13.3).

2

1

3

Рис. 13.3. Теплова труба

На рис.10.3 показані: 1 – корпус приладу; 2 – корпус теплової труби;

3 – капілярна пориста структура, яка насичена змочуючою рідиною і граничить з паровим об'ємом центральної частини труби. Ця структура може бути у вигляді металевої сітки, металоволокна, склотканини і тому подібних середовищ. Як теплоносій застосовують воду, спирти, фреони, аміак. При дуже низьких температурах використовують зріджені гази. При підводі теплового потоку Фп до частини А труби (див. рис. 10.3) рідина випаровується, тиск в паровій зоні А підвищується і пара через зону Б поступає в зону В, де конденсується і тепло виділяється в довколишній простір. Щільність теплового потоку, переносимого такими трубами складає .. Розташування труб може бути будь-яким.

Лекція № 45. Герметізація та екранування оптичних приладів