CN102474997B - 局部热控制 - Google Patents

Abstract

用于对第一区域中的部件120进行热控制的装置和方法，其中互连器110把该部件热连接到第二热区域，其中导热隔热罩130把互连器110从第一区域内紧密靠近部件的位置到第二区域进行封装，并且在第二区域内至少一个加热单元(300、301)热连接到互连器。加热单元(300、301)可以是热源和/或散热器，且本发明可以在比环绕的第一区域高或低的温度下控制部件120。当热量从热环绕的第一区域例如热气进入到隔热罩130时，隔热罩130比由隔热罩封装的介质更有效地导热。这样，热量趋向于跟随由隔热罩130提供的路径。使用区域包括通过热泳提供高效粒子沉积，或在冷环境中加热部件120。

Description

局部热控制

本发明涉及用于对与环绕的第二区域相比可能是热或冷的第一区域中的部件进行热控制的装置和方法。

发明背景

有时，需要对比第二、周围区域中的温度热或冷的第一区域中的设备或部件进行局部冷却或加热。一些示例是：

-根据热泳的粒子探测，其中当传感器区域比环绕的热流体流明显冷时，诸如烟尘的粒子沉积在传感器区域上。应用包括探测来自内燃机或来自燃烧炉的废气中的烟尘。

-通过烧尽沉积粒子使传感器更新。

-为了在热环境中适当且可靠的操作，而冷却电子部件和其它的部件，例如在井中为了生产碳氢化合物或地热工业。

-加热冻结的、可移动部件，特别在使用电加热不现实或被禁止的地方。

应指出，上述应用可以包含在腐蚀的、热的和/或以其他方式严酷的或不利的环境中的热控制。

示例取自汽车工业，并取自检测柴油发动机废气系统中烟尘粒子含量的项目(Soot sensors for a healthy environment(用于健康环境的烟尘传感器)，SootSens，MNT ERA-Net TRANSNATIONAL CALL 2007)。传感器概念是基于热泳的物理现象。在气体中，粒子的热泳沉积由温度梯度驱动(Messerer等人的“Thermophoretic deposition of soot aerosol particles underexperimental conditions relevant for modern diesel engine exhaust gassystems(在实验条件下关于现代柴油发动机废气系统的烟尘悬浮粒子的热泳沉积)”，Journal of Aerosol Science，2003年4月)。该理论陈述了在气体中烟尘粒子引向较冷区域，并在冷表面存在的情况下，最终沉积到冷表面上。沉积在普通指状电极结构上的烟尘改变了电极的电阻，这能够被监控，即烟尘能够被检测。此信息能够用在监控系统中以指示过滤器何时充满或损坏，以及何时需要更新或替换。

用于热泳的粒子速度与热气体和较冷传感器区域之间的温度梯度直接成比例。这样，在低烟尘浓度的环境中，传感器附近的高温度梯度被认为增加了传感器的灵敏度，这是因为更多的烟尘将被沉积。初步结果表明在传感器表面和热气体之间50-70℃的温度差异足以使基于热泳的烟尘传感器工作。

排气管可以向布置在管内较热气体中的基于热泳的传感器提供极好的散热器。然而，当通过排气壁插入并直接暴露于废气流时，相当好的热导体，例如氧化铝传感器基质一般不能为基于热泳的烟尘感测应用传递足够的热量。换句话说，氧化铝传感器基质迅速地从周围气体聚集热量，并接近气体的温度。在基质内的合成温度梯度将是急剧的，并靠近废气管壁定位。因此，包括在管内部的基质尖端以及远离管壁处的传感器表面的剩余部分将具有非常接近气体温度的温度。这样，即使在传感器基质是相对良好的热导体时，并且甚至如果废气和废气管之间的温度差异与基于热泳的传感器工作所需要的50-70℃相比明显大的情况下，基质不会单独提供这样的传感器所需的较冷表面。

与直接暴露于气体绝热的基质部分已经表明在氧化铝内的温度梯度进一步延伸远离排气管壁。即传感器表面的温度将在尖端降低。

常见的热绝热体，例如围绕着传感器基质缠绕的钢丝绒(即热量互连器)已经表明不能充分维持热废气和传感器区域之间50-70℃的温度差异。足够的性能所需的绝热体的体积是相当大的。排气管具有适用于传感器应用的有限空间，因此庞大的绝热体或冷却设备不会简单地成为选项。

热泳也可能用来检测来自燃烧炉的废气中的粒子含量，因为这是检测热气体中低粒子浓度的合适方法。在该应用中，废气温度可以超过300℃，并且管直径和其它尺寸一般大于之前的示例。尽管如此，传感器需要被放到远离较冷排气导管的热气体中。传感器必须提供冷表面，且对于任何庞大的绝热体或冷却设备，仍然是有限的空间可利用。相对于尺寸要求，局部主动冷却可能是昂贵的和/或不充分的。

在另一个示例中，热控制能够使用在从上述示例更新传感器表面的过程中：当烟尘沉积时，烟尘传感器失去其灵敏度。然而，在应用中可能需要长时间可靠并精确的测量，例如为了监控柴油发动机废气系统而长时间监控粒子过滤器的状态等。粒子能够通过火化移除，即通过增加传感器表面温度以使粒子转化为燃烧气体或灰烬，例如达到600℃以上的表面温度。通过传感器和/或传感器电子设备传导需要的能量可能烧掉传感器元件和/或接线，以及烟尘和其它粒子。

因此，需要在传感器区域中增加温度，而不使电线中的温度增加到超过电子绝热材料、结合件的熔点等。换句话说，大量的供给热能应该通过第二热流路径提供。只要其不超过传感器和/或电子设备等的极限，额外的热量就可以穿过传感器区域局部供给。

另一个示例涉及可移动部件，其需要在冰冷环境中的临时运动，例如在北极的船，此处海洋飞沫和低于0℃的温度在索具和甲板设备上建立了冰层。

冰将妨碍可移动部件正确地操作。水具有相当大的热容，阻碍融化过程。明显地，通过局部加热部件，融化过程能够加速且能够使能量消耗保持在最小值。这能够通过局部热控制来实现，特别地通过把部件加热到超过0℃的温度，同时环绕的冰暴露于来自供给电能的最低热传递中。

各种形式的电阻一般用于这种局部加热应用。当电流通过时，电阻发热，并通常能够以容易的方式适合于眼前的应用。然而，当在像这样的应用中使用电时，必须要小心谨慎。除了其他方面，必须提供适当的电绝热，以及时保证在任意处没有电路部分与水接触。在有暴露危险的区域中，可以禁止电的使用。

换句话说，从包括冰的冷区域外部的区域热控制部件而不使用电力，将非常有利于这种类型的应用。特别地，具有最小能量损失的局部热控制将是有利的。

芯片上的实验室(Lab-on-a-chip)的应用是不使用电连接的局部精确加热，或者空间被限制的地方也是本发明应用的区域。

这样，本发明的目的是提供安装在互连器上的部件的热控制，其中诸如传感器或运动部分的部件安置在第一热区域中，并通过互连器热连接到第二热区域。

另外的目的包括提供注重可靠且持久的操作并具有使热控制系统容易地小型化的选择的简单且物有所值的设计。

使用的区域包括通过热泳提供高效粒子沉积，以及相对于其环境相当小的区域被热控制的其他应用。

发明概述

该目标通过提供用于对第一区域中的部件进行热控制的装置和方法来实现，其中互连器使部件热连接到第二热区域，其中导热隔热罩(thermally conducting heat shield)把互连器从第一区域内紧密靠近部件的位置到第二区域进行封装，并且在第二区域内至少一个加热单元热连接到隔热罩和互连器中的至少一个。

本发明背后的基本思想是利用不同平行热路径的相对热阻。

当热量从热的环绕第一区域进入隔热罩时，例如热气体，隔热罩比由隔热罩封装的介质更有效地传热。这样，热量趋向于跟随由隔热罩提供的路径，即具有低热阻的路径，而不是通过其消散，并且进入互连器被保持在较低温度的封装区域。来自隔热罩的热量通过在连接第二区域的合适位置处的适当加热单元消散，而不是加热封装区域，在该示例中适当的加热单元是散热器。这样，对庞大绝热体的需求显著降低。

当以热源形式的加热单元给导热隔热罩提供热量时，例如用于如上所讨论的沉积粒子火化时，热量通过隔热罩传导到部件位置。在这种情况下，热量也从隔热罩辐射到周围环境，并且在一种实施方式中，隔热罩的顶面能够具有把来自隔热罩的辐射集中到传感器区域来加热传感器表面的抛物线形状。应指出，在实际的烟尘传感器中，烧掉烟尘所需热量的全部或部分可以通过互连器提供，并且在上述实施例中，通过隔热罩提供热量只是用于阐示的目的。

加热第一区域内的部件的另一种方式是通过将第二区域中的热源连接到向部件传热的互连器。这假设互连器的热导率足以为部件提供充足的能量传送。在这种情况下，隔热罩将保护互连器不受相对于较热的第二区域目前是冷区的第一区域影响。这可能是把部件加热到想要温度的节能方法，例如如上所讨论的封装在冰中的可移动部分或从传感器表面烧掉烟尘。进一步地，因为热量作为热量传送，所以在第一区域中不需要如先前所提到的具有其附着限制的电加热。

当隔热罩布置在比第二区域冷的第一区域中时，例如当隔热罩被包围在冰中时，从热的互连器散发的热量从内部进入到隔热罩。如果隔热罩比环绕的介质例如冰更有效地传热，则热量被再次传导到适当的散热器。在这种情况下，热量能够用来加热互连器，而不是例如不必要地融化冰。

在所附权利要求中恰当地公开了这些和其它的特点和益处。

附图简述

从下述参考附图的详细描述中将更好地理解本发明，贯穿几幅附图，相似的数字指类似但不必须相同的部件，并且在附图中：

图1是隔热罩和互连器组件的透视图；

图2表明图1中的组件的内部；

图3a、图3b是图1中的组件从间隔90°的角度看到的侧视图；

图4是前图组件的顶视图；

图5示出了沿着图4中的线A-A选取的横截面；

图6a-图6c是第一实施方式的示意图；

图7a-图7c是第二实施方式的示意图；

图8是示出了隔热罩中对流的示意图；

图9a、图9b是第三实施方式的示意图；

图10是具有额外支撑件的实施方式的示意图；

图11是图10中的实施方式的透视图；

图12是图2上的细节的放大、剖视图。

详细描述

图1-图5通过从不同角度观察的几个视图和横截面图示了本公开的优选实施方式。要受热控制的部件由120代表，并安装在互连器110上或是其一部分。导热隔热罩130封装互连器110，直到需要暴露于第一区域的部件120。如在此所使用的，术语第一区域和第二区域指不同的热区域，即不管区域是否另外连接，也不管其其他性能。

在热控制以及本公开的情况下，图1中由220参考的部件为可以是热导体或绝热体的配件(fitting)。配件220的主要目的是把互连器110机械地连接到隔热罩130，并且/或者提供密封件，以使第一区域与隔热罩的内部分开。在其他情况下，贯穿本说明书、权利要求以及附图，由数字220代表的部件具有不同的功能，比如把一部分紧固或密封到另一部分，例如，把隔热罩130紧固或密封到互连器110。能够提供诸如220的部件，以允许使用具有不同热膨胀系数(CTE)的材料，并且为此目的，诸如220的部件是例如弹性体、陶瓷纸薄片或小间隙。总的来说，绝热体或更精确地具有低热导率的元件可以被有意地插到元件之间，以减少例如在隔热罩和互连器之间的热流。然而，为了简约起见，在热控制的情况下，用作热阻的部件在此共同由数字210参考，而不管其作为粘合剂、密封剂、热膨胀适配器、盖子、其它结构元件等的其它功能。

应指出，通过减小接触面积和长度，由于CTE失配的影响将减小。在本公开中，在隔热罩和部件和/或互连器之间的互相连接处的接触面积可以是小的，或者甚至能够从设计中省略。本发明因此提供了用来最小化或消除CTE失配的可行方式。

第一区域可以是部件120被插入的用于热或冷的流动或静止的流体的导管或容器的内部。为了阐示的目的，附图显示了分开第一热区域和第二热区域的导管壁200的一部分。这样，在附图中，第一区域仅仅是位于导管壁200上方的区域，且第二区域是位于导管壁200下方的区域。然而，应理解，要受热控制的部件120能够被包围在诸如冰或合金的固体中，在此状况下不需要物理的壁200。而且，物理的容器或导管将明显地具有分开第一区域和第二区域的一些结构设计和温度梯度。由于该结构和温度梯度与本公开不相关，所以其简单地不显示。

图6a-图6c是各种实施方式的示意图，其中隔热罩130朝着第二区域打开。这主要为了表明周围流体能够在互连器110和隔热罩130之间提供足够的绝热。在一些应用中，该周围流体将是空气或一些其它气体。然而，任何周围流体能够进入到图6a-图6c中打开的隔热罩内的腔。例如，在引言章节中，提到了油井应用，在油井中部件120可能布置在由第一区域代表且具有几百巴压强的流体中。由第二区域代表的典型井下工具(welltool)可以充满清洁液体，例如矿物油。清洁矿物油将从环绕油井中机械地隔离，同时压强可以但不是必须与环绕流体的压强平衡。为了本发明的具体应用的目的，井下工具(第二区域)内的液体将具有低压缩率，并且预期提供足够的热绝热。

在图6a中，互连器110和隔热罩130共享加热单元300，加热单元300根据应用可以是加热或冷却部件的散热器或热源。热阻210显示在隔热罩130和导管壁200之间，以表明在所有应用中热量可能不有效地流向导管壁200。实际上，导管壁在所有应用中甚至可能不存在。例如当隔热罩被包围在冰中时，就是这种情况。

为了清楚起见，图1中示出的热阻210/配件220以及几个其它的热阻和/或配件在图6a-图9b的示意图中省略。然而，在实际的实施方式中，部件可以通过粘合剂或机械连接来结合，或者需要一些装置以允许热膨胀系数的差别，以上二者都改变了热阻。也见图1的描述。

图6b图示了互连器110和隔热罩130连接以分开加热单元300和301的结合。加热单元300、301中的任何一个可以是散热器或热源。这样，在来自引言章节的在冰冷环境中的可移动冻结部分的示例中，连接到互连器110的加热单元301将是提供热量以融化围绕部件120的冰的热源，并且连接到隔热罩130的加热单元300将是用来驱散多余热量以防止无意地或能量消耗地融化冰的散热器。如果由隔热罩130封装的介质或缺乏介质(真空)对热辐射(IR)是通透的，则内表面可以被表面处理以减少热量由于内表面之间辐射而被转移，例如对其抛光以反射。

图6c示出了图6b的特别情况，其中导管壁200兼作用于隔热罩130的加热单元300之用。在使用来自引言章节的烟尘传感器的实施例中，部件120将是需要被保持比废气的大约300℃低50-70℃的传感器区域。第一区域将是排气管的内部，或者严格地说，传感器元件120被插入到气流中的区域，与排气管壁有一定距离。第二区域将是从排气管并由此径向向外的一般区域。这样，在此实施例中，加热单元301将是用来冷却部件120的散热器，而不是如之前实施例中用来加热部件的热源。由导管壁200代表的排气管可以是用于隔热罩130的极好的散热器300，因为

a)其通常具有适当低于废气温度的温度，例如120℃比(vs)第一区域的300℃。

b)比起传感器组件110、120，排气管具有大的热容。

c)来自排气管200、300的热量容易消散到第二区域中，例如周围空气以及附近的金属件。

图7a-图7c分别示出了与图6a-图6c中的构型相似的构型，但其中图7的隔热罩朝着第二区域闭合。通常，内部被逃逸以生成非常低的压强或“真空”。腔内部的壁通常被抛光以反射。真空和反射表面二者都在隔热罩和互连器之间提供热传递的减少。

特别地，图7a图示了在互连器110和隔热罩130之间具有低热阻的构型，然而，图7b和图7c示出了在互连器110和隔热罩130之间的热阻或绝热体。如所指出的，热阻或绝热体210或者配件220可以呈现于在包括图6a-图9b的示意图上部中的互连器和隔热罩之间。该配件、阻件或绝热体仅仅没有在示意图中示出。

如联系图6所讨论的，隔热罩能够充满气体或液体。图8意在图示当需要时，流体能够在隔热罩130的腔内循环。循环可以通过循环流体的泵(未示出)来提供，例如，在如图6a-图6c所示的开放构型中循环空气的风扇，或者在如图7a-图7c所示的闭合构型中循环液体的泵。当构型闭合时，在互连器110和隔热罩130处的边界条件也能够引起腔中的自然对流，太多的热量没有积聚在循环流体内是重要的。因此，通常会提供外部散热器，以在循环流体穿过图8中的底盖时使其冷却，并且底壁将优选是良好的热导体，而不是图8中显示的绝热体。

也应指出，循环可以沿着与图8中示出的方向相反的方向，即邻近互连器110进入腔体，并在沿着隔热罩130向外的方向上。

图9a、图9b图示了隔热罩的内部可以是介质或任何状态的任何介质的组合，包括固体或颗粒介质。对固体介质的需求可以由结构力学的角度来决定，例如，用来承受大量机械载荷。例如，如果第一区域中的温度是依赖时间的或瞬变的，则内部能够充满具有大热容的机械上坚硬的固体或颗粒介质，例如钛。以这种方式，第一区域中大但短暂的温度变化将只是轻微地影响封装介质的整体温度。

图10和图11示出了图1-图5的实施方式，为了对结构提供机械稳定性或刚性，其具有布置在互连器110和隔热罩130之间的支撑件140。容易理解，如果需要，则可以布置几个这样的支撑件。

图12是隔热罩/互连器组件顶部的放大视图。特别地，在互连器110和隔热罩130之间的配件220是明显的。而且，参考数字120指向由罩130的延伸部分覆盖的传感器组件。在一些应用中，感应表面能够与气体接触。在其它的应用中，包括传感器的部件可以被完全封装。应指出，任何传感器120可以以这种方式由盖子和/或罩130的延伸部分来保护。

如果要求部件处的温度稳定，则具有大热容的介质将用作控制和减小部件内温度波动的方法。

从上述讨论，应清楚，在不同应用中能够使用充满空气、其他气体、液体、固体或颗粒材料，并且对环绕的第二区域打开或闭合的隔热罩130的任何组合。任何这些组合能够进一步配置有连接到散热器或热源300、301的隔热罩130。散热器300、301可以是但不是必须是散发来自互连器110的热量的散热器300、301，或者是向互连器110和/或隔热罩130提供热量的热源300、301。反过来，任何这些变化可以与任何互连器110以及要受热控制的部件120结合。进一步地，隔热罩130内的介质通常选择以避免互连器110和隔热罩130之间的热传递，但是可以选择以禁止互连器110和隔热罩130之间的热交换。

在结构的任何元件之间可能需要具有与相邻元件不同热导率的元件210和220，例如，以补偿热膨胀的差异。可以采用表面处理，以使互连器110和隔热罩130之间的热传递减到最少，例如反射表面。明显地，应用决定了本发明的确切实施方式。

虽然本发明已经依据某些优选实施方式来描述，但是对本领域普通技术人员来说明显的其它实施方式也在本发明的范围内。相应地，本发明的范围只意在通过参考所附权利要求来界定。虽然已经描述并显示了变化，但应理解，这些变化仅仅是本发明的示范且绝不意味着限制。

Claims (11)

1.一种用于对第一区域中的部件(120)进行热控制的装置，其中互连器(110)将所述部件(120)热连接到第二热区域，其特征在于，

导热隔热罩(130)把所述互连器(110)从所述第一区域内紧密靠近所述部件(120)的位置到所述第二热区域进行封装，从而界定在所述互连器(110)和所述隔热罩(130)之间的腔，并且

至少一个加热单元(300、301)在所述第二热区域内热连接到所述隔热罩(130)和所述互连器(110)中的至少一个。

2.如权利要求1所述的装置，其中至少一个加热单元(300、301)是散热器。

3.如权利要求1所述的装置，其中至少一个加热单元(300、301)是热源。

4.如权利要求1所述的装置，其中所述隔热罩(130)的内部与所述第二热区域流体连通。

5.如权利要求1所述的装置，还包括用于使流体在所述隔热罩(130)和所述互连器(110)之间的所述腔中循环的设备，藉此热从所述腔中移除。

6.如权利要求1所述的装置，其中所述隔热罩(130)具有比所述隔热罩(130)内部的介质的热导率大的热导率。

7.如权利要求1所述的装置，还包括在所述互连器(110)和所述隔热罩(130)中的至少一个上的反射表面。

8.一种用于对第一区域中的部件(120)进行热控制的方法，其中互连器(110)将所述部件(120)热连接到第二热区域，其特征在于，

提供导热隔热罩(130)，所述隔热罩(130)把所述互连器(110)从所述第一区域内紧密靠近被热控制的部件(120)的位置到所述第二热区域进行封装，从而界定在所述隔热罩(130)和所述互连器(110)之间的腔，并且

在所述第二热区域内提供所述互连器(110)和所述隔热罩(130)中的至少一个到至少一个加热单元(300、301)的热连接。

9.如权利要求8所述的方法，还包括使流体在所述互连器(110)和所述隔热罩(130)之间的所述腔中循环。

10.如权利要求8所述的方法，还包括将所述互连器(110)和所述隔热罩(130)之间的热传递减为最少。

11.如权利要求8所述的方法，还包括控制至少一个加热单元(300、301)的温度。