NL2024911B1

NL2024911B1 - Device with contactless heat transfer

Info

Publication number: NL2024911B1
Application number: NL2024911A
Authority: NL
Inventors: Johannes Peters Petrus; Nicolaas Jozef Spruit Cornelius; Anjes Maria Ruijl Theo
Original assignee: Mi Partners B V
Priority date: 2020-02-14
Filing date: 2020-02-14
Publication date: 2021-09-15
Also published as: NL2027559B1

Abstract

Een inrichting 31 is voorzien van een behuizing 33 en een daarin aanwezige roteerbare eenheid 35. De ruimte 7 tussen de binnenzijde 33b van de behuizing en de buitenzijde 35b van de beweegbare eenheid is gevuld met gas met een druk die hoger is dan de omgevingsdruk. Door de gasdruk in de ruimte te verhogen wordt meer warmte vanuit de beweegbare eenheid via het gas overgedragen aan de behuizing. Om deze hogere gasdruk in deze ruimte te handhaven zonder dat daarbij de bewegende eenheid in contact komt met de behuizing hetgeen wrijving met zich meebrengt en dus ongewenste warmteontwikkeling is er een contactloze restrictie 37 aangebracht tussen de beweegbare eenheid 35 en de behuizing 33. Deze restrictie 37 is gevormd door twee op geringe afstand van elkaar aanwezige restrictievlakken 33c en 35c van de binnenzijde van de behuizing en de buitenzijde van de beweegbare eenheid.A device 31 is provided with a housing 33 and a rotatable unit 35 present therein. The space 7 between the inner side 33b of the housing and the outer side 35b of the movable unit is filled with gas having a pressure higher than the ambient pressure. By increasing the gas pressure in the space, more heat is transferred from the movable unit to the housing via the gas. In order to maintain this higher gas pressure in this space without the moving unit coming into contact with the housing, which entails friction and thus undesirable heat development, a contactless restriction 37 is arranged between the movable unit 35 and the housing 33. This restriction 37 is formed by two narrowly spaced restriction surfaces 33c and 35c of the inside of the housing and the outside of the movable unit.

Description

Inrichting met contactloze warmteoverdracht BESCHRIJVING: Gebied van de uitvinding De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voorzien van een behuizing en een daarin aanwezige beweegbare eenheid die door middel van lagers in de behuizing is gelagerd en met een onderdeel uit de behuizing steekt, waarbij de binnenzijde van de behuizing en de buitenzijde van de beweegbare eenheid niet met elkaar in contact zijn en tussen de binnenzijde van de behuizing en de buitenzijde van de beweegbare eenheid een raimte aanwezig is die gevuld is met gas. De beweging die de eenheid kan maken ten opzichte van de behuizing kan bijvoorbeeld een rotatie of een translaue of een sferische beweging zijn. De lagers kunnen uitgevoerd zijn als glijlagers of lagers voorzien van rotatielichamen zoals een kogel, naald of ton. Ook kunnen de lagers aerostatische lagers zijn waarbij het gas in de spleet tussen de behuizing en de beweegbare eenheid ter plaatse van de lagers ervoor zorgt dat de delen niet met elkaar in contact zijn.Device with non-contact heat transfer DESCRIPTION: Field of the invention The invention relates to a device comprising a housing and a movable unit contained therein, which is journalled in the housing by means of bearings and protrudes from the housing with a part, wherein the inside of the housing and the outside of the movable unit are not in contact with each other and there is a space filled with gas between the inside of the housing and the outside of the movable unit. The movement that the unit can make relative to the housing can be, for example, a rotation or a translaue or a spherical movement. The bearings can be designed as plain bearings or bearings provided with rotational bodies such as a ball, needle or barrel. Also, the bearings may be aerostatic bearings wherein the gas in the gap between the housing and the movable unit at the location of the bearings ensures that the parts are not in contact with each other.

Stand van de techniek Een dergelijke inrichting is algemeen bekend. Indien in de beweegbare eenheid tijdens bedrijf warmte wordt ontwikkeld, dan wordt deze warmte in hoofdzaak door straling overgedragen aan de behuizing die voor verdere afvoer van de warmte zorgt. Samenvatting van de uitvinding Een doel van de uitvinding is het verschaffen van een inrichting van de in de aanhef omschreven soort waarbij in de beweegbare eenheid ontwikkelde warmte beter afgevoerd wordt dan bij de bekende inrichting. Hiertoe is de inrichting volgens de uitvinding gekenmerkt, doordat de druk van het in de ruimte tussen de binnenzijde van de behuizing en de buitenzijde van de beweegbare eenheid aanwezige gas hoger is dan de omgevingsdruk, en de ruimte is gescheiden van de omgeving buiten de behuizing door middel van een restrictie tussen de binnenzijde van de behuizing en de buitenzijde van de beweegbare eenheid, welke restrictie is gevormd door twee naar elkaar toegekeerde restrictievlakken van de binnenzijde van de behuizing en de buitenzijde van de beweegbare eenheid, welke restrictievlakken op geringere afstand van elkaar aanwezig zijn dan de afstand tussen de binnenzijde van de behuizing en de buitenzijde van de beweegbare eenheid op een andere plaats dan ter plaatse van de restrictie.State of the art Such a device is generally known. If heat is developed in the movable unit during operation, this heat is transferred substantially by radiation to the housing, which ensures further dissipation of the heat. Summary of the invention An object of the invention is to provide a device of the type described in the preamble, wherein heat developed in the movable unit is dissipated better than in the known device. To this end, the device according to the invention is characterized in that the pressure of the gas present in the space between the inside of the housing and the outside of the movable unit is higher than the ambient pressure, and the space is separated from the environment outside the housing by by means of a restriction between the inside of the housing and the outside of the movable unit, which restriction is formed by two facing restriction surfaces of the inside of the housing and the outside of the movable unit, which restriction surfaces are located at a smaller distance from each other are then the distance between the inside of the housing and the outside of the movable unit at a different location than at the location of the restriction.

Door het gas onder druk in de ruimte tussen de behuizing en de bewegende eenheid vindt er een betere warmteoverdracht plaats dan indienen er een gas onder lagere druk of geen gas in de ruimte aanwezig is. Zodoende kan er zonder contact tussen de behuizing en de bewegende eenheid toch een goede warmteoverdracht plaatsvinden. Doordat er geen contact tussen de behuizing en de beweegbare eenheid aanwezig is treedt er ook geen slijtage op, waardoor de levensduur hierdoor niet beperkt wordt en er geen slijtagedeeltjes vrij komen die tot extra weerstand of vervuiling van de lagers kan leiden.Due to the pressurized gas in the space between the housing and the moving unit, better heat transfer occurs than if a lower pressure gas or no gas is present in the space. In this way a good heat transfer can still take place without contact between the housing and the moving unit. Because there is no contact between the housing and the movable unit, no wear occurs, so that the service life is not limited and no wear particles are released that can lead to extra resistance or contamination of the bearings.

Bij voorkeur zijn de restrictievlakken op een minimale afstand (typisch minder dan 0,1 mm) van elkaar verwijderd om de gewenste hoge gasdruk in de ruimte met minimal lek naar de omgeving te bewerkstelligen.Preferably, the restriction surfaces are spaced a minimum (typically less than 0.1 mm) from each other to achieve the desired high gas pressure in the space with minimal leakage to the environment.

Voor een goede warmteoverdracht is het gewenst dat de afstand tussen de beweegbare eenheid en de behuizing klein is. Bij voorkeur heeft hierom de ruimte tussen de binnenzijde van de behuizing en de buitenzijde van de beweegbare eenheid ten minste voor een deel de vorm van een spleet. Ter plaatse van deze spleet zijn de binnenzijde van de behuizing en de buitenzijde van de beweegbare eenheid bij voorkeur opeen minimale afstand (typisch minder dan 1 mm) van elkaar verwijderd.For good heat transfer, it is desirable that the distance between the movable unit and the housing is small. For this reason, the space between the inside of the housing and the outside of the movable unit is preferably at least partly in the form of a slit. At this gap, the inside of the housing and the outside of the movable unit are preferably separated by a minimum distance (typically less than 1 mm).

Om te voorkomen dat bij warmteontwikkeling de afstand tussen de restrictievlakken ten gevolge van uitzetting van de beweegbare eenheid en de behuizing wijzigt waardoor de afdichting afneemt of de wrijving toeneemt, is de restrictie bij voorkeur zodanig gevormd dat bij thermische uitzetting van de behuizing en de roteerbare eenheid de afstand tussen de restrictievlakken gelijk blijft. Bij voorkeur gaat hiertoe een vlak parallel aan de beide restrictievlakken en midden tussen de beide restrictievlakken door een thermisch centrum van de behuizing en de beweegbare eenheid gaat. Een thermisch centrum is een punt/plaats dat bij thermische uitzetting van de behuizing/beweegbare eenheid, de behuizing en de beweegbare eenheid niet ten opzichte van elkaar van plaats veranderen. Bij voorkeur is het in de ruimte aanwezige gas een niet reactief gas met een relatief hoge warmtegeleidingscoëfficiënt, zoals een edelgas, bijvoorbeeld helium.In order to prevent the distance between the restriction surfaces due to expansion of the movable unit and the housing from changing during heat development, resulting in a decrease in the seal or an increase in friction, the restriction is preferably formed in such a way that upon thermal expansion of the housing and the rotatable unit the distance between the restriction surfaces remains the same. Preferably, for this purpose a plane parallel to the two restriction surfaces and centrally between the two restriction surfaces passes through a thermal center of the housing and the movable unit. A thermal center is a point/location that upon thermal expansion of the housing/movable unit, the housing and the movable unit do not move relative to each other. Preferably, the gas present in the space is a non-reactive gas with a relatively high thermal conductivity coefficient, such as a noble gas, for example helium.

Warmteontwikkeling treedt vaak op bij een inrichting waarbij de beweegbare eenheid roteerbaar in de behuizing gelagerd is en met een as uit de behuizing steekt, zodat de uitvinding met name voor dergelijke inrichtingen voordeel biedt.Heat development often occurs in a device in which the movable unit is rotatably mounted in the housing and protrudes from the housing with a shaft, so that the invention is particularly advantageous for such devices.

Beknopte omschrijving van de tekeningen Hieronder zal de uitvinding nader worden toegelicht aan de hand van in de tekeningen weergegeven uitvoeringsvoorbeelden van de inrichting volgens de uitvinding. Hierbij toont: Figuur 1 een eerste uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding in doorsnede; en Figuur 2 een tweede uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding in doorsnede. Gedetailleerde omschrijving van de tekeningen In figuur 1 is een eerste uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding in doorsnede weergegeven. De inrichting 1 is voorzien van een behuizing 3 en een daarin aanwezige roteerbare eenheid 5 die door middel van lagers 13 en 15 in de behuizing is gelagerd en met een as 11 uit de behuizing steekt. De binnenzijde 3b van de behuizing en de buitenzijde 5b van de beweegbare eenheid zijn niet met elkaar in contact. Tussen de binnenzijde 3b van de behuizing en de buitenzijde 5b van de beweegbare eenheid is een ruimte 7 aanwezig is die gevuld is met gas met een druk die hoger is dan de omgevingsdruk. Aan de uiteinden is de as 11 voorzien van asstompen 17 en 19 om axiale verplaatsing van de as 11 en dus van de beweegbare eenheid 5 ten opzichte van de lagers 13 en 15 en dus ten opzichte van de behuizing 3 te voorkomen. De ruimte 7 is gescheiden van de omgeving buiten de behuizing 3 door middel van een restrictie 21 tassen de binnenzijde van de behuizing en de buitenzijde van de beweegbare eenheid. Het grootste deel van deze ruimte 7 is gevormd door een spleet 9 tussen de binnenzijde van de behuizing en de buitenzijde van de beweegbare eenheid. De restrictie 21 is gevormd door twee naar elkaar toegekeerde restrictievlakken 3c en Sc van de binnenzijde van de behuizing en de buitenzijde van de beweegbare eenheid. Deze restrictievlakken 3c en Sc zijn op geringere afstand van elkaar aanwezig dan de afstand tussen de binnenzijde 3b van de behuizing en de buitenzijde 5b van de beweegbare eenheid op een andere plaats dan ter plaatse van de restrictie 21. De restrictievlakken 3c en 5c zijn op een afstand van minder dan 0,1 mm van elkaar verwijderd en ter plaatse van de spleet 9 zijn de binnenzijde 3b van de behuizing en de buitenzijde 5b van de beweegbare eenheid op een afstand van minder dan 1 mm van elkaar verwijderd.Brief description of the drawings The invention will be further elucidated below on the basis of drawings of exemplary embodiments of the device according to the invention. In the drawing: Figure 1 shows a cross-section of a first embodiment of the device according to the invention; and Figure 2 shows a cross-section of a second embodiment of the device according to the invention. Detailed description of the drawings Figure 1 shows a cross-section of a first embodiment of the device according to the invention. The device 1 is provided with a housing 3 and a rotatable unit 5 present therein, which is mounted in the housing by means of bearings 13 and 15 and which projects from the housing with a shaft 11 . The inside 3b of the housing and the outside 5b of the movable unit are not in contact with each other. Between the inside 3b of the housing and the outside 5b of the movable unit is a space 7 which is filled with gas having a pressure higher than the ambient pressure. At the ends, the shaft 11 is provided with stub shafts 17 and 19 in order to prevent axial displacement of the shaft 11 and thus of the movable unit 5 relative to the bearings 13 and 15 and thus relative to the housing 3. The space 7 is separated from the environment outside the housing 3 by means of a restriction 21 between the inside of the housing and the outside of the movable unit. The major part of this space 7 is formed by a gap 9 between the inside of the housing and the outside of the movable unit. The restriction 21 is formed by two facing restriction surfaces 3c and Sc of the inside of the housing and the outside of the movable unit. These restriction surfaces 3c and Sc are present at a smaller distance from each other than the distance between the inner side 3b of the housing and the outer side 5b of the movable unit at a different location than at the location of the restriction 21. The restriction surfaces 3c and 5c are arranged on a distance of less than 0.1 mm from each other and at the location of the gap 9, the inner side 3b of the housing and the outer side 5b of the movable unit are spaced less than 1 mm from each other.

Door de gasdruk in de ruimte te verhogen wordt meer warmte vanuit de beweegbare eenheid via het gas overgedragen aan de behuizing. Om deze hogere gasdruk in deze ruimte te handhaven zonder dat daarbij de bewegende eenheid in contact komt met de behuizing hetgeen wrijving met zich meebrengt en dus ongewenste warmteontwikkeling is er een contactloze restrictie aangebracht tussen de eenheid en de behuizing. In de behuizing 3 is een afsluitbare opening 23 aanwezig om het gas in de ruimte 7 in te kunnen brengen.By increasing the gas pressure in the space, more heat is transferred from the movable unit to the housing via the gas. In order to maintain this higher gas pressure in this space without the moving unit coming into contact with the housing, which entails friction and thus undesired heat development, a contactless restriction is provided between the unit and the housing. In the housing 3 a closable opening 23 is present in order to be able to introduce the gas into the space 7 .

Het warmteoverdrachtsoppervlak tussen de behuizing en de beweegbare eenheid is bij voorkeur zo groot mogelijk. Om dit te bewerkstelligen kan een van de delen voorzien zijn van lamellen en het andere deel van uitsparingen waarin de lamellen zich uitstrekken. In figuur 1 is de behuizing voorzien van zich radiaal uitstrekkende lamellen 25 en van een zich axiaal uitstrekkende lamel 27 en zijn in de roterende eenheid uitsparingen 29 aanwezig waarin de lamellen zich bevinden. Voorts kunnen de warmteoverdrachtsoppervlakken behandeld worden om de warmteoverdracht aan het gas te verbeteren (verhogen van de accommodatiecoëfficiënt tussen gas en wand).The heat transfer area between the housing and the movable unit is preferably as large as possible. To achieve this, one of the parts can be provided with slats and the other part with recesses in which the slats extend. In figure 1 the housing is provided with radially extending lamellae 25 and with an axially extending lamella 27 and recesses 29 are present in the rotating unit in which the lamellae are located. Furthermore, the heat transfer surfaces can be treated to improve the heat transfer to the gas (increase the accommodation coefficient between gas and wall).

De lagers 13 en 15 zijn zodanig in de behuizing 3 opgehangen en/of op beweegbare eenheid 5 aangebracht (bijvoorbeeld elastisch) en/of zodanig uitgevoerd, dat een verschil in uitzetting van behuizing 3 ten opzichte van de beweegbare eenheid 5 kan worden opgevangen zonder dat er ontoelaatbare krachten ontstaan.The bearings 13 and 15 are suspended in the housing 3 and/or arranged on movable unit 5 (for instance elastic) and/or designed such that a difference in expansion of housing 3 relative to movable unit 5 can be accommodated without impermissible forces arise.

In figuur 2 is een tweede uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding in doorsnede weergegeven. Alle onderdelen van deze tweede uitvoeringsvorm die gelijk zijn aan die van de hiervoor beschreven eerste uitvoeringsvorm zijn met dezelfde verwijzingscijfers aangeduid. Deze inrichting 31 is eveneens voorzien van een behuizing 33 en een daarin aanwezige roteerbare eenheid 35 die door middel van lagers 13 en 15 in de behuizing is gelagerd en met een as 11 uit de behuizing steekt. Tussen de binnenzijde 33b van de behuizing en de buitenzijde 35b van 5 de beweegbare eenheid is een ruimte 7 aanwezig die deels is gevormd door een spleet 9 en die is gevuld is met gas met een druk die hoger is dan de omgevingsdruk.Figure 2 shows a cross-section of a second embodiment of the device according to the invention. All parts of this second embodiment which are the same as those of the above-described first embodiment are denoted by the same reference numerals. This device 31 is also provided with a housing 33 and a rotatable unit 35 present therein, which is mounted in the housing by means of bearings 13 and 15 and which projects from the housing with a shaft 11 . Between the inner side 33b of the housing and the outer side 35b of the movable unit is a space 7 which is partly formed by a gap 9 and which is filled with gas having a pressure higher than the ambient pressure.

Ook hierbij is de ruimte 7 gescheiden van de omgeving buiten de behuizing 33 door middel van een restrictie 39 tussen de binnenzijde van de behuizing en de buitenzijde van de beweegbare eenheid. Deze restrictie 39 is eveneens gevormd door twee naar elkaar toegekeerde restrictievlakken 33c en 35c van de binnenzijde van de behuizing en de buitenzijde van de beweegbare eenheid. In tegenstelling tot bij de eerste uitvoeringsvorm waar de restrictievlakken parallel aan de hartlijn 2 van de mrichting zijn, staan de restrictievlakken 33c en 35c bij deze uitvoeringsvorm onder een hoek met de hartlijn 2 van de inrichting.Here too, the space 7 is separated from the environment outside the housing 33 by means of a restriction 39 between the inside of the housing and the outside of the movable unit. This restriction 39 is also formed by two facing restriction surfaces 33c and 35c of the inside of the housing and the outside of the movable unit. In contrast to the first embodiment where the restriction surfaces are parallel to the centerline 2 of the device, in this embodiment the restriction surfaces 33c and 35c are at an angle to the centerline 2 of the device.

De restrictievlakken 33c en 35c zijn zodanig gevormd dat bij thermische uitzetting van de behuizing 33 en de roteerbare eenheid 35 de afstand tussen de restrictievlakken gelijk blijft. Hiertoe gaat een vlak 41 parallel aan de beide restrictievlakken 33c en 35c en midden tussen de beide restrictievlakken door een thermisch centrum 39 van de behuizing 33 en de beweegbare eenheid 35. Hierdoor wordt voorkomen dat bij warmteontwikkeling de afstand tussen de restrictievlakken ten gevolge van uitzetting van de beweegbare eenheid en de behuizing wijzigt waardoor de afdichting afneemt of de wrijving toeneemt.The restriction surfaces 33c and 35c are formed such that upon thermal expansion of the housing 33 and the rotatable unit 35 the distance between the restriction surfaces remains the same. To this end, a plane 41 parallel to the two restriction surfaces 33c and 35c and in the middle between the two restriction surfaces passes through a thermal center 39 of the housing 33 and the movable unit 35. This prevents the distance between the restriction surfaces from expanding during heat development. changes the movable unit and housing, reducing sealing or increasing friction.

Hoewel in het voorgaande de uitvinding is toegelicht aan de hand van de tekeningen, dient te worden vastgesteld dat de uitvinding geenszins tot de in de tekeningen getoonde uitvoeringsvormen is beperkt. De uitvinding strekt zich mede uit tot alle van de in de tekeningen getoonde uitvoeringsvormen afwijkende uitvoeringsvormen binnen het door de conclusies gedefinieerde kader. Zo kan de beweegbare eenheid ook translerend (of een sferische beweging makend) in de behuizing aanwezig zijn in plaats van roterend. Ook kan in plaats van de in de tekeningen getoonde contactloze restrictie een afdichting toegepast worden waarbij wel contact tussen de afdichtende delen aanwezig is, zoals bijvoorbeeld een afdichtring waarbij ervoor gezorgd wordt dat de met elkaar in contact zijn delen uit materialen gevormd zijn met tribologisch optimale eigenschappen ten opzichte van elkaar.Although the invention has been elucidated in the foregoing with reference to the drawings, it should be noted that the invention is by no means limited to the embodiments shown in the drawings. The invention also extends to all embodiments deviating from the embodiments shown in the drawings within the framework defined by the claims. For example, the movable unit can also be present in the housing in translation (or making a spherical movement) instead of rotating. Also, instead of the contactless restriction shown in the drawings, a seal can be used in which contact is present between the sealing parts, such as for instance a sealing ring, which ensures that the parts in contact with each other are formed from materials with optimal tribological properties. relative to each other.

Claims

CONCLUSIONS:

Device (1; 31) provided with a housing (3; 33) and a movable unit (5; 35) present therein, which is mounted in the housing by means of bearings (13, 15) and with a part (11) protrudes from the housing, wherein the inner side (3b; 33b) of the housing and the outer side (5b; 35b) of the movable unit are not in contact with each other, and between the inner side of the housing and the outer side of the movable unit (7) filled with gas, characterized in that the pressure of the gas in the space (7) between the inside (3b; 33b) of the housing (3; 33) and the outside (Sb; 35b) of the movable unit (5; 35) is higher than the ambient pressure, and the space (7) is separated from the environment outside the housing (3; 33) by means of a restriction (21; 37) between the inside of the housing and the outside of the movable unit, which restriction is formed by two facing restriction surfaces (3c, Sc; 33c, 35c) of the inside of the housing and the outside of the movable unit, which restriction surfaces (3c, 5c; 33c, 35¢) are present at a smaller distance from each other than the distance between the inside (3b; 33b) of the housing and the outside (5b; 35b) of the movable unit at a location other than at the location of the restriction (21; 37).

A device according to claim 1, characterized in that the restriction surfaces (3c, 5c; 33c, 35¢) are spaced less than 0.1 mm from each other.

Device according to Claim 1 or 2, characterized in that the space (7) between the inner side (3b; 33b) of the housing and the outer side (5b; 35b) of the movable unit is at least partially shaped of a slit (9).

Device according to claim 3, characterized in that at the location of the gap (9) the inner side (3b; 33b) of the housing and the outer side (5b; 35b) of the movable unit are at a distance of less than 1 mm are separated from each other.

A device according to any one of the preceding claims, characterized in that the restriction (37) is formed such that upon thermal expansion of the housing and the rotatable unit, the distance between the restriction surfaces (33c, 35c) remains the same.

Device according to claim 5, characterized in that a plane (41) parallel to the two restriction surfaces (33c, 35c) and midway between the two restriction surfaces passes through a thermal center (39) of the housing (33) and the movable unit (35) goes.

A device according to any one of the preceding claims, characterized in that the gas present in the space (7) is a rare gas.

A device according to any one of the preceding claims, characterized in that the movable unit (5; 35) is rotatably mounted in the housing (3; 33) and projects from the housing with a shaft (11).