NO330346B1 - Lokal termisk styring - Google Patents

Abstract

Anordning og fremgangsmåte for termisk styring av en komponent (120) i en første region, hvor en koblingsenhet (110) forbinder komponenten (120) termisk til en andre varmeregion, hvor et termisk ledende varmeskjold (130) omslutter koblingsenheten (110) fra en posisjon i den første regionen i nærheten av komponenten (120) til den andre regionen, og at minst en varmeenhet (300, 301) er termisk koblet til minst en av varmeskjoldet (130) og koblingsenheten (110) i den andre regionen. Varmeenhetene (300, 301) kan være varmekilder og/eller varmesluk og oppfinnelsen kan styre komponenten (120) ved en høyere eller lavere temperatur enn den omgivende første region. Når varme ledes inn i varmeskjoldet (130) fra en varm omgivende første region, f eks varm gass, leder varmeskjoldet (130) varme mer effektivt enn mediet som omsluttes av varmeskjoldet. Derved tenderer varmen til å følge veien tilveiebrakt av varmeskjoldet (130). Bruksområder omfatter å tilveiebringe effektiv avsetning av partikler ved termoforese

Description

Den foreliggende oppfinnelsen angår en anordning og fremgangsmåte for termisk styring av en komponent i en første region som kan være varm eller kald sammenlignet med en omgivende andre region.

BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN

Det er noen ganger behov for å kjøle eller varme en innretning eller komponent lokalt i en første region som er varmere eller kaldere enn temperaturen i en andre omgivende region. Noen eksempler er: - Partikkeldeteksjon ved termoforese, hvor partikler, f.eks. sot, avsettes på en sensorflate når sensorflaten er vesentlig kaldere enn den omgivende varme fluidstrømmen. Anvendelser omfatter deteksjon av sot i avgassene fra en

forbrenningsmotor eller fra en forbrenningsovn.

- Regenerering av en sensor ved å brenne av avsatte partikler.

- Innen elektronikkfeltet er det en rekke situasjoner og anvendelser hvor en elektronisk komponent trenger termisk styring for å virke riktig og pålitelig. - Nede i oljebrønner og innen geotermisk industri er pålitelig virkemåte påkrevet i krevende omgivelser, inkludert i høye temperaturer. - Å varme en fastfrosset bevegelig komponent, særlig der bruk av elektrisitet til oppvarming er upraktisk eller forbudt.

Et eksempel hentes fra bilindustrien, hvor et prosjekt er gjennomført for å detektere innholdet av sotpartikler i avgassystemet til dieselmotorer.

Dette prosjektet ble igangsatt for å undersøke og konstruere en sensor for deteksjon av sottetthet inne i et eksosrør for dieselmotorer. (Sotsensorer for et sunt miljø, SootSens, MNT ERA-Net TRANSNATIONAL CALL 2007). Sensor-konseptet er basert på det fysiske fenomenet termoforese. Termoforetisk avsetning av partikler i en gass er drevet av temperaturgradienten [1]. Teorien sier at sotpartikler trekkes mot kaldere regioner i gassen, og endelig avsettes på en kald flate hvis en slik finnes. Sot som avsettes på overflaten av en vanlig fingerelektrodestruktur endrer elektrodens elektriske motstand, som kan overvåkes, dvs sot kan detekteres. Denne informasjonen kan brukes i et overvakingssystem for a indikere når et filter er fullt eller skadet, og regenerering eller utskifting er påkrevet.

Foreløpige resultater fra SootSens-prosjektet indikerer at termoforese kan brukes i sotsensoranvendelser i en dieselmotors avgassystem, gitt tilstrekkelig kjøling av sensorflaten. Partikkelhastigheten ved termoforese er direkte proporsjonal med temperaturgradienten mellom den varme gassen og det kjøligere sensorområdet. Således antas at en høy gradient i nærheten av sensoren øker sensorens følsomhet når den plasseres i en atmosfære med lite sot ettersom mer sot avsettes. Forløpige resultater viser at temperaturforskjeller på 50-70°C mellom sensoroverflaten og de varme gassene er tilstrekkelig til at termoforese virker.

Eksosrøret for en forbrenningsmotor vil typisk ha en lavere temperatur og stor varmekapasitet sammenlignet med dem til et sensorelement plassert i denne regionen. Varmetransport fra eksosrøret til omgivelsene vil typisk skje ved stråling og tvungen konveksjon. Eksosrøret kan med andre ord være et utmerket varmesluk. For eksempel kan avgasser fra en dieselmotor ha temperaturer på omkring 300°C, mens eksosrøret forventes å ligge i området 60°C til 120°C. Varmeledningsevnen til en timelig god termisk leder, f.eks. et sensorsubstrat av alumina, som tres gjennom eksosveggen og eksponeres direkte for avgasstrømmen, vil ikke overføre tilstrekkelig varme for sotsensoranvendelser basert på termoforese. Med andre ord varmes et sensorsubstrat av alumina raskt av varme fra den omgivende gassen, og nærmer seg gasstemperaturen. Den resulterende temperaturgradienten i substratet vil være skarp og plassert nær eksosrørveggen, og de resterende delene, inkludert sensorflaten på tuppen av sensoren lenger inne og borte fra rørveggen vil ha en temperatur svært nær gassens. Derfor vil ikke substratet alene frembringe den kjøligere overflaten som kreves for termoforese selv om substratet er en rimelig god varmeleder og selv om temperaturforskjellen på mer enn 180°C (dvs 300°C - 120°C) er betraktelig større enn de 50-70°C som kreves for at termoforese skal virke.

Å isolere deler av substratet fra direkte eksponering mot gassen har vist at temperaturgradienten inne i aluminaen strekkes seg lenger bort fra eksosrør-veggen, dvs at sensorens overflatetemperatur ved tuppen vil reduseres.

Undersøkelser av konvensjonell varmeisolasjon, f.eks. stålull rundt sensor-substratet (termisk kobling) har vist seg å føre til en viss, men ikke tilstrekkelig, reduksjon av temperaturen ved tuppen av substratet. I et langtidsperspektiv, og gitt at varmen ikke kan transporteres til et eksternt varmesluk, er det dessuten kun et spørsmål om tid før tilstrekkelig varme er transportert gjennom isolasjonen og har hevet substrattemperaturen til samme temperaturnivå som den omgivende gassen.

Det er utfordrende å opprettholde en temperaturforskjell på 50-70°C mellom den varme avgassen og sensorområdet ved bruk av konvensjonell isolasjon av ulike typer. Volumet av isolasjonen som kreves for tilstrekkelig ytelse er betydelig. Et eksosrør har begrenset plass til en sensoranvendelse, så plasskrevende isolasjon eller kjøleutstyr vil helt enkelt være upraktisk eller ikke kunne brukes.

Et eksempel hvor termoforese igjen kan benyttes i avgasser er å detektere partikkelinnhold fra en forbrenningsovn siden bruk av termoforese er en egnet fremgangsmåte for å detektere lave partikkelkonsentrasjoner i varme gasser, i denne anvendelsen kan avgassens temperatur overstige 300°C. i et slikt system vil det generelt være større dimensjoner enn i det foregående eksempelet. Fortsatt er det nødvendig å plassere en sensor i de varme gassene atskilt fra den kaldere avgasskanalen. Sensoren må tilveiebringe en kjølig overflate, og det er fortsatt begrenset med plass tilgjengelig for eventuell plasskrevende isolasjon eller kjøleutstyr. Aktiv kjøling kan være dyrt og/eller være utilstrekkelig med tanke på størrelseskrav.

I mange anvendelser hvor termisk styring kreves for en aktiv komponent, dvs å holde komponenten ved en lavere temperatur enn de omgivende gassene, vil det være fordelaktig å isolere den fremspringende del av koblingsenheten gjennom den første regionen termisk.

I et annet eksempel kan termisk styring benyttes i prosessen for å forberede sensorflaten for gjenbruk, dvs regenerering av sensorflaten, f.eks. for langtidsovervåking av en bestemt filterstatus i et avgassystem for dieselmotorer. Partikler kan fjernes ved kremasjon, dvs ved å øke sensorflatens temperatur til over den omgivende temperatur, f.eks. over 600°C, som er nok til at partikler omdannes til aske. Å lede den nødvendige effekt gjennom sensoren og/eller sensorelektronikken vil trolig kreve så store effekter at sensorelementets kretser brennes av sammen med sot eller andre partikler.

En temperaturøkning i sensorområdet er påkrevet uten at temperaturen i kretsene økes til over deres smeltepunkt. Med andre ord bør en vesentlig del av den tilførte varmeenergien tilføres gjennom en sekundær varmevei; varmeskjoldet eller i dette tilfellet en varmeleder. Tilleggsvarme kan tilføres lokalt gjennom koblingsenheten til sensorområdet så lenge varmen ikke resulterer i en temperatur som overstiger grensene for sensoren og/eller elektronikken osv.

Et annet eksempel omfatter en bevegelig komponent som krever midlertidig bevegelse i et iset miljø, for eksempel et skip i Arktis, hvor sjøsprøyt og temperaturer under 0°C bygger lag av is på rigg og dekksutstyr.

Is vil hindre at bevegelige deler virker som de skal. Vann har en betydelig varmekapasitet, hvilket begrenser smelting til et minimum. Smelteprosessen kan åpenbart påskyndes og energiforbruket holdt på et minimum ved å varme komponenten lokalt. Dette kan oppnås ved å varme komponenten til en temperatur over 0°C.

Vanligvis brukes elektriske motstander av ulike typer til slike lokale oppvarmings-anvendelser. En elektrisk motstand sender ut varme når en elektrisk strøm går igjennom den, og kan generelt tilpasses den aktuelle anvendelsen på en enkel måte. Imidlertid må det tas spesielle hensyn når elektrisitet brukes i slike anvendelser, f.eks. å tilveiebringe nødvendig isolasjon for å sikre at ingen del av den elektriske kretsen er i kontakt med vann på noe tidspunkt. I områder med eksplosjonsfare kan bruk av elektrisitet være forbudt.

Med andre ord vil termisk styring av komponenten fra en region utenfor den kalde regionen, inkludert is, uten bruk av elektrisitet være svært fordelaktig i denne typen anvendelser. Særlig vil termisk styring med minimalt effekttap være fordelaktig.

Sarvar m fl gir i artikkelen "Thermal Interface Materials - A review of the state of the art", 1st Electronics Systemintegration Technology Conference, 2006.09.05 en oversikt over noen materialer for termisk isolasjon, termisk ledning osv, hovedsakelig til bruk i elektroniske kretser og komponenter. En rekke av disse materialene og teknikkene kan også brukes med den foreliggende oppfinnelsen.

Således er det et formål med den foreliggende oppfinnelsen å tilveiebringe termisk styring av komponent montert på en kobling, hvor komponenten, f.eks. en sensor eller bevegelig del, er anbrakt i en første termisk region og er termisk forbundet med en andre termisk region av koblingsenheten.

Ytterligere formål omfatter å frembringe en enkel og kostnadseffektiv konstruksjon med fokus på pålitelig og slitesterk virkemåte, med mulighet for enkelt å miniatyrisere det termiske styresystemet.

Bruksområder omfatter å frembringe effektiv partikkelavsetning ved termoforese, øke levetiden til en undersjøisk sensor og å øke påliteligheten og slitestyrken.

OPPSUMMERING AV OPPFINNELSEN

Dette formålet oppnås ved å tilveiebringe en anordning og fremgangsmåte for termisk styring av en komponent i en første region, hvor en koblingsenhet forbinder komponenten termisk til en andre varmeregion, hvor et termisk ledende varmeskjold omslutter koblingsenheten fra en posisjon i den første regionen i nærheten av komponenten til den andre regionen, og definerer et hulrom mellom koblingsenheten og varmeskjoldet, og at minst én varmeenhet er termisk koblet til minst én av varmeskjoldet og koblingsenheten i den andre regionen.

Når varme ledes inn i varmeskjoldet fra en varm omgivende første region, f.eks. varm gass, leder varmeskjoldet varmen mer effektivt enn mediet innkapslet av varmeskjoldet. Dermed vil varmen tendere mot å følge veien frembrakt av varmeskjoldet, dvs veien med lav termisk motstand, heller enn å spre seg gjennom det og trenge inn i den innkapslede regionen hvor en koblingsenhet skal holdes ved en lavere temperatur. Varmen fra varmeskjoldet avledes gjennom en passende varmeenhet, i dette tilfellet et varmesluk, på et egnet sted forbundet med den andre regionen i stedet for å varme den innkapslede regionen. Derved reduseres behovet for plasskrevende isolasjon vesentlig.

Når en varmeenhet i form av en varmekilde forsyner det termisk ledende varmeskjoldet med varme, f.eks. for kremering av avsatte partikler som drøftet ovenfor, ledes varmen gjennom koblingsenheten til komponentens plassering, i dette tilfellet en sensor. Varme stråles også til de omgivende forholdsvis kjøligere gassene, hvilket også bidrar til oppvarming av koblingsenheten med derav påfølgende oppvarming av sensorflaten. I en foretrukket utførelsesform har toppflaten av varmeskjoldet en parabolsk form som fokuserer strålingen mot sensorområdet.

En annen måte å varme komponenten i den første regionen på er å koble en varmekilde i den andre regionen til koblingsenheten, som leder varme til komponenten. Dette forutsetter at koblingsenhetens termiske konduktivitet er tilstrekkelig til å tilføre nok varmeenergi til komponenten. I dette tilfellet vil igjen varmeskjoldet skjerme koblingsenheten fra den første regionen, som nå er en kald region. Dette er en energieffektiv måte å varme komponenten til en ønsket temperatur på. Derved er det ikke nødvendig med elektrisk oppvarming, med tilhørende begrensninger i den første regionen som nevnt tidligere.

Når varmeskjoldet er anbrakt i en første region som er kaldere enn den andre regionen, f.eks. når varmeskjoldet er innesluttet i is, kan eventuell varme som utstråles fra koblingsenheten komme inn i varmeskjoldet fra innsiden. Hvis varmeskjoldet leder varme mer effektivt enn det omgivende medium, f.eks. is, blir igjen varmen ledet til et passende varmesluk. I dette tilfellet kunne varmen så att sæga regenereres til å varme koblingsenheten, i stedet for, for eksempel, å bli strålt bort eller brukt til å smelte is som ikke trenger å smeltes.

Disse og andre trekk og fordeler fremgår nærmere av de vedføyde patentkravene.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

Oppfinnelsen forstås bedre fra den følgende detaljerte beskrivelsen med henvisning til de vedføyde tegningene hvor like tall viser til tilsvarende, men ikke nødvendigvis like, deler, og hvor: Figur 1 er et perspektivriss av et varmeskjold og en koblingsenhetssammen-stilling

Figur 2 viser det indre av sammenstillingen i fig. 1.

Figur 3a, b er oppriss av sammenstillingen i fig. 1, sett 90° i forhold til hverandre.

Figur 4 er et grunnriss av sammenstillingen i de foregående figurene

Figur 5 viser et snitt langs linjen A-A i fig 4.

Figur 6 a-c er skjematiske riss av en første utførelsesform

Figur 7 a-c er skjematiske riss av en andre utførelsesform

Figur 8 er et skjematisk riss som viser konveksjon i et varmeskjold

Figur 9 a, b er skjematiske riss av en tredje utførelsesform

Figur 10 er et skjematisk riss av en utførelsesform med ekstra støtte

Figur 11 er et perspektivriss av utførelsesformen i figur 10

Figur 12 er et forstørret snitt av en detalj i figur 2

Heretter brukes de spesifiserte delnavnene som definert i TABELL 1.

Som drøftet ovenfor er det noen ganger behov for termisk styring av en komponent i en første region når f.eks. en temperturgradient er påkrevet eller når en komponents temperatur må styres effektivt.

Figurene 1 -5 illustrerer en foretrukket utførelsesform gjennom flere riss og snitt sett fra ulike vinkler. Komponenten som skal styres termisk representeres ved 120, og er montert på eller er en del av en koblingsenhet 110. Et termisk ledende varmeskjold 130 omslutter koblingsenheten 110 opp til, men ikke inkludert, overflatene av komponenten 120 som det kreves skal eksponeres for den første regionen.

Delen vist til ved 220 i figur 1 er et tilpasningsstykke som enten kan være en termisk leder eller isolator i konteksten termisk styring og i denne beskrivelsen. Hovedformålet med tilpasningsstykket 220 er å forbinde koblingsenheten 110 med varmeskjoldet 130 mekanisk og/eller å tilveiebringe en tetning som skiller den første regionen fra det indre av varmeskjoldet. I andre sammenhenger har delene som representeres ved tallet 220 gjennom beskrivelsen, patentkravene og tegningene ulike funksjoner som å feste eller forsegle en del til en annen, f.eks. varmeskjoldet 130 til koblingsenheten 110 eller være en del av en konstruksjon for tilpasning til ulike termiske ekspansjonskoeffisienter. Deler kan tilveiebringes for å tillate ulik termisk utvidelse av ulike materialer, og for dette formål være f.eks. en elastomer, et ark keramisk papir eller et lite gap. Generelt kan en isolator, eller mer presist et element med lav termisk konduktivitet, med hensikt settes inn mellom elementer for å redusere termisk strømning, f.eks. mellom varmeskjoldet og koblingsenheten. For enkelhets skyld er imidlertid deler som virker som termiske motstander i konteksten termisk styring kollektivt vist til ved tall 210, uavhengig av sine andre funksjoner som festemidler, pakninger, tilpasninger for termisk ekspansjon, lokk, andre strukturelle elementer osv.

Den første regionen kan være det indre av en kanal eller en beholder for et varmt eller kaldt strømmende eller stasjonært fluid der komponenten 120 er satt inn. For illustrasjonsformål viser figurene en del av en kanalvegg 200 som skiller de første og andre termiske regionene, i figurene er således den første regionen ganske enkelt området over kanalveggen 200, og den andre regionen er området under kanalveggen 200. Det skal imidlertid forstås at komponenten 120 som skal styres termisk kan være innesluttet i et fast stoff, f.eks. is eller en legering. I dette tilfellet er det ikke behov for en fysisk vegg 200. Videre vil en fysisk beholder eller kanal åpenbart ha en strukturell konstruksjon og en termisk gradient som skiller de første og andre regionene. Ettersom denne strukturen og temperaturgradienten er irrelevant for den foreliggende beskrivelsen er den helt enkel ikke vist.

Figurene 6a-c er skjematiske riss av ulike utførelsesformer hvor varmeskjoldet 130 er åpent mot den andre regionen. Dette er kun ment å indikere at det omgivende fluid kan tilveiebringe tilstrekkelig termisk isolasjon mellom koblingsenheten 110 og varmeskjoldet 130.1 noen anvendelser vil dette omgivende fluidet være luft eller en annen gass. Imidlertid kan ethvert omgivende fluid komme inn i hulrommet inne i det åpne varmeskjoldet i figurene 6a-c. For eksempel nevnes en oljefeltanvendelse i innledningen hvor en komponent 120 kan være anbrakt i fluid, representert ved den første regionen, med et trykk på flere hundre bar. Et typisk brønnverktøy, representert ved den andre regionen, kan være fylt med en ren væske, f.eks. mineralolje. Den rene mineraloljen vil være mekanisk isolert fra den omgivende oljebrønnen, mens trykket kan være eller ikke være balansert mot trykket i de omgivende fluidene. Væsken inne i brønnverktøyet (andre region) vil ha lav kompressibilitet og forventes å tilveiebringe tilstrekkelig termisk isolasjon for formålene i den konkrete anvendelsen av den foreliggende oppfinnelsen.

I figur 6a deler koblingsenheten 110 og varmeskjoldet 130 en varmeenhet 300, som kan være et varmesluk eller en varmekilde avhengig av anvendelsen, som varmer eller kjøler komponenten. En termisk motstand 210 vises mellom varmeskjoldet 130 og kanalveggen 200 for å indikere at varme ikke nødvendigvis strømmer effektivt til kanalveggen 200 i alle anvendelser. Faktisk kan kanalveggen mangle i noen anvendelser. Dette er tilfellet når varmeskjoldet er innkapslet i is.

Av hensyn til klarhet er den termiske motstanden 210/tilpasningsstykket 220 vist i fig 1 og flere andre termiske motstander og/eller tilpasninger utelatt fra de skjematiske rissene i figurene 6a-9b. I en fysisk utførelsesform kan deler imidlertid være sammenføyet med et bindemiddel eller kreve midler for å tillate forkjeller i termisk ekspansjonskoeffisient, som begge kan innføre termisk motstand. Se også beskrivelsen av figur 1.

Figur 6b illustrerer en kombinasjon der koblingsenheten 110 og varmeskjoldet 130 er forbundet med separate varmeenheter 300 og 301. Hver av varmeenhetene 300, 301 kan være et varmesluk eller en varmekilde. I eksempelet med en frosset del i et iset miljø fra innledningen, ville varmeenheten 301 forbundet med koblingsenheten 301 forbundet med koblingsenheten 110 være en varmekilde som frembringer varme for å smelte isen rundt komponenten 120, og varmeenheten 300 forbundet med varmeskjoldet 130 ville være et varmesluk for å lede bort over- skuddsvarme for å forhindre utilsiktet og energikrevende smelting av is. Hvis mediet eller mangelen på medium (vakuum) innesluttet av varmeskjoldet 130 er transparent for varmestråling (IR), kan de indre overflatene overflatebehandles for å redusere varmetransport mellom dem ved stråling, f.eks. ved å polere dem til å bli reflekterende.

Figur 6c viser et spesialtilfelle av figur 6b, der kanalveggen 200 dublerer som varmeenhet 300 for varmeskjoldet 130.1 eksempelet med en sotsensor fra innledningen ville komponenten 120 være sensorområdet som må holdes 50-70°C under avgassenes~300°C. Den første regionen ville være innsiden av eksosrøret, eller strengt tatt regionen hvor sensorelementet 120 er innført i gasstrømmen i avstand fra eksosrørets vegg. Den andre regionen ville være den generelle regionen fra eksosrøret og radialt utover fra det. I dette eksempelet ville varmeenheten 301 være et varmesluk for å kjøle komponenten 120 i stedet for en varmekilde for å varme komponenten som i det foregående eksempelet. Eksos-røret, representert ved kanalveggen 200, kan være et utmerket varmesluk 300 for varmeskjoldet 130, fordi:

a) det typisk har en temperatur godt under temperaturen i avgassene, f.eks. 120°C mot den første regionens 300°C, b) eksosrøret har stor varmekapasitet sammenlignet med sensorsammen-stillingen 110,120, c) varmen fra eksosrøret 200, 300 enkelt ledes inn i den andre regionen, f.eks. omgivende luft og nærliggende metalldeler.

Figurene 7a-c viser konfigurasjoner som tilsvarer dem i figurene 6 a-c henholdsvis, men hvor varmeskjoldet i figur 7 er lukket mot den andre regionen. Det indre er typisk evakuert for å danne et vakuum. Veggene inne i hulrommet er typisk polert for å være reflekterende. Både vakuumet og de reflekterende overflatene gir en reduksjon av varmeoverføring mellom varmeskjoldet og koblingsenheten.

Nærmere bestemt illustrerer figur 7a en konfigurasjon med lav termisk motstand mellom koblingsenheten 110 og varmeskjoldet 130, mens figurene 7b og 7c viser en termisk motstand eller isolator mellom koblingsenheten 110 og varmeskjoldet 130. Som nevnt kan et tilpasningsstykke 220 eller en termisk motstand eller isolator 210 være til stede mellom koblingsenheten og varmeskjoldet i den øvre delen av de skjematiske rissene inkludert figurene 6a-9b. Slike tilpasningsstykker, motstander eller isolatorer er bare ikke vist i de skjematiske figurene.

Som drøftet i forbindelse med figur 6 kan varmeskjoldet være fylt med en gass eller en væske. Figur 8 er ment å illustrere at fluidet kan sirkuleres inne i hulrommet til varmeskjoldet 130 når det kreves. Sirkulasjonen kan frembringes av en pumpe (ikke vist) som sirkulerer fluid, f.eks. en vifte som sirkulerer luft i en åpen konfigurasjon som vist i figurene 6a-c eller en pumpe som sirkulerer væske i en lukket konfigurasjon som vist i figurene 7a-c. Grensebetingelser ved koblingsenheten 110 og varmeskjoldet 130 kan også forårsake naturlig konveksjon i hulrommet, dvs et sirkulerende fluid uten eksterne mekaniske rør eller pumper. Når konfigurasjonen er lukket, er det viktig at ikke for mye varme akkumuleres i det sirkulerende fluidet, og det er derfor viktig å fjerne overskuddsvarmen til den andre regionen, f.eks. ved å kjøle det nedre lokket 220 i figur 7a.

Det skal forstås at sirkulasjonen kan være i motsatt retning av den som vises i figur 8, dvs inn i hulrommet nær koblingsenheten 110 og i retning utover langs varmeskjoldet 130. Dette kan være fordelaktig når målet er å kjøle koblingsenheten 110.

Det skal også forstås at fluidet kan forbli i hulrommet. I dette tilfellet ville et eksternt varmesluk typisk være tilveiebrakt for å kjøle det sirkulerende fluidet når det passerer bunnlokket i figur 8, og bunnveggen ville fortrinnsvis være en god varmeleder i stedet for isolatoren vist i figur 8.

Figurene 9a, b illustrerer at det indre av varmeskjoldet kan være et medium i enhver fase, inkludert faste eller kornete media. Krav om et faststoffmedium kan være etterspurt fra et strukturelt mekanisk synspunkt for å motstå store mekaniske laster. Hvis f.eks. temperaturen i den første regionen varierer i tid eller er transient, kan det indre være fylt med et mekanisk sterkt fast stoff eller kornformet medium med stor varmekapasitet, f.eks. titan. Dvs at en stor, men kortvarig temperatur- endring i den første regionen kun i liten grad vil påvirke den absolutte temperaturen i det innkapslede mediet. Figurene 10 og 11 viser utførelsesformen i figurene 1-5 med en støtte 140 anbrakt mellom koblingsenheten 110 og varmeskjoldet 130 for å gi mekanisk stabilitet eller stivhet til strukturen. Det innses enkelt at flere slike støtter kan anbringes om det er nødvendig. Figur 12 er et forstørret riss av varmeskjold/koblingsenhet-sammenstillingen. Spesielt synes tilpasningsstykket 220 mellom koblingsenheten 110 og varmeskjoldet 130.

Hvis det er ønskelig at temperaturen ved komponenten er stabil, vil et medium med stor varmekapasitet virke som en fremgangsmåte til å styre og redusere temperaturfluktuasjoner inne i komponenten.

Fra drøftingen ovenfor bør det være klart at enhver kombinasjon av et varmeskjold 130 åpen eller lukket mot en omkringliggende andre region, fylt med luft, en annen gass, væske, et fast stoff eller kornformet materiale kan brukes i ulike anvendelser. Enhver av disse kombinasjonene kan videre konfigureres med et varmeskjold 130 forbundet med et varmesluk eller en varmekilde 300, 301. Varmesluket 300, 301 kan være, men må ikke være, varmesluket 300, 301 som leder bort varme fra en koblingsenhet 110, eller varmekilde 300, 301 som tilfører varme til en koblingsenhet 110 og/eller et varmeskjold 130. Enhver av disse variantene kan i sin tur kombineres med en hvilken som helst koblingsenhet 110 og komponent 120 som skal styres termisk. Videre velges mediet inne i varmeskjoldet 130 vanligvis for å unngå varmeoverføring mellom koblingsenheten 110 og varmeskjoldet 130, men kan velges for å begrense termisk utveksling mellom koblingsenheten 110 og varmeskjoldet 130. Elementer 210 og 220 med forskjellig termisk konduktivitet fra nærliggende elementer kan være påkrevet mellom hvilke som helst elementer i strukturen, f.eks. for å kompensere for forskjeller i termisk utvidelse. Overflatebehandling kan brukes til å minimere varmeoverføring mellom koblingsenheten 110 og varmeskjoldet 130, f.eks. kan det skapes reflekterende flater. Det er åpenbart anvendelsen som bestemmer den eksakte utførelsesformen av oppfinnelsen.

Det vises på nytt til sotsensoren fra innledningen, hvor avgasser fra en typisk dieselmotor kan ha en gasstemperatur på omkring 300°C. Eksosrørets vegg-temperatur kan være relativt kald på omkring 60-120°C. Således kan eksosrøret, eller mer generelt strømningskanalen 200 være et utmerket varmesluk som illustrert av figurene 6c, 7c og 9b. Imidlertid kan et elastisk element, f.eks. et tilpasningsstykke 220, være påkrevet mellom varmeskjoldet 130 og eksosrøret, og derved innføre en termisk motstand eller virke som en termisk isolator 210 mellom varmeskjoldet 130 og kanalveggen 200 som fremstilt i flere av de skjematiske figurene 7a-9b.

Varmerør gir god ytelse ved termisk styring, men virkningen er begrenset til et smalt temperaturområde. Utenfor varmerørenes temperaturområde vil varmeoverføringen ikke være særlig effektiv. Forskjellige termiske ekspansjonskoeffisienter til forskjellige materialer i strukturen, dvs mistilpasset CTE (Coefficient of Thermal Expansion) kan innføre pålitelighetsproblemer når varmerørstrukturer brukes i systemer med store temperaturgradienter. I motsetning til dette virker det foreslåtte konseptet for termisk styring over et svært bredt temperaturområde, og uheldige effekter av mistilpasset CTE kan reduseres vesentlig.

Å inneslutte koblingsenheten med et tradisjonelt termisk isolasjonsmateriale uten å forbinde det med en fjerntliggende varmeenhet kan tilveiebringe den nødvendige termiske isolasjonen for koblingselementet for en tidsavhengig eller transient temperaturlast. Dette er en plasskrevende løsning sammenlignet med det foreslåtte konseptet for termisk styring. I mange anvendelser hvor plassen er begrenset er det ikke plass til tradisjonell isolasjon.

Det finnes anvendelser hvor en høy termisk konduktivitet i koblingselementet i seg selv ikke tilveiebringer adekvat termisk kontroll og avansert termisk styring og hvor det er behov for den foreslåtte oppfinnelsen.

En komponent i direkte termisk kontakt med en koblingsenhet laget av et materiale med god termisk konduktivitet kan gi god ytelse ved termiske styring i noen anvendelser. Hvis denne løsningen er uskjermet og stikker inn i en første region, vil temperturgradienten inne i koblingsenheten være skarp og plassert nær kanalveggen som drøftet tidligere. Denne løsningen kan også innføre pålitelighetsproblemer ved mistilpasset CTE. Sett fra dette synspunktet kan varmeskjoldet i det foreslåtte konseptet for termisk styring festes til en koblingsenhet av ethvert materiale, såfremt konstruksjonen tilveiebringer en tilpasning mellom termiske ekspansjonskoeffisienter eller et materiale for å utbalansere termiske ekspansjonskoeffisienter som ikke er tilpasset hverandre, f.eks. ved et tilpasningsstykke 220. Et tilpasningsstykke 220 med termiske isolasjonsegenskaper vil virke, og kan konstrueres for å unngå mistilpassete termiske ekspansjonskoeffisienter.

Det foreslåtte konseptet for termisk styring tilveiebringer en pålitelig løsning hvor kontaktområdet ved sammenkoblingen mellom varmeskjoldet og komponenten og/eller koblingsenheten kan være liten eller til og med utelatt fra konstruksjonen. Påvirkningen fra mistilpasset CTE vil avta med redusert kontaktområde og lengde. Dette konseptet vil derfor tilveiebringe et levedyktig valg som minimerer, eller til og med eliminerer, påvirkningen fra manglende CTE-tilpasning med en passende konstruksjon basert på denne oppfinnelsen.

Et sensorelement, representer ved komponent 120, laget av f.eks. alumina, kan ha utilstrekkelig termisk konduktivitet til å styre sensorelementets temperatur, som f.eks. er plassert på tuppen av en koblingsenhet og er stukket inn i en første region. Komponenten representeres av en koblingsenhet 110 i figurene for en anvendelse av interesse, f.eks. sotsensor-anvendelsen.

En andre varmevei i form av et varmeskjold 130 er tilveiebrakt og forbundet med et passende eksternt varmesluk 300. Varme i nærheten av sensorelementet vil tendere til å ledes bort gjennom varmeskjoldet hvor varmeskjoldets høye termiske konduktivitet tilveiebringer en termisk vei med lav termisk motstand sammenlignet med de alternative veiene; koblingsenhet, et medium omsluttet av varmeskjoldet 130 eller tilbake til den første regionen. I dette tilfellet lages varmeskjoldet av en god termisk leder, f.eks. kobber, stål eller et annet materiale med høy termisk konduktivitetskoeffisient (CTC - Coefficient of Thermal Conductivity). Det vesentlige er at varmeskjoldet har en relativt høy CTC og tilbyr en vei med lav termisk motstand sammenlignet med de andre mediene i systemet, f.eks. den første regionen, koblingsenheten 110 og varmeskjoldets indre.

En koblingsenhet 110 og en komponent 120 laget av f.eks. alumina kombinert med et metallisk varmeskjold 130 innfører mistilpasning som skyldes forskjellige termiske ekspansjonskoeffisienter. For å kompensere for dette, kan en elastisk pakning, et keramisk papir eller et gap tilveiebringes mellom de forskjellige materialene. Tilpasningsstykket kan lages av et mykt materiale og være termisk ledende, hvilket reduserer mistilpasningen som skyldes forskjellige CTE, men som leder varme. Dette kan føre til at en ønsket termisk isolator eller motstand 210 mellom elementene ikke blir innført som vist i fig. 1, dvs et tilpasningsstykke 220 med lav termisk konduktivitet. Det innses at varme fortsatt vil ledes inn i varmeskjoldet 130 og ledes bort som beskrevet ovenfor, siden varmen vil transporteres hovedsakelig langs veien med lavest termisk motstand. Å forbinde varmeskjoldet 130 til et passende varmesluk 300 og koblingsenheten 110 til et annet passende varmesluk 301 er tilstrekkelig til å kjøle komponenten for å oppnå det påkrevde temperaturfallet på f.eks. 50-70°C som er nødvendig i sotsensor-eksempelet.

I eksempelet der varme trengs ved overflaten av en sotsensor for å brenne av avsatt sot og regenerere sensoren, kan den mekaniske strukturen til sensoren og varmeskjoldsammenstillingen være tilsvarende den som er beskrevet i det foregående eksempelet og vist i figurene 1-5.

I dette eksempelet er oppgaven å øke temperaturen ved sensorens overflate i stedet for å senke den. Energien (varmen) som kreves for å øke temperaturen med, for eksempel, 300-400°C til totalt 600-700°C er sannsynligvis for mye til at den kan tilføres gjennom kretsene koblet til koblingsenheten 110.

Ved å tilveiebringe ytterligere varme gjennom en sekundær varmevei, representert ved et termisk ledende varmeskjold 130, fra en ekstern varmekilde 300 kan temperaturen i nærheten av varmeskjoldet økes, dvs varme koblingsenheten 110 nær komponenten 120 og/eller varme komponenten 120 direkte. Varme kan også tilføres fra en varmekilde 301 forbundet med koblingsenheten 110 for å oppnå den påkrevde overflatetemperaturen på sensoren.

Endelig, tilbake til eksempelet på et varmeskjold innesluttet i is, tilføres varme fra en varmekilde 301 gjennom en koblingsenhet 110 til en komponent 120 for å smelte is i nærheten av komponenten 120.

Varme fra en "varm" koblingsenhet kan ledes inn i varmeskjoldet fra innsiden som stråling eller gjennom en metallisk kobling mellom koblingsenheten 110 og varmeskjoldet 130. Derfor vil en reflekterende overflate på varmeskjoldet 130 redusere overføringen av varme ved stråling, og derved redusere energiforbruket, smelte-tiden og kostnader. Hvis varmeskjoldet 130 leder varme mer effektivt enn det omkringliggende medium, f.eks. is, kan en hoveddel av overskuddsvarmen igjen ledes til et passende varmesluk og bli gjenbrukt. Derved blir minst mulig is smeltet, og en minimal mengde varme kreves. Med andre ord tapes en minimal mengde energi. I dette tilfellet kunne varmen blitt brukt til å varme koblingsenheten 110 i stedet for å bli strålt bort eller bli brukt til å smelte is som ikke trenger å smeltes.

Selv om den foreliggende oppfinnelsen er beskrevet i forbindelse med visse foretrukne utførelsesformer, er andre utførelsesformer som er nærliggende for fagfolk på området også innenfor oppfinnelsens patentvern. Følgelig er oppfinnelsens vern definert kun ved referanse til de vedføyde patentkravene. Mens varianter er beskrevet og vist, skal det forstås at disse variantene kun er eksempler på den foreliggende oppfinnelsen, og ikke på noen måte er ment å være begrensende.

REFERANSER

[1] Messerer m fl. "Thermophoretic deposition of soot aerosol particles under experimental conditions relevant for modem diesel engine exhaust gas systems", Journal of Aerosol Science, april 2003.

Claims (11)

1. Anordning for termisk styring av en komponent (120) i en første region, hvor en koblingsenhet (110) forbinder komponenten (120) termisk til en andre varmeregion,karakterisert vedat et termisk ledende varmeskjold (130) omslutter koblingsenheten (110) fra en posisjon i den første regionen i nærheten av komponenten (120) til den andre regionen, og definerer et hulrom mellom koblingsenheten (110) og varmeskjoldet (130), og at minst én varmeenhet (300, 301) er termisk koblet til minst én av varmeskjoldet (130) og koblingsenheten (110) i den andre regionen.

2. Anordning i følge krav 1, hvor minst én varmeenhet (300, 301) er et varmesluk.

3. Anordning i følge krav 1, hvor minst én varmeenhet (300, 301) er en varmekilde.

4. Anordning i følge krav 1, hvor det indre av varmeskjoldet (130) står i fluidforbindelse med den andre regionen.

5. Anordning i følge krav 1, videre omfattende midler til å sirkulere fluid i hulrommet mellom varmeskjoldet (130) og koblingsenheten (110), hvorved varme fjernes fra hulrommet.

6. Anordning i følge krav 1, hvor varmeskjoldet har en termisk konduktivitet som er større enn den termiske konduktiviteten til mediet inne i varmeskjoldet (130).

7. Anordning i følge krav 1, videre omfattende en reflekterende overflate på minst én av koblingsenheten (110) og varmeskjoldet (130)

8. Fremgangsmåte for termisk styring av en komponent (120) i en første region hvor en koblingsenhet forbinder komponenten (120) termisk med en andre varmeregion,karakterisert ved å tilveiebringe en andre varmevei (130) som omslutter den første varmeveien (110) fra en posisjon i den første regionen nær den termisk styrte komponenten (120) til den andre regionen, og definerer et hulrom mellom den andre varmeveien (130) og den første varmeveien (110), og ved å tilveiebringe en termisk forbindelse mellom minst én av den første varmevei (110) og den andre varmevei (130) til minst én varmeenhet (300, 301) i den andre regionen.

9. Fremgangsmåte i følge krav 8, videre omfattende å sirkulere et fluid i hulrommet mellom den første (110) og andre (130) varmevei.

10. Fremgangsmåte i følge krav 8, videre omfattende å minimere varmeoverføring mellom varmeveiene (110,130).

11. Fremgangsmåte i følge krav 8, videre omfattende å styre temperaturen til minst én varmeenhet (300, 301).