ТЕПЛОВАЯ ТРУБА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 1998 года по МПК F28D15/02 B64G1/50 

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для термостатирования объектов на борту космических аппаратов (КА).

Известны тепловые трубы (ТТ), содержащие частично заполненный жидким теплоносителем герметичный корпус с капиллярно-пористой структурой в виде продольных канавок на внутренней поверхности корпуса, имеющие испарительную и конденсационные зоны (см. "Низкотемпературные тепловые трубы для летательных аппаратов" под ред. Воронина Г.И.- М.: Машиностроение, 1976, с. 104 - 109).

Известные ТТ работают следующим образом. При подводе тепла к зоне испарения происходит испарение жидкости в канавках. Пар перемещается по внутреннему пространству трубы к зоне конденсации, где тепло отводится, и там конденсируется. Конденсат по канавкам возвращается к зоне испарения, обеспечивая непрерывность процесса передачи тепла.

Аналогичные ТТ приведены в книгах:
1. "Технологические основы тепловых труб". Ивановский М.Н., Сорокин В.П. и др. - Атомиздат, 1980, с. 25-26.

2. Алексеев В.А., Арефьев В.А. Тепловые трубы для охлаждения и термостатирования радиоэлектронной аппаратуры - Энергия, 1979, с. 114-115.

Наиболее близким по технологической сути к предлагаемому изобретению (прототипом) являются ТТ описанные в книге Чи С. "Тепловые трубы: Теория и практика" перевод с англ. Сидорова В.Я. - М.: Машиностроение, 1981, с. 65.

К недостатку известных ТТ при использовании их на КА (т.е. при работе в условиях невесомости) следует отнести снижение эффективности (увеличение перепада температур между зонами испарения и конденсации), связанную с блокированием избыточным жидким теплоносителем части зоны конденсации. Это особенно характерно для ТТ, у которых общая длина значительно больше длины зоны конденсации.

Практически все ТТ, входящие в состав КА, перезаправлены, т.е. доза теплоносителя превышает необходимую для конкретных внутренних геометрических размеров профиля. Это связано с тем, что расчетная доза заправки теплоносителем определяется для профиля с максимальным отклонением размеров канавок в поперечном сечении от номинала. Такой подход к определению дозы заправки с одной стороны гарантировано не дает недозаправить ТТ, но с другой - приводит к тому, что практически все ТТ в той или иной степени перезаправляются. При работе в условиях силы тяжести незначительная перезаправка практически не сказывается на характеристиках ТТ, поскольку избыточная жидкость собирается в донной части и выводит из нормальной работы 2-3 канавки из 30-40. При работе в невесомости избыток теплоносителя собирается в конце зоны конденсации и образует жидкостную пробку, т.е. избыток жидкости блокирует зону конденсации и на последней возникает значительный градиент температур, аналогичный тому, который появляется в присутствии неконденсирующегося газа. В результате эффективная длина зоны конденсации уменьшается и тем самым ухудшаются характеристики ТТ (см. кн. Дан П.Д., Рей Д.А. "Тепловые трубы" пер. с англ.: - М.: Энергия, 1979 г., стр. 104).

Цель изобретения заключается в повышении эффективности ТТ путем уменьшения перепада температур в зоне конденсации.

Указанная цель достигается тем, что граница зоны конденсации отстоит от торца на расстоянии, не менее чем определяемое формулой

где l - расстояние от торца тепловой трубы до начала границы зоны конденсации;
n - количество продольных канавок;
L_ТТ - длина тепловой трубы;
S_max - площадь поперечного сечения одной канавки при отклонении размеров канавок в большую сторону в пределах допуска;
S_min - площадь поперечного сечения одной канавки при отклонении размеров канавок в меньшую сторону в пределах допуска;
d_n,min - минимальный диаметр парового канала.

Это условие соответствует тому, что излишек жидкого теплоносителя, возникающий из-за технологических разбросов размеров продольных канавок, гарантировано находился вне зоны конденсации ТТ.

Из известных заявителю источников информации отличительные признаки заявленного объекта в подобных сочетаниях не обнаружены, а следовательно, не проявляет тех же свойств, что и в заявленном устройстве.

На фиг. 1 изображена ТТ; на фиг. 2 - поперечный разрез канавки (для примера прямоугольной).

ТТ содержит герметичный, частично заполненный жидким теплоносителем корпус 1, внутри которого располагается капиллярно-пористая структура в виде продольных канавок 2, зоны испарения 3, транспорта 4 и конденсации 5, которая расположена на расстоянии 6 от конца ТТ.

Предлагаемая ТТ работает следующим образом.

При подводе тепла к зоне испарения 3 происходят испарения жидкости в канавках. Пар перемещается по внутреннему пространству ТТ к зоне конденсации 5, где тепло отводится, и там конденсируется. Под давлением пара конденсат вытесняется за пределы зоны конденсации 5 в конец трубы 6, часть конденсата по канавкам 2 возвращается к зоне испарения 3, обеспечивая непрерывность процесса передачи тепла.

Однако канавки профиля, из которого изготавливают профили, имеют технологический разброс на размеры, достигающий до ±0,2 мм в зависимости от способа изготовления канавок (ТУ1-809-21-88). Поэтому ТТ заполняют жидким теплоносителем с небольшим избытком относительно количества, необходимого для насыщения фитиля (см. Дан П.Д., Рей Д.А. "Тепловые трубы" перевод с англ. - М. : Энергия, 1979, с. 104), т.к. недолив теплоносителя приводит к уменьшению передаваемой мощности (см. "Тепловые трубы: теория и практика", перевод с англ. Сидорова В.Я.- М.: Машиностроение, 1981, с. 177).

Как было уже сказано, чтобы избежать недолива теплоносителя, необходимо заправлять в ТТ столько жидкости, чтобы заполнить канавки при отклонении размеров канавок в большую сторону в пределах допуска.

Площадь поперечного сечения канавки при максимальном отклонении размеров в пределах допуска составляет (фиг. 2)
S_max = A_max • H_max.

Площадь поперечного сечения канавки при минимальном отклонении размеров в пределах допуска составляет (фиг. 2)
S_min = A_min • H_min
Разница этих проходных сечений определяет максимальный избыток жидкого теплоносителя, который собирается при работе ТТ в зоне конденсации. Объем этого избыточного теплоносителя (V) по всей длине ТТ (L_ТТ) с учетом количества (N) канавок составляет
4•V = (S_max-S_min) • N • L_ТТ.

Этот объем избыточного теплоносителя в цилиндрической ТТ может создать (при минимальном диаметре парового канала d_n,min) жидкостную пробку, которая блокирует часть зоны конденсации длиной

или

Из приведенных рассуждений следует, что концевая часть ТТ в любом случае (кроме того, когда ТТ изготовлена из профиля с максимальными допусками на канавку) при работе в невесомости будет частично заблокирована жидким теплоносителем и выведена из процесса теплоотдачи.

Смещение зоны конденсации от конца ТТ на расстояние, определенное по предлагаемой формуле, гарантировано позволяет избежать блокирования зоны конденсации избытком жидкого теплоносителя при работе ТТ в невесомости, который возникает за счет технологических разбросов размеров канавок.

В обратимых ТТ (т.е. когда зона испарения и конденсации в процессе работы могут меняться местами) зона испарения по той же логике должна быть отодвинута от края на расстояние, определяемое по той же предлагаемой формуле.

В качестве примера приведена ТТ, изготовленная из профиля со следующими геометрическими размерами:
длина ТТ L_ТТ = 2,5 м;
длина зоны испарения L_и = 0,3 м;
длина зоны конденсации L_к = 0,3 м;
ширина канавки A = 0,6 ± 0,05 мм;
глубина канавки H = 1,0 ± 0,05 мм;
минимальный диаметр парового канала d_n,min = 10 ± 0,05 мм;
количество продольных канавок n = 36.

S_max = A_max • H_max = 0,65 • 1,05 = 0,6825 мм²;
S_min = A_min • H_min = 0,55 • 0,95 = 0,5225 мм²;

Анализ расчетов показывает, что если зону конденсации не сдвинуть на 185 мм, то при неблагоприятном стечении допусков 60% длины зоны конденсации будет заблокировано теплоносителем. При больших допусках на размеры канавок и внутреннего размера ТТ возможна полная блокировка зоны конденсации жидким теплоносителем и выход ТТ из строя.

Таким образом, при реализации предлагаемого изобретения сохраняются все преимущества ТТ с продольными канавками на внутренней поверхности при значительном улучшении ее эффективности за счет удаления избытка жидкости из зоны конденсации.

Использование: в области теплотехники для термостатирования объектов на борту космических аппаратов. Сущность изобретения: тепловая труба выполнена с границей зоны конденсации, отстоящей от торца на расстоянии, не менее чем определяемом формулой

где l - расстояние от торца тепловой трубы до начала границы зоны конденсации, n - количество продольных канавок; L_TT - длина тепловой трубы; S_max - площадь поперечного сечения одной канавки при отклонении размеров канавок в большую сторону в пределах допуска; S_min - площадь поперечного сечения одной канавки при отклонении размеров канавок в меньшую сторону в пределах допуска; d_n,min - минимальный диаметр парового канала. При таком выполнении тепловой трубы излишек жидкого теплоносителя, возникающий из-за технологических разбросов размеров продольных канавок, гарантировано находится вне зоны конденсации тепловой трубы. 2 ил.

Тепловая труба космического аппарата с зонами испарения и конденсации на концах, содержащая частично заполненный теплоносителем герметичный корпус с капиллярно-пористой структурой в виде продольных канавок на внутренней поверхности, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности, граница зоны конденсации отстоит от торца на расстоянии, не менее чем определяемом формулой

где l - расстояние от торца тепловой трубы до начала границы зоны конденсации;
n - количество продольных канавок;
L_тт - длина тепловой трубы;
S_max - площадь поперечного сечения одной канавки при отклонении размеров канавок в большую сторону в пределах допуска;
S_min - площадь поперечного сечения одной канавки при отклонении размеров канавок в меньшую сторону в пределах допуска;
d_n,min - минимальный диаметр парового канала.