ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2009 года по МПК B64G1/50 F28D15/04 

Изобретение относится к космической технике, в частности к системам обеспечения требуемого теплового режима телекоммуникационных спутников, и создано авторами в порядке выполнения служебного задания.

Известны теплопередающие устройства, описанные в авторском свидетельстве СССР №823811 [1] и в патенте США №6227288 [2]. В этих устройствах избыточное тепло от работающих приборов подводится к испарителю, к торцу корпуса которого непосредственно прикреплен корпус гидроаккумулятора.

В испарителях известных устройств происходит вскипание (испарение) низкокипящего теплоносителя (например, аммиака) и поглощение избыточного тепла. При этом пары теплоносителя в результате наличия напора капиллярного насоса испарителя движутся в каналы конденсатора, встроенного в конструкцию радиатора. Там они превращаются в жидкую фазу с выделением избыточного тепла, которое передается конструкции радиатора и излучается с его поверхности в космическое пространство. После этого жидкая фаза теплоносителя в результате наличия напора капиллярного насоса подается на вход его и пропитывает капиллярную структуру капиллярного насоса испарителя.

При работе устройства требуемая рабочая температура прибора определяет температуру кипения (испарения) теплоносителя в испарителе, в свою очередь определяющую давление паров теплоносителя на входе в капиллярный насос и, следовательно, давление в парогазовой зоне гидроаккумулятора. В известном устройстве [2] гидроаккумулятор гидравлически и в тепловом отношении непосредственно связан с испарителем и в начальный момент эксплуатации устройства в космическом пространстве давление паров в гидроаккумуляторе в результате соответствующей тепловой связи гидроаккумулятора с испарителем таково, что согласуется с требуемой рабочей температурой прибора.

Однако в процессе работы устройства в условиях космического пространства под воздействием ионизирующего излучения теплоноситель частично изменяет свою химическую структуру с выделением неконденсирующегося газа (например, водорода), который в известных устройствах постепенно накапливается в гидроаккумуляторе, в результате чего давление парогазовой смеси в гидроаккумуляторе будет повышаться и, следовательно, будет повышаться давление на входе в испаритель и температура испарения теплоносителя, обуславливающая возрастание температуры прибора выше требуемой рабочей температуры при выделении им избыточного тепла той же величины, что и было в начале эксплуатации (т.е. для использования известного устройства на начальном этапе эксплуатации температура прибора должна поддерживаться ниже требуемой рабочей температуры - это означает, что должен быть предусмотрен радиатор с увеличенной площадью с соответствующим повышением массы устройства).

Кроме того, возрастание температуры испарения (кипения) в испарителе само по себе дополнительно увеличивает давление парциальных паров теплоносителя в парогазовой зоне гидроаккумулятора и, следовательно, на входе в капиллярный насос испарителя.

Таким образом, общим существенным недостатком известных устройств является постепенное с течением времени постоянное возрастание температуры прибора до предельной рабочей температуры и выше в результате постепенного во времени постоянного возрастания давления парогазовой смеси в полости гидроаккумулятора в условиях эксплуатации космического пространства. Кроме того, в известных устройствах конденсация поступающих из испарителя в полость гидроаккумулятора паров теплоносителя и концентрация выделившихся неконденсирующих газов осуществляется в капиллярной системе - в системе фитилей сложной конструкции.

Анализ источников информации по патентной и научно-технической литературе показал, что наиболее близким по технической сути прототипом предлагаемого технического решения является теплопередающее устройство на основе патента США №6227288.

Теплопередающее устройство на основе известного патента представляет собой замкнутый двухфазный контур (см. фиг.2), заправленный низкокипящим теплоносителем - аммиаком, и включает в себя следующие элементы:

- соединительные трубопроводы 1;

- конденсатор 2, имеющий внутри канал с гладкими стенками, встроенный в конструкцию панели радиатора 3;

- гидроаккумулятор 4, во внутренней полости которого установлена капиллярная система (фитили) 4.1;

- испаритель 5, имеющий тепловую связь с термостатируемой поверхностью прибора 6; внутри испарителя 5 установлен капиллярный насос 5.1, выполненный из основной капиллярной структуры (например, из пористого никеля), соприкасающейся внутри ее центральной зоны с идущей из полости гидроаккумулятора 4 концентрической вспомогательной капиллярной структурой 5.2; вблизи внутренней поверхности вспомогательной капиллярной структуры 5.2 с зазором между ней и торцевой поверхностью основной капиллярной структуры 5.1 расположена концевая часть трубопровода 1.1 подачи жидкой фазы из конденсатора 2 в испаритель 5 через гидроаккумулятор 4, корпус 4.2 которого непосредственно соединен с корпусом 5.3 испарителя 5.

В процессе функционирования устройства в космическом пространстве образующиеся в результате стока тепла через капиллярный насос 5.1 пары теплоносителя и выделившиеся при этом неконденсирующие газы по вышеуказанному зазору транспортируются в полость гидроаккумулятора 4, где пары теплоносителя конденсируются, а неконденсирующиеся газы постепенно с течением эксплуатации превращаются в газовые пузыри; движение парогазовых пузырей из зазора в полость гидроаккумулятора 4 обусловлено тем, что температура и давление теплоносителя в вышеуказанном зазоре всегда несколько выше температуры и давления в парогазовой зоне полости гидроаккумулятора 4.

Как показано выше, существенными недостатками вышеуказанного известного устройства являются постепенное с течением времени постоянное возрастание температуры термостатируемой поверхности (температуры прибора) до предельной рабочей температуры и выше в результате постепенного во времени постоянного возрастания давления парогазовой смеси в полости гидроаккумулятора в условиях эксплуатации космического пространства, а также сложность конструкции капиллярной системы - системы фитилей, расположенных в полости гидроаккумулятора.

Целью предлагаемого авторами технического решения является устранение вышеперечисленных существенных недостатков.

Поставленная цель достигается выполнением теплопередающего устройства таким образом, что корпус гидроаккумулятора соединен с корпусом испарителя через переходник заранее определенной длины, а внутренний объем гидроаккумулятора в зоне между вспомогательной капиллярной структурой и его внутренней поверхностью, расположенной ближе к испарителю, и вблизи остальной его внутренней поверхности снабжен фитилем с более мелкими ячейками, чем фитиль в остальной зоне, в которой расположена часть трубопровода подачи жидкого теплоносителя из конденсатора в испаритель, выполненная в виде спирали, а на наружной поверхности корпуса гидроаккумулятора, расположенной ближе к испарителю, установлен электрообогреватель переменной мощности, что и является по мнению авторов, существенными отличительными признаками предлагаемого авторами технического решения.

В результате анализа, проведенного авторами известной патентной и научно-технической литературы, предложенное сочетание существенных отличительных признаков заявляемого технического решения в известных источниках информации не обнаружено и, следовательно, известные технические решения не проявляют тех же свойств, что в заявляемом теплопередающем устройстве.

Предлагаемое теплопередающее устройство (см. фиг.1, где изображена его принципиальная схема) включает в себя следующие элементы:

- соединительные трубопроводы 1, выполненные с разным проходным сечением: например, от конденсатора до испарителя внутренний диаметр равен 3 мм, а от испарителя до входа в конденсатор внутренний диаметр - 5 мм;

- конденсатор 2, встроенный в конструкцию панели радиатора 3; каналы конденсатора выполнены, например, с гладкими стенками и имеют внутренний диаметр 3 мм;

- гидроаккумулятор 4; выполнен в виде цилиндрической емкости; во внутренней полости гидроаккумулятора 4 установлена капиллярная система - система фитилей с разными ячейками: в зоне между вспомогательной капиллярной структурой 5.2 и внутренней поверхностью гидроаккумулятора 4, расположенной ближе к испарителю 5, и вблизи остальной его внутренней поверхности снабжен фитилем 4.3 с более мелкими ячейками, чем фитиль 4.4 в остальной зоне, в которой расположена часть трубопровода 1.1 подачи жидкой фазы из конденсатора в испаритель, выполненного в виде спирали 1.1.1;

- испаритель 5, имеющий тепловую связь с термостатируемой поверхностью прибора 6; внутри испарителя 5 установлен капиллярный насос 5.1, выполненный из основной капиллярной структуры (например, из пористого никеля), соприкасающейся внутри ее центральной зоны с идущей из полости гидроаккумулятора 4 концентрической вспомогательной капиллярной структурой 5.2; вблизи внутренней поверхности вспомогательной капиллярной структуры 5.2 с зазором между ней и торцевой поверхностью основной капиллярной структуры 5.1 расположена концевая часть трубопровода 1.1 подачи жидкой фазы из конденсатора 2 в испаритель 5 через гидроаккумулятор 4, корпус 4.2 которого соединен с корпусом 5.3 испарителя 5 через вновь введенный переходник 7 заранее определенной длины: длина этого переходника выполнена с таким термическим сопротивлением (с учетом площади поперечного сечения его стенки), что на начальном этапе эксплуатации, когда в полости гидроаккумулятора отсутствуют пузыри неконденсирующегося газа, при максимальной мощности электрообогревателя переменной мощности 8, установленного на наружной поверхности корпуса гидроаккумулятора 4 ближе к испарителю 5 (9 - теплоизоляция), в зоне расположения спирального трубопровода 1.1.1 поддерживается давление паров теплоносителя таким, что обеспечивается работа прибора при требуемой рабочей температуре;

- электрообогреватель переменной мощности 8: в начале эксплуатации включается в работу с максимальной мощностью, а с течением времени по мере накопления неконденсирующихся газов в гидроаккумуляторе 4 его мощность уменьшается, а в конце срока эксплуатации - электрообогреватель 8 обесточен.

Работа предложенного теплопередающего устройства происходит следующим образом. Включаются в работу электрообогреватель 8 устройства на максимальную мощность, а затем через определенное время - прибор 6, установленный на испарителе 5.

Тепло, выделяющееся при работе прибора 6, теплопроводностью передается к корпусу 5.3 испарителя 5, далее - непосредственно к пористой структуре капиллярного насоса 5.1, при этом определенная небольшая часть тепла передается через переходник 7 к корпусу 4.2 гидроаккумулятора 4 и фитилю 4.3 с более мелкими ячейками.

В пористой структуре капиллярного насоса 5.1 происходит прогрев теплоносителя - аммиака и испарение его вблизи наружных поверхностей 5.1.1 капиллярного насоса 5.1. В то же время под воздействием теплопритока от испарителя 5 и теплопритока от работающего электрообогревателя 8 происходит испарение теплоносителя, находящегося в гидроаккумуляторе 4, и создается определенное давление паров теплоносителя в зоне расположения фитиля 4.4 с крупными ячейками - в районе расположения спирали 1.1.1 трубопровода подачи жидкой фазы теплоносителя; вышеуказанное давление определяет величину давления теплоносителя на входе в испаритель 5 и, следовательно, температуры испарения теплоносителя на наружных поверхностях капиллярного насоса 5.1: это давление таково, что оно соответствует определенной температуре испарения, согласующейся с рабочей температурой прибора 6.

Испарившиеся с наружных поверхностей 5.1.1 капиллярного насоса 5 пары теплоносителя, воспринявшие избыточное тепло работающего прибора 6, поступают на выход испарителя 5, далее по соединительному трубопроводу-паропроводу 1 - на вход конденсатора 2; и в каналах конденсатора 2 по мере движения к его выходу постепенно - в результате излучения избыточного тепла с поверхности радиатора 3 в космическое пространство (или в окружающее пространство в наземных условиях) - превращаются в жидкую фазу; ближе к выходу теплоноситель полностью превращается в жидкую фазу и на заключительном участке конденсатора 2 происходит требуемое переохлаждение жидкого теплоносителя, необходимое для исключения вскипания теплоносителя в центральной зоне капиллярного насоса 5.1 с целью обеспечения его высоконадежной работы. Далее жидкий теплоноситель по соединительному трубопроводу 1 движется к входу в гидроаккумулятор 4 и подается в концевую часть 1.1 подачи жидкого теплоносителя из конденсатора 2 в испаритель 5 через гидроаккумулятор 4, из которой жидкий теплоноситель поступает в зазор между вспомогательной капиллярной структурой 5.2 и между ней. Поступивший в зазор жидкий теплоноситель движется в сторону гидроаккумулятора 4, одновременно пропитывая вспомогательную капиллярную структуру 5.2 жидким теплоносителем и несколько (но не до кипения) прогревается в результате поглощения стока тепла через основную капиллярную структуру 5.1.

При этом небольшая часть жидкого теплоносителя и выделившиеся пузырьки неконденсировшегося газа, в случае образования - и пары испарившегося теплоносителя, поступают в зону гидроаккумулятора 4, где расположены фитиль 4.4 с крупными ячейками и спираль 1.1.1 трубопровода. В этой зоне в результате теплообмена между парами теплоносителя и с поверхностями элементов фитиля 4.4 с крупными ячейками и поверхностью спирали 1.1.1, имеющей развитую площадь теплообмена, происходит конденсация паров теплоносителя, образование капель жидкости и под воздействием всегда имеющихся на космическом аппарате микровибраций (например, в результате работы приборов системы ориентации, а также функционирования-слежения (поворота) солнечных батарей на Солнце) контакт этих капель с поверхностью фитиля 4.3 с мелкими ячейками и поглощение им этих капель. (В то же время часть жидкой фазы из фитиля 4.3 с мелкими ячейками поступает через вспомогательную капиллярную структуру 5.2 к основной капиллярной структуре 5.1 капиллярного насоса.)

Одновременно с этим происходит концентрация неконденсировавшихся пузырей газа в зоне расположения фильтра 4.4 с крупными ячейками.

С течением эксплуатации космического аппарата давление неконденсировавшихся газов в этой зоне постепенно возрастает и соответственно уменьшают мощность электрообогревателя 8, поддерживая тем самым необходимое давление в полости гидроаккумулятора 4 и практически постоянную рабочую температуру работающего прибора 6.

Как видно из вышеизложенного, в результате выполнения теплопередающего устройства согласно предложенному авторами техническому решению обеспечивается работа устройства со стабильными требуемыми выходными рабочими характеристиками в течение длительного времени (например, 15 лет) эксплуатации в условиях космического пространства, т.е. тем самым достигаются цели изобретения.

В настоящее время предложенное авторами техническое решение отражено в технической документации.

Предложенное авторами теплопередающее устройство в дальнейшем предполагается использовать в перспективных телекоммуникационных спутниках.

Изобретение относится к системам терморегулирования преимущественно телекоммуникационных спутников, использующим контурные тепловые трубы. Согласно изобретению устройство содержит замкнутый двухфазный контур, заправленный низкокипящим теплоносителем. Контур включает в себя сообщенные трубопроводами конденсатор и испаритель. Конденсатор встроен в конструкцию панели радиатора и имеет внутренний канал с гладкими стенками. Испаритель соединен с гидроаккумулятором, имеющим тепловую связь с термостатируемой поверхностью. Внутри испарителя установлен капиллярный насос, выполненный в виде основной капиллярной структуры, соприкасающейся внутри ее центральной зоны с выступающей из гидроаккумулятора концентрической вспомогательной капиллярной структурой. Вблизи внутренней поверхности данной вспомогательной структуры с зазором между ней и торцевой поверхностью основной капиллярной структуры расположена концевая часть трубопровода подачи жидкого теплоносителя из конденсатора в испаритель. Подача осуществляется через гидроаккумулятор, корпус которого с установленной в нем капиллярной системой соединен с корпусом испарителя через переходник. Внутренний объем гидроаккумулятора в зоне вспомогательной капиллярной структуры и вблизи его внутренней поверхности снабжен фитилем с более мелкими ячейками, чем ячейки в остальной зоне. В последней расположена часть трубопровода подачи теплоносителя из конденсатора в испаритель, выполненная в виде спирали. На наружной поверхности гидроаккумулятора, ближе к испарителю, установлен электрообогреватель переменной мощности. Техническим результатом изобретения является стабильность рабочих характеристик устройства в течение длительного времени его эксплуатации (типично, 15 лет) в условиях космического пространства. 2 ил.

Теплопередающее устройство космического аппарата, содержащее замкнутый двухфазный контур, заправленный низкокипящим теплоносителем и включающий в себя сообщенные между собой трубопроводами конденсатор, имеющий внутренний канал и встроенный в конструкцию панели радиатора, и соединенный с гидроаккумулятором испаритель, имеющий тепловую связь с термостатируемой поверхностью, внутри которого установлен капиллярный насос, выполненный в виде основной капиллярной структуры, соприкасающейся внутри ее центральной зоны с выступающей из гидроаккумулятора концентрической вспомогательной капиллярной структурой, вблизи внутренней поверхности которой с зазором между ней и торцевой поверхностью основной капиллярной структуры расположена концевая часть трубопровода подачи жидкого теплоносителя из конденсатора в испаритель через гидроаккумулятор, внутри корпуса которого установлена капиллярная система и корпус которого соединен с корпусом испарителя, отличающееся тем, что корпус гидроаккумулятора соединен с корпусом испарителя через переходник заранее определенной длины, а внутренний объем гидроаккумулятора в зоне между вспомогательной капиллярной структурой и его внутренней поверхностью, расположенной ближе к испарителю, и вблизи остальной его внутренней поверхности снабжен фитилем с более мелкими ячейками, чем ячейки фитиля в остальной его зоне, в которой расположена выполненная в виде спирали часть трубопровода подачи жидкого теплоносителя из конденсатора в испаритель, а на наружной поверхности корпуса гидроаккумулятора, расположенной ближе к испарителю, установлен электрообогреватель переменной мощности.