ГИБКО-ПЛОСКИЙ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬ Российский патент 2020 года по МПК H05B3/10 H05B3/34 

Изобретение относится к области космического машиностроения и может быть использовано при изготовлении гибких, плоских, гибко-плоских электронагревателей, поддерживающих в работоспособном состоянии (в заданном диапазоне эксплуатационных температур) радиоэлектронную аппаратуру и узлы космического аппарата (КА) при воздействии низких температур космического пространства посредством подогрева радиоэлектронной аппаратуры (узлов) т.е. нагреваемых объектов (НО) до значений эксплуатационных температур включением электронагревателей в течение заданного времени. Изобретение направлено на увеличение коэффициента полезного действия (КПД) и совершенствование конструкции электронагревателей при эксплуатации в условиях вакуума в составе космических аппаратов негерметичного исполнения. Изобретение может быть использовано в других областях техники, где изготавливают и применяют электронагреватели с заданными геометрическими свойствами (размерами), прочностными характеристиками (гибкость, стойкость к механическим и радиационным воздействиям), нормируемой тепловой отдачей, с ограничением теплового потока в одном направлении, увеличенным КПД.

В настоящее время известен гибкий электрообогреватель патент RU C2 2613497, принятый за прототип, содержащий резистивный элемент, расположенный между двумя листами электроизоляционного материала и снабженный токоподводящими проводами, снабженный дополнительным листом электроизоляционного материала, расположенным между двумя указанными листами, при этом резистивный элемент выполнен из металла или сплава и без перегибов закреплен на дополнительном листе, причем листы электроизоляционного материала состоят из одного или нескольких разнородных гибких термостойких радиационностойких высокоэлектроизоляционных материалов с малым газовыделением в вакууме и имеют плоскую или криволинейную форму.

Из теории теплообмена известно три способа передачи тепловой энергии к нагреваемому объекту: кондуктивный, конвективный, излучением. В КА нагреваемыми объектами являются узлы космического аппарата, радиоэлектронная аппаратура и др., расположенные на панелях КА в условиях открытого космоса (космического вакуума). В вакууме передача тепла конвекцией ничтожна. В связи с этим в космическом аппарате негерметичного конструктивного исполнения теплообмен между электронагревателем и нагреваемым объектом возможен двумя способами: кондуктивным, между поверхностью электронагревателя и поверхностью НО, и излучением с поверхности электронагревателя (т.е. во все стороны по отношению к поверхности электронагревателя: в направлении верхней полусферы, в направлении нижней полусферы). Тепловой поток электронагревателя излучением в направлении верхней полусферы снижает КПД электронагревателя т.к. не используется для нагрева узла космического аппарата. Тепловой поток электронагревателя излучением в направлении нижней полусферы повышает КПД электронагревателя, т.к. используется для нагрева НО. Таким образом, известная конструкция электрообогревателя RU 2613497, установленного на НО в космическом аппарате негерметичного исполнения имеет существенный недостаток в виде наличия паразитного излучения в верхнюю полусферу за счет излучения с поверхности электронагревателя, не неиспользуемого для нагрева НО и снижающего КПД электронагревателя.

В космических аппаратах (в зависимости от конструктивного исполнения) используется от нескольких десятков до нескольких сотен электронагревателей, что составляет величину в несколько десятков процентов от общего количества потребляемой электроэнергии в системе электропитания, увеличение КПД одного электронагревателя ведет к существенному сокращению электроэнергии, потребляемой от системы электропитания космического аппарата всех электронагревателей, что позволит уменьшить мощность системы электропитания, используемую на нагрев КА, т.е. массу, или увеличить полезную нагрузку космического аппарата.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является совершенствование конструкции электронагревателя (ЭН) с увеличением КПД для условий штатной работы в составе КА негерметичного конструктивного исполнения (в условиях открытого космоса, в вакууме).

Задача решается за счет того, что в гибко-плоский электронагреватель, содержащий резистивный элемент, расположенный между двумя листами электроизоляционного материала и снабженный токоподводящими проводами, на сторону ЭН, противоположную нагреваемому объекту устанавливают дополнительный покрывной слой отражающего материала непрозрачного для инфракрасного излучения и имеющего малый коэффициент черноты. Слой экранирует инфракрасное излучение электронагревателя в верхнюю полусферу, и направляет инфракрасное излучение в нижнюю полусферу. В качестве материала можно использовать алюминиевую фольгу, или полимерные материалы, пленки, с коэффициентом черноты менее 0,6.

В качестве примера ниже приведен способ изготовления гибко-плоского электронагревателя с применением конкретных параметров, заключающийся в последовательном выполнении следующих технологических операций:

1. Нарезают заготовку из гибкой стеклоткани без пропитки; нарезают заготовки из гибкой стеклоткани, пропитанной олигомерным материалом, содержащим эпоксидные группы, отвержденной до стадии В; нарезают заготовку резистивного слоя; нарезают заготовку отражающего слоя из фольги; нарезают заготовки гибких токовыводов из проводов;

2. Собирают основание, в котором проводят укладку заготовки из гибкой стеклоткани без пропитки на нижнюю плиту приспособления для прессования; укладку заготовки гибкой стеклоткани, пропитанной олигомерным материалом, содержащим эпоксидные группы, отвержденной до стадии В; укладку проводящего слоя из фольги; выполняют соединение верхней и нижней плиты приспособления для прессования;

3. Проводят первое прессование основания в соответствии с допустимыми согласно техническим условиям для используемых стеклотканей и фольги давлением, температурой и длительностью;

4. Вынимают основание из приспособления для прессования;

5. Обрезают облой по периметру основания;

6. Для изготовления гибко-плоского электронагревателя берут основание, прошедшее стадию первого прессования. Выполняют фотошаблон рисунка резистивного слоя; наносят фоторезист на фольгу; экспонируют фоторезист; проявляют фоторезист; вытравливают рисунок резистивного слоя в травильном растворе; промывают основание с удалением остатков травильного раствора и фоторезиста;

7. Проводят предварительные электрические испытания;

8. Проводят пайку гибких токовыводов к резистивному слою подготовленного основания;

9. Проводят второе прессование основания с токовыводами, прошедшего стадию первого прессования, с заготовкой из гибкой стеклоткани, пропитанной олигомерным материалом, содержащим эпоксидные группы, отвержденной до стадии В, с заготовкой из отражающего слоя из фольги в соответствии с допустимыми согласно техническим условиям для используемых материалов давлением, температурой и длительностью;

10. Проводят окончательные электрические и термовакуумные испытания.

В основе новой конструкции лежит гибкая стеклоткань без пропитки, гибкая стеклоткань, пропитанная олигомерным материалом, содержащим эпоксидные группы, отвержденная до стадии В (композиционная полимерная пленка со слоями из термореактивного и/или термопластичного полимеров), проводящий слой в виде рисунка из материала с высоким сопротивлением, и экранирующий слой из отражающей фольги (композиционная полимерная пленка со слоями из термореактивного и/или термопластичного полимеров с отражающим слоем), токовыводы из гибкого провода. Принципиально новым в конструкции электронагревателя является то, что применен отражающий слой, экранирующий тепловое (инфракрасное) излучение в верхнюю полусферу и направляющий его в нижнюю полусферу что увеличивает коэффициент полезного действия электронагревателя. Дополнительные электрические и термовакуумные испытания гарантируют работоспособность в течение заданного времени.

Таким образом, технический результат достигается за счет применения в конструкции ЭН покрывного отражающего слоя из фольги, экранирующей тепловое (инфракрасное) излучение в верхнюю полусферу и направляющий это излучение в нижнюю полусферу, что позволяет повысить эффективность работы (коэффициент полезного действия) электронагревателя в условиях космоса (в космических аппаратах негерметичного исполнения).

Изобретение относится к области космического машиностроения и может быть использовано при изготовлении гибких, плоских, гибко-плоских электронагревателей (ЭН) космических аппаратов (КА). Технический результат - создание ЭН с увеличенным КПД для условий штатной работы в составе КА негерметичного конструктивного исполнения (в условиях открытого космоса, в вакууме). Достигается тем, что в конструкцию ЭН в качестве покрывного слоя устанавливают дополнительный слой материала, непрозрачного для инфракрасного излучения и имеющего малый коэффициент черноты, который отражает тепловое (инфракрасное) излучение ЭН, направленное в верхнюю полусферу, и направляет инфракрасное излучение в нижнюю полусферу. В качестве отражающего слоя можно использовать алюминиевую фольгу или/и полимерные материалы, пленки, стеклоткань с коэффициентом черноты менее 0,6. 6 з.п. ф-лы.

1. Гибко-плоский электронагреватель, содержащий резистивный элемент, расположенный между двумя листами электроизоляционного материала и снабженный токоподводящими проводами, а также дополнительным листом электроизоляционного материала, расположенного между двумя указанными листами, с резистивным элементом, выполненным из металла или сплава и без перегибов, который закреплен на дополнительном листе, причем листы электроизоляционного материала состоят из одного или нескольких разнородных гибких термостойких радиационно-стойких высокоэлектроизоляционных материалов с малым газовыделением в вакууме и имеющих плоскую или криволинейную форму, отличающийся тем, что на сторону электронагревателя, противоположную нагреваемому объекту, устанавливают дополнительный покрывной слой отражающего материала, непрозрачного для инфракрасного излучения и имеющего малый коэффициент черноты, который экранирует инфракрасное излучение электронагревателя в верхнюю полусферу и направляет инфракрасное излучение в нижнюю полусферу.

2. Гибко-плоский электронагреватель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве покрывного слоя используют алюминиевую фольгу.

3. Гибко-плоский электронагреватель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве покрывного слоя используют композиционную полимерную пленку со слоями из термореактивного и/или термопластичного полимеров с отражающим слоем.

4. Гибко-плоский электронагреватель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве покрывного слоя используют стеклоткань, пропитанную олигомерным материалом, содержащим эпоксидные группы, отвержденную до стадии В с отражающим слоем.

5. Гибко-плоский электронагреватель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве покрывного слоя используют стеклоткань, пропитанную олигомерным материалом с отражающим слоем.

6. Гибко-плоский электронагреватель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве покрывного слоя используют полимерный материал с отражающим слоем.

7. Гибко-плоский электронагреватель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве покрывного слоя используют полимерную пленку со слоями из термореактивного и/или термопластичного полимеров с отражающим слоем.