РАДИАЦИОННЫЙ ГИБКО-ПЛОСКИЙ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬ Российский патент 2021 года по МПК H05B3/36 

Изобретение относится к области космического машиностроения и может быть использовано при изготовлении гибких, плоских, гибко-плоских электронагревателей (ЭН), 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), то есть нагреваемых объектов (НО) до значений эксплуатационных температур включением ЭН в течение заданного времени.

Изобретение направлено на увеличение эффективности работы ЭН, повышение коэффициента полезного действия (КПД) и совершенствование конструкции ЭН при эксплуатации в условиях вакуума в составе космических аппаратов негерметичного исполнения.

Изобретение может быть использовано в других областях техники, где изготавливают и применяют ЭН с заданными геометрическими свойствами (размерами), прочностными характеристиками (гибкость, стойкость к механическим и радиационным воздействиям), нормируемой тепловой отдачей, с увеличением теплового потока в одном направлении, увеличенным КПД.

В настоящее время известен гибкий электрообогреватель, патент RU C2 2613497, принятый за прототип заявленного изобретения. Устройство содержит резистивный элемент, расположенный между двумя листами электроизоляционного материала и снабжено токоподводящими проводами, 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 и излучением. В КА нагреваемыми объектами являются узлы космического аппарата, радиоэлектронная аппаратура и прочее, 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 ЭН и НО возможен двумя способами: кондуктивным - между поверхностью ЭН и поверхностью НО, и излучением с поверхности ЭН (т.е. во все стороны по отношению к поверхности электронагревателя: в направлении верхней полусферы, в направлении нижней полусферы). Тепловой поток ЭН излучением в направлении нижней полусферы используется для нагрева узла КА и, чем он больше, тем выше эффективность работы ЭН. Тепловой поток излучением ЭН во все стороны (в направлении верхней и нижней полусферы определяется формулой Стефана-Больцмана

Q_T = εσ₀T⁴, (1)

Тепловой поток ЭН излучением в направлении нижней полусферы определяется формулой

Q_T = εσ₀T⁴/2, (2)

где Q_T - тепловой поток излучения тела нагретого до температуры Т, Вт/м²;

ε - степень черноты ЭН (материала ЭН);

σ₀ - коэффициент излучения абсолютно черного тела (коэффициент Стефана-Больцмана) 5,6686 × 10^-8 Вт/м² × град⁴;

Т - температура нагрева тела, К.

Степень черноты ЭН зависит от оптических характеристик материала ЭН, и является параметром, напрямую влияющим на эффективность работы ЭН, его КПД. Степень черноты материала ЭН находится в пределах 0,6 - 0,85. Таким образом, в известной конструкции электрообогревателя по патенту RU 2613497 при применении в космическом аппарате негерметичного исполнения имеется существенный недостаток в виде относительно низкого радиационного теплового обмена в направлении нижней полусферы (в направлении НО), обусловленного недостаточными оптическими характеристиками материала ЭН, отсутствием специального оптического покрытия, усиливающего излучение в направлении нижней полусферы, при этом часть теплового потока ЭН в направлении нижней полусферы и тепловой поток ЭН в направлении верхней полусферы не используется для нагрева НО, что приводит к снижению КПД ЭН.

Для заявленного устройства выявлены следующие общие с прототипом существенные признаки: радиационный 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 радиационностойких высокоэлектроизоляционных материалов с малым газовыделением в вакууме и имеющих плоскую или криволинейную форму.

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является совершенствование конструкции ЭН, увеличение эффективности работы и КПД ЭН для условий штатной работы в составе КА негерметичного конструктивного исполнения (в условиях открытого космоса, в вакууме).

Проблема решается за счет того, что в гибко-плоском ЭН, содержащем резистивный элемент, расположенный между двумя листами электроизоляционного материала и снабженным токоподводящими проводами, на сторону ЭН, направленную к нагреваемому объекту (на дополнительный лист основания ЭН) наносится слой оптического материала, имеющего увеличенный коэффициент черноты, который усиливает радиационное (инфракрасное) излучение ЭН в направлении нижней полусферы, в сторону НО. Дополнительный слой оптического материала с увеличенным коэффициентом черноты, нанесенного на основание ЭН меняет распределение инфракрасного излучения ЭН между нижней полусферой и верхней полусферой в сторону нижней полусферы, способствует увеличению излучения в сторону НО, и увеличивает КПД ЭН. В качестве оптического материала можно использовать, например, краску (черную), полимерные материалы (черного цвета), полимерные пленки со слоями термореактивного и/или термопластичного полимеров, с коэффициентом черноты более 0,6 - 0,85. В КА (в зависимости от конструктивного исполнения) используется от нескольких десятков до нескольких сотен ЭН, что составляет величину в несколько десятков процентов от общего количества потребляемой электроэнергии в системе электропитания (СЭП), увеличение КПД одного электронагревателя ведет к значимому сокращению электроэнергии, потребляемой от СЭП КА всех ЭН, что позволит уменьшить мощность системы СЭП, используемую на нагрев КА, то есть массу СЭП, или увеличить полезную нагрузку КА.

Суть изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен радиационный ЭН, содержащий резистивный слой 1, расположенный между двумя листами электроизоляционного материала 2, снабженный токоподводящими проводами 3, дополнительным листом электроизоляционного материала 4. На дополнительный лист электроизоляционного материала 4 на сторону ЭН, направленную к НО наносят слой оптического материала 5 с увеличенным коэффициентом черноты, способствующий увеличению радиационного (инфракрасного) излучения ЭН в сторону нижней полусферы.

В вакууме теплообмен между ЭН и НО возможен двумя способами: кондуктивным - между поверхностью ЭН и поверхностью НО, и излучением с поверхности ЭН, то есть во все стороны по отношению к поверхности ЭН: в направлении верхней полусферы, в направлении нижней полусферы. Тепловой поток ЭН излучением в направлении нижней полусферы используется для нагрева узла КА и, чем он больше, тем выше эффективность работы ЭН. Тепловой поток ЭН излучением во все стороны (в направлении верхней и нижней полусферы определяется формулой Стефана-Больцмана (1), а тепловой поток ЭН излучением в направлении верхней полусферы определяется формулой (2).

Степень черноты ε для существующих материалов ЭН находится в пределах ε=0,6-0,85. При применении специальных оптических покрытий со степенью черноты ε₁>0,6-0,85 (показатели ε₁ могут достигать 0,99) радиационный тепловой обмен увеличивается. Тепловой поток ЭН излучением в направлении нижней полусферы определяется формулой:

Q_T = ε₁σ₀T⁴/2. (3)

Разница коэффициентов черноты (степеней черноты) Δ = ε₁-ε составит от 0,14 до 0,39, пересчет КПД ЭН с учетом формул 1 и 2 обеспечит увеличение КПД на несколько процентов в зависимости от температуры резестивного слоя ЭН.

Таким образом, технический результат достигается за счет введения в конструкцию ЭН дополнительного оптического слоя, усиливающего радиационное (инфракрасное) излучение в нижнюю полусферу (в сторону НО), перераспределяющего излучение ЭН между нижней полусферой и верхней полусферой в сторону нижней полусферы, что позволяет повысить эффективность работы, КПД ЭН в условиях космоса (в космических аппаратах негерметичного исполнения). В качестве оптического материала можно использовать материалы с коэффициентом черноты более 0,6 - 0,85, например, краску (например, эмаль черную ЭП-140), полимерные материалы (например, полиимид), полимерные пленки со слоями термореактивного и/или термопластичного полимеров, гибкая стеклоткань без пропитки или гибкая стеклоткань, пропитанная олигомерным материалом, содержащим эпоксидные группы, отвержденная до стадии В.

Принципиально новым в конструкции ЭН является применение дополнительного слоя оптического материала, усиливающего радиационное (инфракрасное) излучение в нижнюю полусферу.

Изобретение относится к области космического машиностроения и может быть использовано при изготовлении гибких, плоских, гибко-плоских электронагревателей (ЭН), поддерживающих в работоспособном состоянии радиоэлектронную аппаратуру и узлы космического аппарата (КА) при воздействии низких температур космического пространства. В гибко-плоском ЭН, содержащем резистивный элемент, расположенный между двумя листами электроизоляционного материала и снабженный токоподводящими проводами, на сторону ЭН, направленную к нагреваемому объекту (на дополнительный лист ЭН), наносится дополнительный слой оптического материала, имеющего увеличенный коэффициент черноты, который усиливает радиационное (инфракрасное) излучение ЭН в направлении нижней полусферы. Техническим результатом является создание ЭН с увеличенным КПД для условий штатной работы в составе КА негерметичного конструктивного исполнения. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Радиационный 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 радиационностойких высокоэлектроизоляционных материалов с малым газовыделением в вакууме и имеющих плоскую или криволинейную форму, отличающийся тем, что на дополнительный лист, на сторону электронагревателя, направленную к нагреваемому объекту, нанесён оптического материала, имеющего коэффициент черноты более 0.6, усиливающего радиационное излучение электронагревателя в направлении нижней полусферы, в направлении нагреваемого объекта.

2. Радиационный гибко-плоский электронагреватель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве оптического материала используется краска.

3. Радиационный гибко-плоский электронагреватель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве оптического материала используется композиционная полимерная пленка со слоями из термореактивного и/или термопластичного полимеров.

4. Радиационный гибко-плоский электронагреватель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве оптического материала используется полимерный материал.

5. Радиационный гибко-плоский электронагреватель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве оптического материала используется гибкая стеклоткань без пропитки или гибкая стеклоткань, пропитанная олигомерным материалом, содержащим эпоксидные группы, отвержденная до стадии В.