Радиационный теплообменник гибридной структуры Российский патент 2023 года по МПК F28F21/00 B64G1/50 

Изобретение относится к космической технике, в частности к элементам устройств, которые за счет лучистого теплообмена отводят избыточное тепло. Изобретение может быть использовано в конструкциях планетных баз и космических аппаратов.

Радиационные теплообменники служат для снижения температуры теплоносителя, проходящего через них, отводя в окружающее пространство тепловой поток за счет лучистого теплообмена.

Известны различные конструкции радиационных теплообменников. Например, принятый за наиболее близкий аналог, радиационный теплообменник, известный из SU 401885, 12.10.1973, выполнен из металлического профиля и содержит в своей конструкции тепловые трубы. В патенте SU 268922, 20.02.1969 радиационный теплообменник выполнен из металлической панели с приваренными к внутренней стороне излучающей панели коллектором и трубопроводами с теплоносителем. Существенным недостатком вышеуказанных решений является то, что используемые в настоящее время аксиальные тепловые трубы не приспособлены для работы в условиях гравитации на планетных базах, и выполнены из металла, в связи с чем обладают плохими массовыми характеристиками.

К недостаткам наиболее близкого аналога можно отнести следующее:

– наличие в конструкции радиационного теплообменника тепловых труб, не работающих эффективно в условиях гравитации;

– использование однослойной излучающей панели из металла, что приводит к утяжелению конструкции;

– наличие тепловых труб повышает вероятность ухудшения рабочих параметров радиационного излучателя из-за метеоритного пробоя.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков и получение новой конструкции радиационного теплообменника.

Технический результат изобретения состоит в возможности работы радиационного теплообменника в поле гравитации, снижении массы радиационного теплообменника при увеличении эффективности излучающей панели и уменьшения вероятности выхода из строя из-за метеоритного пробоя.

Для решения задачи и обеспечения технического результата предлагается радиационный теплообменник гибридной структуры, включающий трубопровод с теплоносителем и соединенную с ним в торец гибридную излучающую панель, излучающая панель состоит из двух пластин, зафиксированных клеевым соединением, при этом верхняя пластина выполнена из металла, а нижняя пластина является гибридной структурой, состоящей из пакета графитовых пленок, соединенных путем адгезионного склеивания. Верхняя пластина излучающей панели может быть выполнена из алюминия или стали. На наружную поверхность верхней пластины излучающей панели может быть нанесен излучающий слой.

Излучающая панель радиационного теплообменника гибридной структуры состоит из двух слоев, верхнего – излучающего и нижнего – теплопроводящего.

Верхний излучающий слой излучающей панели радиационного теплообменника гибридной структуры выполнен из металла.

Нижний теплопроводящий слой излучающей панели радиационного теплообменника гибридной структуры выполнен в виде пакета графитовых пленок, что облегчает массу конструкции теплообменника.

Отсутствие тепловых труб в конструкции предлагаемого радиационного теплообменника позволяет эффективно использовать его в условиях гравитации и снижает риск ухудшения работы из-за метеоритного пробоя.

Предлагаемое изобретение поясняется графическим изображением.

На фиг. 1 представлена схема радиационного теплообменника гибридной структуры с двухслойной излучающей панелью.

Радиационный теплообменник гибридной структуры, фиг. 1, состоит из трубопровода с теплоносителем 3, соединенным в стык с излучающей панелью, состоящую из двух пластин 1 и 2. Верхняя пластина – 1 выполнена из металла с наружным излучающим слоем. Нижняя пластина – 2 является гибридной структурой, состоящей из пакета графитовых пленок с плоскостной теплопроводностью более 1500 Вт/(м⋅К), что обеспечивает снижение массы и повышение эффективности ребра излучающей панели. Верхняя и нижняя пластины излучающей панели радиационного теплообменника гибридной структуры скрепляются клеевым соединением.

Нижняя пластина 2 излучающей панели собирается из высокопроводящей фольги пиролитического графита. В процессе производства фольги используются карбонизированные полимерные пленки и высокотемпературная термообработка. Оптимизируя условия термообработки, можно получить фольгу с высокими значениями теплопроводности по направлению в плоскости. Максимальная толщина листов составляет не более 25 мкм. Сборка пакета из высокопроводящей фольги пиролитического графита производится путем адгезионного склеивания. Теплофизические свойства высокопроводящей фольги пиролитического графита позволяют использовать их в широком диапазоне температур. Использование в качестве нижнего высокопроводящего слоя излучающей панели гибридного пакета из фольги пиролитического графита приводит к существенному увеличению плоскостной теплопроводности, что, в свою очередь, позволяет отказаться от использования в конструкции радиационного теплообменника тепловых труб. Отсутствие тепловых труб в конструкции радиационного теплообменника позволяет эффективно использовать радиационный теплообменник в системах обеспечения теплового режима планетных станций в условиях гравитации.

Предлагаемое изобретение характеризуется высокой прочностью конструкции, и применение гибридного пакета из фольги пиролитического графита, согласно изобретению, позволяют снизить массовые характеристики теплообменника при увеличении эффективности сброса тепла в космическое пространство.

Устройство работает следующим образом. Теплоноситель отбирает тепло от охлаждаемых частей космического аппарата и попадает в трубопровод 3 радиационного теплообменника гибридной структуры. Тепловой поток от трубопровода с теплоносителем передается излучающей панели 1, 2. За счет высокой плоскостной теплопроводности гибридного пакета из фольги пиролитического графита 2 происходит равномерное распределение тепла по излучающей панели 1. Излучающая панель 1 отводит излучением в окружающее космическое пространство тепловой поток, идущий от трубопровода с теплоносителем 3, тем самым понижая температуру теплоносителя.

Эффективность сброса тепла радиационным теплообменником можно оценить параметром η_р – эффективности ребра излучающей панели. Чем выше эффективность ребра, тем равномернее распределяется температура по излучающей панели и тем выше эффективность сброса тепла радиационным теплообменником. Для известных конструкций радиационных теплообменников с металлической излучающей панелью и тепловыми трубами параметр η_р в диапазоне температур 273 – 333 К составляет 0,65. У радиационного теплообменника с гибридной излучающей поверхностью из гибридного пакета фольги пиролитического графита аналогичного габарита параметр η_р составляет 0,9 в том же интервале температур. Как видно из приведенных данных, предлагаемое изобретение обеспечивает более эффективный сброс тепла в космическое пространство, чем известные конструкции того же назначения.

Изобретение относится к космической технике, а именно к устройствам теплообмена. Радиационный теплообменник гибридной структуры содержит трубопровод с теплоносителем, соединенным встык с излучающей панелью, состоящей из двух пластин. Верхняя пластина состоит из металла с наружным излучающим слоем. Нижняя пластина является гибридной структурой, состоящей из пакета графитовых пленок с плоскостной теплопроводностью более 1500 Вт/(мК). Верхняя и нижняя пластины излучающей панели радиационного теплообменника гибридной структуры скреплены клеевым соединением. Технический результат - снижение массы радиационного теплообменника при увеличении эффективности излучающего ребра и возможность работать в условиях гравитации. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Радиационный теплообменник гибридной структуры, включающий трубопровод с теплоносителем и соединенную с ним в торец гибридную излучающую панель, излучающая панель состоит из двух пластин, зафиксированных клеевым соединением, при этом верхняя пластина выполнена из металла, а нижняя пластина является гибридной структурой, состоящей из пакета графитовых пленок, соединенных путем адгезионного склеивания.

2. Радиационный теплообменник гибридной структуры по п. 1, отличающийся тем, что верхняя пластина излучающей панели выполнена из алюминия или стали.

3. Радиационный теплообменник гибридной структуры по п. 1, отличающийся тем, что на наружную поверхность верхней пластины излучающей панели нанесен излучающий слой.