Патент на изобретение №2186005
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПАНЕЛЬНОГО УЗЛА С ТЕПЛОВЫМИ ТРУБАМИ
(57) Реферат: Изобретение относится к средствам регулирования температуры на борту космических аппаратов и их испытаниям в наземных условиях. Предлагаемое устройство содержит панель с двумя поверхностями, на одной из которых установлены тепловыделяющие приборы. Приборы термически связаны с другой (радиаторной) поверхностью тепловыми трубами (ТТ). Панель при наземных испытаниях устанавливают вертикально, так что теплопередающая жидкость в ТТ стремится скапливаться на их нижних концах. Для парирования этого нежелательного явления предусмотрены регулируемые источники инфракрасного излучения, воздействующего на данные нижние концы ТТ. В результате в ТТ создается обратный поток переноса тепла от приборов к радиаторной поверхности панельного узла. Эту поверхность охлаждают газом (холодным воздухом или сухим азотом) в местах, соответствующих положениям приборов на другой поверхности. Предлагаемый способ включает монтаж и установку указанных элементов в требуемых положениях. В частности, источники инфракрасного излучения размещают на монтажной раме вблизи указанной радиаторной поверхности панельного узла и позиционируют их в требуемом направлении облучения. Изобретение обеспечивает функционирование панельного узла ТТ в условиях земной тяжести, удовлетворительно имитируя его работу в невесомости. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 6 ил. Изобретение относится к устройству и способу обеспечения функционирования оборудования, содержащего тепловые трубы для передачи тепловой энергии. Космический летательный аппарат содержит много аппаратных средств, смонтированных на конструктивной оболочке, причем некоторые из них генерируют при работе значительные количества тепла в локальной области. В вакууме космического пространства тепловой баланс в космическом летательном аппарате должен поддерживаться при использовании только теплопроводности конструкции космического летательного аппарата и теплоизлучения его наружных поверхностей. В обычных космических летательных аппаратах тепловой баланс поддерживают благодаря применению тепловых труб для передачи тепловой энергии, вмонтированных в конструктивные панели. Наружные поверхности этих панелей служат для излучения тепла в космическое пространство, а внутренние поверхности – для монтажа вышеупомянутых аппаратных средств. Обычные тепловые трубы для передачи тепловой энергии являются удлиненными полыми трубами, как правило, выполненными из алюминия, уплотненными на каждом конце и содержащими двухфазную рабочую текучую среду, например аммиак. В космическом пространстве при по существу нулевом тяготении рабочая текучая среда свободна распределяться по тепловой трубе для передачи тепловой энергии как в жидком, так и в газообразном состояниях, испаряясь и конденсируясь в зависимости от тепловых условий в различных точках по длине трубы, стремясь в соответствии с этим поддерживать равномерную температуру по длине трубы. Однако на земной поверхности под влиянием земного тяготения рабочая текучая среда склонна скапливаться в самой нижней точке в тепловой трубе для передачи тепловой энергии, например, на нижнем конце, если тепловая труба для передачи тепловой энергии установлена вертикально. Для многих панельных конфигураций космического летательного аппарата испытание в других, чем вертикальное, направлениях является невыгодным или не имеющим практического значения. Как результат этого, возможность теплопереноса тепловой трубы для передачи тепловой энергии резко уменьшается и аппаратные средства, смонтированные на панели, не могут функционировать или испытываться без опасности быть подвергнутыми воздействию чрезмерно высоких температур. В соответствии с обычной логикой для улучшения отвода тепла необходимо охлаждать панельный узел, например, потоком воздуха, перемещаемого вентилятором, или охлажденным воздухом, генерируемым кондиционером. Испытания показали, что этот способ не работает в тех случаях, когда аппаратные средства небольших размеров генерируют много тепла, например в случае многих современных высокомощных космических спутников связи. В соответствии с этим существует необходимость обеспечения функционирования и испытания таких панельных узлов аппаратных средств в условиях земного тяготения. Для улучшения теплопереноса в тепловых трубах настоящее изобретение для обеспечения функционирования и испытания таких панельных узлов (вопреки обычной логики) предусматривает локальный нагрев панели, обеспечивая благодаря этому поддержание более низких температур панели, чем это возможно другим способом. Сущностью изобретения является устройство для обеспечения функционирования панельного узла с тепловыми трубами, включающего в себя панель, имеющую первую плоскую поверхность для излучения из нее тепловой энергии, и вторую плоскую поверхность для монтажа на ней аппаратных средств, генерирующих тепло, множество тепловых труб для передачи тепловой энергии, предназначенных для обеспечения функционирования в невесомости, содержащих двухфазную теплопередающую текучую среду, причем указанные тепловые трубы прикреплены к указанной панели для обеспечения термической связи указанных аппаратных средств с указанной первой плоской поверхностью, и множество указанных аппаратных средств, смонтированных на второй плоской поверхности указанной панели и термически связанных с указанными тепловыми трубами для передачи тепловой энергии. Указанное устройство содержит средство для монтажа указанного панельного узла в вертикальном положении, в котором указанные тепловые трубы расположены также в вертикальном положении, теплопередающая жидкость в указанных тепловых трубах стремится скапливаться на нижнем конце тепловых труб, множество источников энергии инфракрасного излучения, причем каждый источник выполнен с регулируемым выходом уровня энергии инфракрасного излучения в заданном направлении, монтажную раму, имеющую множество точек монтажа, в которых установлены указанные источники инфракрасного излучения, причем каждая из указанных точек монтажа расположена по горизонтали и по вертикали в месте, соответствующем местоположению нижнего конца одной из указанных тепловых труб, на которую ориентирован один из указанных источников инфракрасного излучения для направления энергии инфракрасного излучения на участок, расположенный вблизи нижнего конца этой тепловой трубы, средство для регулирования выхода энергии инфракрасного излучения указанных источников инфракрасного излучения, передаваемого нижним концам указанных тепловых труб для испарения находящейся в них теплопередающей текучей среды и создания в тепловых трубах обратного потока переноса тепла от указанных аппаратных средств к первой плоской поверхности указанного панельного узла, и источник охлажденного газа, содержащий средство для направления объема этого газа на первую плоскую поверхность указанной панели в места, соответствующие местоположениям указанных аппаратных средств на второй плоской поверхности указанной панели. Указанный источник инфракрасного излучения может содержать электрическую лампу инфракрасного излучения, соединенную с источником электрической энергии, а указанное средство для регулирования выхода энергии инфракрасного излучения может содержать регулируемый трансформатор для изменения электрической мощности, подаваемой на указанную электрическую лампу инфракрасного излучения. Обычно указанная монтажная рама содержит, по меньшей мере, один горизонтальный элемент, по меньшей мере, один вертикальный элемент и средство для монтажа указанного горизонтального элемента на указанном вертикальном элементе, причем указанное средство для монтажа выполнено с возможностью регулировки положения источников инфракрасного излучения, смонтированных на горизонтальном элементе в указанных точках монтажа на высоте, соответствующей местоположениям нижних концов указанных тепловых труб. При этом оно может дополнительно содержать средство для монтажа указанных источников инфракрасного излучения вдоль указанного горизонтального элемента, в котором указанное средство для монтажа имеет возможность регулировки для позиционирования указанных источников инфракрасного излучения в указанных точках монтажа в горизонтальных местоположениях, соответствующих местоположениям нижних концов указанных тепловых труб. Сущность изобретения состоит в способе обеспечения функционирования панельного узла с тепловыми трубами, содержащими двухфазную рабочую текучую среду для переноса тепла от смонтированных на одной поверхности указанного панельного узла аппаратных средств, генерирующих тепло, и для распределения указанного тепла по противоположной поверхности указанного панельного узла. Указанный способ включает: а) придание указанному панельному узлу ориентации, в которой указанные тепловые трубы находятся в вертикальном положении, благодаря чему указанная двухфазная рабочая текучая среда стремится скапливаться в нижнем конце тепловых труб под влиянием тяготения; б) монтаж множества направленных источников инфракрасного излучения на монтажной раме; в) размещение указанной монтажной рамы вблизи указанной противоположной поверхности указанного панельного узла; г) позиционирование указанных направленных источников инфракрасного излучения на указанной монтажной раме вблизи соответствующих нижних концов указанных тепловых труб для направления энергии инфракрасного излучения к нижним концам указанных тепловых труб; д) включение указанных источников инфракрасного излучения для передачи энергии инфракрасного излучения к нижним концам указанных тепловых труб в количестве, требуемом для испарения двухфазной рабочей текучей среды, скопившейся в них; е) включение указанных аппаратных средств, генерирующих тепло, и ж) направление объема охлажденного газа на противоположную поверхность указанного панельного узла в места, противоположные местоположениям указанных аппаратных средств. Предпочтительно включение указанных источников инфракрасного излучения предусматривает соединение с ними регулируемого источника электрической энергии и регулирование количества электрической энергии, передаваемой источникам инфракрасного излучения. Возможно, что операции д), е) и ж) выполняют в последовательности операция д), затем операция ж), а после нее операция е). Известен также вариант реализации способа, при котором операция д) предшествует операции ж), дополнительно включающей з) контроль температуры указанного панельного узла вблизи нижних концов указанных тепловых труб; и) выполнение операции ж) после того, как указанная температура повысится до своего максимального значения и затем уменьшится и стабилизируется при значении, меньшем максимального. Изобретение иллюстрируют следующие графические материалы, где: на фиг.1 – схематическое изображение варианта осуществления устройства, соответствующего настоящему изобретению; на фиг.2,3,4 и 5 – схематические изображения элементов, связанных с вариантом осуществления, иллюстрируемым на фиг.1; на фиг. 6 – график температуры, характерный для варианта осуществления, иллюстрируемого на фиг.1. Как следует из фиг.1, космический летательный аппарат 10 содержит обычный плоский панельный узел 20, который расположен в вертикальной плоскости. Панельный узел 20 удерживается по месту, будучи закрепленным на несущей раме или устройстве 50, которое может быть, например, корпусом космического летательного аппарата 10. Панель 20, которая подробнее описана ниже со ссылкой на фиг.2, имеет плоскую поверхность 22, которая служит наружной поверхностью космического летательного аппарата 10 для излучения тепла в космическое пространство, и плоскую поверхность 24, выполненную с возможностью монтажа, генерирующих тепло, аппаратных средств Е1, Е2, Е3 внутри космического летательного аппарата 10. Тепловые трубы НР1, НР2 и НР3 для передачи тепловой энергии закреплены на панели 20 для отведения тепла, генерируемого аппаратными средствами E1, E2, Е3, к теплоизлучающей поверхности 22 и для распределения указанного тепла по поверхности 22. Если аппаратные средства E1, E2, Е3 функционируют в условиях нулевого тяготения космического пространства, то генерируемое тепло быстро и эффективно проходит вдоль тепловых труб НР1, НР2, НР3, которые являются полыми трубами, уплотненными на обоих концах и содержащими двухфазную рабочую текучую среду, например аммиак. Эта рабочая текучая среда свободна двигаться и распределяться по трубе, испаряться в местах, имеющих более высокую температуру, и конденсироваться в местах, имеющих более низкую температуру, передавая в соответствии с этим тепло вдоль тепловых труб НР1, НР2, НР3, которые благодаря этому стремятся стать изотермическими. Однако в условиях земного тяготения жидкая рабочая текучая среда скапливается на нижнем конце тепловых труб НР1, НР2, НР3 и они не могут эффективно передавать тепло вдоль своей длины. Как результат, тепло, генерируемое аппаратными средствами E1, E2, Е3, не отводится и эти аппаратные средства быстро нагреваются. Например, аппаратные средства высокой мощности, например лампы бегущей волны и твердотельные усилители мощности, которые надежно работают в космическом пространстве, генерируя приблизительно 94 и 80 Вт, соответственно, при работе в условиях земного тяготения достигнут температур, превышающих температуру 85oС, приводящих к их отказу, в течение 3-10 минут. В соответствии с обычной логикой можно было бы предложить применение больших вентиляторов для обдува окружающим воздухом или кондиционеров для направления охлажденного воздуха на поверхности 22 или 24 панели или и то и другое. Но, несмотря на их применение, высокие температуры еще имеют место. Однако при достаточном нагреве панели 20 вблизи нижних концов тепловых труб НР1, НР2, НР3 скопившаяся жидкая рабочая текучая среда испаряется и тепловые трубы работают в обычном режиме обратного потока, при этом тепло передается путем испарения и конденсации рабочей текучей среды. Удивительность полученного результата в том, что путем приложения тепла к панели, которое, казалось бы, должно нагреть ее до небезопасных температур, температура аппаратных средств, генерирующих тепло, уменьшается и поддерживается при безопасных низких значениях. В конечном счете, монтажная рама 100 обеспечивает точки монтажа ламп IR1, IR2, IR3 инфракрасного излучения, ориентированных так, чтобы направлять энергию инфракрасного излучения к теплоизлучающей поверхности 22 панели 20 в места, и расположенных вблизи соответствующих концов тепловых труб НР1, НР2, НР3. Рама 100 имеет два вертикальных элемента 110, 112, имеющие соответствующие основания 114, 116, которые могут быть установлены на полу. Горизонтальный элемент 120 присоединен своими концами к вертикальным элементам 110 и 112 в местах, выбранных для позиционирования горизонтального элемента 120 и ламп IR1, IR2, IR3 инфракрасного излучения в вертикальном направлении вблизи нижних концов тепловых труб НР1, НР2, НР3. Лампы IR1, IR2, IR3 инфракрасного излучения смонтированы с возможностью регулировки положения на элементе 120 так, чтобы иметь возможность позиционирования в горизонтальном направлении вблизи нижних концов тепловых труб НР1, НР2, НР3. Кроме того, кондиционер 90 обеспечивает подачу охлажденного газа, например воздуха или сухого азота, поток которого проходит через канал 92 к выпускным патрубкам 94, 96, 98, которые расположены для направления охлажденного газа на теплоизлучающую поверхность 22 панели 20 в местоположениях, соответствующих местоположениям аппаратных средств E1, E2, Е3 на монтажной поверхности 24 панели 20. Аналогичные конструктивные элементы, показанные на чертежах, указанных аналогичными ссылочными номерами. На фиг. 2 характерные элементы, оказывающие влияние на тепловой расчет типовой панели 20, показаны схематически, как их видно со стороны монтажной поверхности 24, чтобы показать компоновку тепловых труб в указанной панели. При такой компоновке множество пар тепловых труб J-образной формы расположено вертикально между верхним и нижним краями панели 20; каждая пара содержит верхнюю тепловую трубу J-образной формы, причем тепловые трубы НР1, НР2, НР3 являются примерами верхних тепловых труб, нижняя часть которых термически связана с верхней частью нижней тепловой трубы J-образной формы, причем примерами нижних тепловых труб являются тепловые трубы НР11, НР12, НР13. Пары тепловых труб 30, 32 I-образной формы расположены вдоль верхнего края панели 20 и термически связаны друг с другом и с верхними частями верхних тепловых труб J-образной формы. Аналогичным образом, пары тепловых труб 34, 36 I-образной формы, расположенные вдоль нижнего края панели 20, термически связаны друг с другом и с нижними частями нижних тепловых труб J-образной формы. Аппаратные средства, генерирующие тепло, смонтированные на панели 20, на фиг. 2 показаны в виде прямоугольных заштрихованных фигур, причем аппаратные средства E1, E2, Е3 являются примерами применяемых аппаратных средств. Аппаратное средство Е1 является лампой бегущей волны, которых на этом чертеже показано 8 штук. Лампа бегущей волны, генерирующая приблизительно 60 Вт выходной мощности высокочастотного сигнала, будет генерировать, например, 40-45 Вт тепловой мощности, которую надо рассеять. Аппаратное средство E2 является твердотельным усилителем мощности, которых на этом чертеже показано 12 штук. Твердотельный усилитель мощности может генерировать, например, приблизительно 80-90 Вт тепловой мощности, которую надо рассеять. На чертеже показаны также различные другие аппаратные средства, имеющие другие размеры и форму, но генерирующие меньшие количества тепла, которое надо рассеять. Характерная показанная конфигурация панели и аппаратных средств не является обязательной, а приведена в этой заявке только для пояснения настоящего изобретения. На фиг. 3 показан вид сверху частей панели 20 (с частичным вырезом) и горизонтальный элемент 120 устройства, иллюстрируемого на фиг.1, но с четырьмя аппаратными средствами Е1, E2, Е3, Е4 и четырьмя лампами IR1, IR2, IR3, IR4 инфракрасного излучения. Панель 20 показана с вырезом для того, чтобы показать поперечные сечения пар тепловых труб J-образной формы, например тепловых труб НР1 и HP11, в тепловом контактном взаимодействии друг с другом и с облицовочным листом 22 излучающей поверхности, с облицовочным листом 24 монтажной поверхности и по этой причине с аппаратными средствами Е1, Е2, Е3, Е4. Лампы IR1, IR2, IR3, IR4 инфракрасного излучения смонтированы с возможностью регулировки положения на горизонтальном элементе 120 (как это подробно описано со ссылкой на фиг.4) в горизонтальном направлении в соответствии с положениями соответствующих тепловых труб НР1, НР2, НР3, НР4 для направления энергии инфракрасного излучения на нижние концы указанных тепловых труб. Как правило, панель 20 содержит алюминиевые облицовочные листы 22, 24 толщиной 5-10 мил (125-250 мкм) с алюминиевой сотовой конструкцией 26, заполняющей промежутки между облицовочными листами, не содержащие тепловых труб или других конструктивных элементов. Облицовочный лист 22 покрыт материалами, имеющими требуемые термооптические характеристики, например характеристики оптических отражательных зеркал. Термопары ТС1, ТС2, ТС3, ТС4 присоединены к теплоизлучающей поверхности 22 панели 20 в местах, расположенных вблизи от соответствующих нижних концов тепловых труб НР1, НР2, НР3, НР4 против ламп IR1, IR2, IR3, IR4 инфракрасного излучения, соответственно, для измерения температуры панели 20 в этих местах. Для предотвращения возникновения местного перегрева для крепления каждой термопары предпочтительно применять алюминиевую ленту (не показана). Когда лампа инфракрасного излучения возбуждена, она направляет энергию инфракрасного излучения на панель 20 вблизи нижнего конца соответствующей тепловой трубы, к которой он относится, предпочтительно приблизительно на 2 дюйма (50,8 мм) выше нижнего конца, заставляя его температуру увеличиваться. Когда тепловая труба достигает температуры, при которой ее рабочая текучая среда испаряется, она входит в режим обратного потока, в котором она эффективнее переносит тепло и, поскольку она отводит тепло от ее нижнего конца, температура в этом месте уменьшается и стабилизируется. Это падение температуры показывает, что лампы IR1, IR2, IR3, IR4 инфракрасного излучения направляют достаточно энергии инфракрасного излучения на панель 20, чтобы вызывать обратный поток в тепловых трубах НР1, НР2, НР3, НР4 соответственно. На фиг.4 приведен вертикальный разрез частей устройства, показанного на фиг. 1, поясняющий положение лампы IR1 инфракрасного излучения относительно термопары ТС1 и нижнего конца тепловой трубы НР1 и положение выпускного патрубка 94, направляющего охлажденный воздух 95 на панель 20 против аппаратного средства Е1 на расстоянии приблизительно 2-4 дюйма (50,8-101,6 мм) от панели 20, но не на лампу инфракрасного излучения или локальную область, которая нагревается. Как правило, лампа IR1 инфракрасного излучения установлена в фарфоровом патроне 130, который смонтирован на электрической распределительной коробке 122. Распределительная коробка 122 закреплена на угловом кронштейне 124, который смонтирован с возможностью регулировки положения на горизонтальном элементе 120. Например, элемент 120 представляет собой С-образный швеллер, имеющий фланцы, к которым посредством гайки и болта 126 и прижимной пластины 128 прижат угловой кронштейн 124. Горизонтальное положение лампы IR1 инфракрасного излучения просто изменяется путем ослабления гайки и болта 126, перемещения с возможностью скольжения распределительной коробки 122 и лампы IR1 инфракрасного излучения в новое положение и затяжки гайки и болта 126. Все лампы инфракрасного излучения смонтированы на горизонтальном элементе 120 аналогичным образом. Вертикальный элемент 110, 112 может также быть С-образным швеллером, к которому посредством гайки и болта прижаты угловые кронштейны на каждом конце горизонтального элемента 120, причем благодаря этому горизонтальный элемент поддается регулировке в вертикальном направлении. На фиг.5 приведена принципиальная электрическая схема, в которой источник электропитания переменного тока соединен посредством питающих линий M1, M2 с регулируемыми трансформаторами VT1, VT2, VT3 и, следовательно, с лампами IR1, IR2, IR3 инфракрасного излучения. Коэффициент трансформации регулируемых трансформаторов VT1, VT2, VT3 регулируют для регулирования электрического входа в лампы IR1, IR2, IR3 инфракрасного излучения, регулируя в соответствии с этим количество энергии инфракрасного излучения, направляемой каждой лампой инфракрасного излучения на панель 20. Как правило, лампы инфракрасного излучения мощностью 250 Вт работают приблизительно при электрическом напряжении 120 В для возбуждения обратного потока, которое позднее увеличивают до приблизительно 130 В. В способе, соответствующем настоящему изобретению, панель 20 расположена с тепловыми трубами НР1, НР2, НР3 в вертикальном положении, а монтажная рама 100 расположена вблизи нее с лампами IR1, IR2, IR3 инфракрасного излучения, смонтированными и ориентированными на ней на элементах 110 и 120 на расстоянии, равном приблизительно 2 дюйма (50,8 мм), от панели 20 для направления энергии инфракрасного излучения приблизительно на два дюйма (50,8 мм) выше нижних концов тепловых труб НР1, НР2, НР3. Лампы IR1, IR2, IR3 инфракрасного излучения возбуждают для того, чтобы направлять энергию инфракрасного излучения, а температуру панели контролируют вблизи нижних концов тепловых труб НР1, НР2, НР3 посредством термопар ТС1, ТС2, ТС3, соответственно, для определения, когда температура увеличивается, останавливается, а затем падает и стабилизируется, показывая, что тепловые трубы НР1, НР2, НР3 работают в режиме обратного потока. Подают электропитание к аппаратным средствам E1, E2, Е3, генерирующим тепло. Направляют охлажденный воздух 95 из кондиционера 90 на панель 20 в местоположения против тех мест, где смонтированы аппаратные средства Е1, Е2, Е3. На фиг.6 приведен график температуры одного аппаратного средства, которое генерирует приблизительно 94 Вт в течение 2 минут, то есть после того, как тепловые трубы работают в режиме обратного потока и температура стабилизирована, причем температура на соответствующей термопаре не иллюстрируется. Другие варианты осуществления настоящего изобретения станут очевидными для обычного специалиста в этой области техники и объем настоящего изобретения должен быть ограничен только формулой изобретения, которая приведена ниже. Например, несколько горизонтальных элементов 120, причем каждый имеет множество ламп инфракрасного излучения, смонтированных на них с возможностью регулировки положения, могут быть установлены также с возможностью регулировки положения на вертикальных элементах 110, 112 для обеспечения возможности установки более сложной матрицы ламп, соответствующей более сложной компоновке тепловых труб в панели 20. Формула изобретения
РИСУНКИ
MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 11.04.2003
Извещение опубликовано: 20.11.2004 БИ: 32/2004
|
||||||||||||||||||||||||||
