Коаксиальная тепловая труба для системы терморегулирования космического летательного аппарата и способ ее изготовления
Изобретение относится к системам термостабилизации, в частности к испарительно-конденсационным системам термостабилизации в виде коаксиальных тепловых труб и может быть использовано для термостабилизации электронных и других тепловыделяющих блоков, помещаемых в летательные аппараты и другие объекты. Целью изобретения является повышение надежности и эффективности работы системы терморегулирования, а также увеличение эффективности и уменьшение времени изготовления тепловой трубы. Система терморегулирования выполняется в виде коаксиальной тепловой трубы, содержащей внутренний и внешний цилиндры, расположенные соосно с образованием кольцевого зазора между ними. В зазоре размещена капиллярная структура в виде ворсового материала, пропитанная теплоносителем. Капиллярными каналами являются жгуты или нити из ворсового материала. При этом ворсинки ориентированы по нормали или под углом в к поверхности кольцевого зазора, что привод к гарантии возврата рабочей жидкости в зону парообразования на поверхности цилиндра в процессе работы. Изготовление тепловой трубы состоит в том, что образование капиллярной структуры производят одновременно со сборкой системы путем формирования непосредственно на рабочей поверхности зоны парообразования на поверхности внутреннего цилиндра ворсового слоя намоткой волокнистой ворсовой ленты по спирали с обеспечением контакта ворсового материала с зоной конденсации на внутренней поверхности внешнего цилиндра и с одновременным скреплением ворсового слоя с поверхностью зоны переобразования цилиндра 1. 2 с. п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области обеспечения заданного теплового режима полезной нагрузки летательных аппаратов, а более конкретно к системам терморегулирования и охлаждения, основанным на использовании испарения и конденсации, и может быть использовано для термостабилизации электронных и других тепловыделяющих блоков, помещаемых в летательные аппараты и другие объекты. Известно устройство, применяемое для изотермических оболочек различного назначения, например, в туннельных печах. В устройстве, представляющем собой кольцевую тепловую трубу, расположенные на некотором расстоянии одна от другой внутренняя и наружная трубки образуют вместе с торцевыми стенками замкнутую кольцевую камеру, внутренние поверхности которой покрыты фитильным материалом, причем слои фитильного материала соединены между собой перемычками из такого же фитильного материала, в частности, из металлической сетки. При подводе тепловой энергии к внутренней трубке фитильный материал транспортирует теплоноситель из холодных зон, где теплоноситель конденсируется, к горячим зонам, где он испаряется. Внутри центральной части кольцевой трубы, окруженной внутренней трубкой, и по всей ее длине, создается изотермическая полость. Устройство сложно и недостаточно надежно из-за того, что перемычки между фитильными структурами внутренней и наружной трубок являются отдельными конструктивными элементами, для каждого из которых необходимо обеспечить надежный контакт как с наружной, так и с внутренней фитильными структурами. Кроме того, изготовление отдельных объемных фитильных элементов из металлической сетки требует организации их специального производства, а также значительного усложнения сборки тепловой трубы. Наиболее близким техническим решением является преобразователь радиального теплового потока, выполненный в виде тепловой трубы и предназначенный для передачи тепловой энергии в радиальном направлении. Он содержит два цилиндра, расположенных соосно с образованием кольцевого зазора, соединенных между собой сеткой из групп капиллярных каналов, расположенных в радиальных направлениях. Пространство между каналами заполнено паром. В случае, когда температура охлаждаемых объектов выше температуры испарения рабочего вещества, происходит испарение этого вещества с отбором теплоты с поверхности испарения, затем конденсация на противоположной стенке с выделением теплоты. Возврат конденсата в зону испарения происходит по капиллярной структуре, расположенной между цилиндрами. Капиллярная структура, расположенная между цилиндрами, имеет надежный контакт с внутренним и наружным цилиндрами. Недостатком этого устройства является то, что для обеспечения надежности контакта требуется существенным образом усложнить устройство в целом. Действительно, фитильная структура здесь набирается из отдельных фигурных тканевых дисков с вырезанными секторами, которые должны быть при сборке строго ориентированы друг относительно друга с целью обеспечения достаточной ширины прослоек для парового пространства, что, естественно, влечет за собой организацию производства как отдельных элементов фитиля, так и достаточно сложного процесса сборки тепловой трубы. Наиболее близким по технической сущности способом является способ изготовления тепловой трубы, включающий изготовление капиллярной структуры в виде войлока из волокон рефрасила (кремнезема), металлических, керамических волокон, раскроя в соответствии с требуемыми формой и размерами, и сборку тепловой трубы путем закрепления капиллярной структуры в требуемом направлении в корпусе трубы. Целью изобретения является повышение надежности и эффективности работы системы терморегулирования и, кроме того, увеличение эффективности и уменьшение времени изготовления тепловой трубы. Поставленная цель достигается тем, что система терморегулирования летательного аппарата выполняется в виде коаксиальной тепловой трубы, содержащей два цилиндра, расположенных соосно с образованием кольцевого зазора между ними, в котором размещена капиллярная структура, пропитанная теплоносителем с капиллярными каналами ориентированными в радиальном направлении. Капиллярная структура выполнена из ворсового материала. При этом ворсинки оpиентированы по нормали или под углом к поверхности кольцевого зазора, что обусловлено необходимостью обеспечения гарантированного возврата рабочей жидкости в зону парообразования. Рабочая жидкость имеет температуру испарения, близкую к допустимой температуре охлаждаемого оборудования. Ворсинки из волокнистых жгутов или нитей являются фитилями для множества образовавшихся таким образом тепловых труб. Высокий уровень эффективности устройства обусловлен особенностью конструкции фитиля в виде ворсовой капиллярной структуры, обеспечивающей более высокий кипиллярный напор по сравнению с другими конструкциями, например, войлоком. Способ изготовления такой системы состоит в том, что изготовление капиллярной структуры тепловой трубы и закрепление ее на одной из поверхностей кольцевого зазора производят одновременно путем намотки волокнистой ворсовой ленты, выполненной из нитей для жгутов по спирали на эту поверхность. На фиг. 1 изображено осевое сечение коаксиальной тепловой трубы для системы терморегулирования летательного аппарата; на фиг. 1 изображен фрагмент пространства между внутренней и внешней обшивками коаксиальной тепловой трубы. Коаксиальная тепловая труба содержит внутренний цилиндр 1 корпуса, закрепленный на тепловыделяющем объекте 2, снабженным теплоаккумулятором 3, на некотором расстоянии от внутреннего цилиндра 1 расположен внешний цилиндр 4. В кольцевом зазоре 5 между цилиндрами 1 и 4 расположен ворсовой материал 6, пропитанный рабочей жидкостью. При этом ворсовые нити закреплены на поверхности цилиндра 1 и в то же время находятся в контакте внутренней поверхностью цилиндра 4. Ворсовой материал представляет собой жгуты из волокон или нитей в виде ворсовой ленты, охватывающей по спирали поверхность цилиндра 1, кольцевой зазор 5 заполнен парами рабочей жидкости, а сами жгуты ворсового материала 6 пропитаны этой жидкостью. В качестве рабочей жидкости по своим физическим свойствам поставленным требованиям могут удовлетворить, например, ацетон, метиловый или этиловый спирт, гептан и т.п. то есть жидкость, точка кипения которых не превышает допустимой температуры эксплуатации охлаждаемых изделий. Способ изготовления коаксиальной тепловой трубы позволяет совместить раскрой и формирование фитиля с процессом ее сборки. Это достигается тем, что на внутренний цилиндр трубы 1 наносят ворсовой материал 6 путем намотки волокнистой ворсовой ленты по спирали. Нити или жгуты ворсовой ленты при намотке ориентируют перпендикулярно или под углом к поверхности кольцевого зазора 5 между цилиндрами 1 и 4. Одновременно с намоткой осуществляют скрепление ворсовой ленты с внутренней поверхностью цилиндра 1. Далее внутренний цилиндр 1 помещают в наружный цилиндр 4, пространство между ними, содержащее ворсовый материал 6 герметизируют, а затем заполняют рабочей жидкостью. В начале рабочего цикла, когда температура внешнего цилиндра 4 ниже допустимой, тепловой поток исходит только от тепловыделяющих элементов 2 полезной нагрузки. Этот тепловой поток расходуется ибо на плавление вещества теплоаккумулятора 3, либо непосредственно подводится к цилиндру 1 тепловой трубы. По мере расплавления вещества теплоаккумулятора 3 (в случае его наличия) или непосредственно под воздействием теплового потока от тепловыделяющих элементов 2 прогревается и внутренний цилиндр 1 тепловой трубы. При достижении температуры фазового перехода "жидкость-пар" рабочей жидкости, эта жидкость испаряется и за счет теплоты фазового перехода охлаждает поверхность цилиндра 1 до температуры фазового перехода. Испарение рабочей жидкости происходит в поры между ворсинками. Пары рабочей жидкости достигая наружного цилиндра 4, имеющего более низкую температуру, конденсируются на нем, а затем за счет капиллярного эффекта возвращаются по ворсинкам к их основанию, то есть к цилиндру 1. Далее процесс повторяется и идет непрерывно до тех пор, пока имеет место разность температур между цилиндрами 1 и 4. Образовавшаяся таким образом рассредоточенная тепловая труба, зона испарения которой находится вблизи цилиндра 1, а зона конденсации вблизи цилиндра 4, осуществляется отвод теплоты от тепловыделяющего объекта 2 в окружающее пространство. При повышении температуры наружной атмосферы выше допустимой тепловая труба работает, как теплоизолятор, который препятствует проникновению теплового потока внутрь летательного аппарата к полезной нагрузке. Использование предлагаемого изобретения позволяет повысить эффективность системы термостабилизации, повысить надежность работы охлаждаемой аппаратуры за счет стабилизации ее теплового режима, и кроме того, существенно упростить изготовление капиллярной структуры фитиля и технологию сборки тепловой трубы.
Формула изобретения
1. Коаксиальная тепловая труба для системы терморегулирования космического летательного аппарата, содержащая два цилиндра, расположенные соосно с образованием кольцевого зазора, в котором размещена капиллярная структура, пропитанная теплоносителем, с капиллярными каналами, ориентированными в радиальном направлении, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности и эффективности работы системы терморегулирования, капиллярная структура выполнена из ворсового материала, у которого ворсинки из волокнистых жестких жгутов или нитей ориентированы по нормали и под углом к поверхностям кольцевого зазора и контактируют с ними. 2. Способ изготовления коаксиальной тепловой трубы для системы терморегулирования космического летательного аппарата, включающий изготовление капиллярной структуры и сборку тепловой трубы, отличающийся тем, что, с целью увеличения эффективности и уменьшения времени изготовления трубы, изготовление капиллярной структуры и закрепление ее на одной из поверхностей кольцевого зазора тепловой трубы производят одновременно путем намотки по спирали на эту поверхность волокнистой ворсовой ленты, выполненной из нитей или жгутов.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 09.10.1994
Номер и год публикации бюллетеня: 29-2001
Извещение опубликовано: 20.10.2001
