Brevet FR2815935A1 — publié le 20020503

SYSTEME DE TUBES THERMIQUES A DOUBLE ALESAGE EN UNE COUCHE DESTINE A DES PANNEAUX D'EQUIPEMENTS ET DE RADIATEURS La présente invention se rapporte d'une façon générale à un engin spatial, et plus particulièrement, à un dispositif de dissipation de chaleur comprenant un tube thermique à double alésage en une couche destiné à une utilisation dans ou sur des panneaux d'équipements et de radiateurs d'un engin spatial. Le cessionnaire de la présente invention fabrique et déploie des engins spatiaux de communication. De tels engins spatiaux utilisent des tubes thermiques qui sont utilisés pour dissiper de la chaleur. Les tubes thermiques transfèrent l'énergie thermique provenant des panneaux d'équipements vers les panneaux de radiateurs de l'engin spatial où elle est rayonnée dans l'espace. Par exemple, des engins spatiaux classiques comportent des panneaux de radiateurs montés sur des côtés opposés de ceux-ci. Les panneaux de radiateurs sont positionnés de façon caractéristique dans les directions nord et sud et sont utilisés pour dissiper la chaleur provenant des composants électroniques de l'engin spatial. Les panneaux des radiateurs s'étendent de façon caractéristique au travers de la surface latérale du corps de l'engin spatial de sorte que l'énergie thermique est distribuée sur le panneau de manière à être rayonnée de façon efficace dans l'espace. En raison des effets solaires, de même que de la chaleur provoquée par les composants électroniques de l'engin spatial, il est souvent difficile pour les panneaux de radiateurs de dissiper de façon efficace la chaleur générée à l'intérieur du corps de l'engin spatial. Le brevet des Etats-Unis ? 5 806 803 décrit un réseau de tubes thermiques qui est conçu à partir de tubes thermiques formés et droits reliés ensemble par un matériau hautement conducteur, tel que du Grafoil, qui est utilisé en tant que joint d'interface. Le réseau de tube thermique est interconnecté aux panneaux sous le nadir et auxiliaires, et est relié thermiquement aux panneaux de radiateurs nord et sud. Les composants électroniques sont montés sur les tubes thermiques sur des panneaux fixés aux panneaux de radiateurs principaux de l'engin spatial. Les tubes thermiques transfèrent l'énergie thermique vers les panneaux de radiateurs où elle est rayonnée dans l'espace. Les satellites précédents mis au point par le cessionnaire de la présente invention ont utilisé des tubes thermiques en matrice reliés du nord au sud avec des tubes thermiques se croisant du nord au sud externes à tous les panneaux et ont utilisé une face à l'extérieur des panneaux de radiateur en tant qu'interface. La matrice de tubes thermiques comprend d'une façon générale des tubes thermiques uniques horizontaux et verticaux interconnectés qui éliminent la chaleur provenant de l'équipement générant de la chaleur (charge utile) sur l'engin spatial. Il serait souhaitable d'avoir un système qui améliore la capacité à dissiper la chaleur générée à bord de l'engin spatial, et qui apporte une amélioration par rapport aux systèmes utilisés précédemment. De ce fait, la présente invention a pour but de réaliser un dispositif de dissipation de chaleur comprenant un tube thermique à double alésage en une couche destiné à une utilisation dans des panneaux d'équipements et de radiateurs d'un engin spatial. Afin d'atteindre les buts ci-dessus ainsi que d'autres, la présente invention réalise un dispositif de dissipation de chaleur amélioré, destiné à une utilisation sur un engin spatial. Le dispositif de dissipation de chaleur comprend un système de tubes thermiques à double alésage en une couche, destiné à une utilisation dans ou sur des panneaux d'équipement ou de radiateur de l'engin spatial. Le système de tube thermique à double alésage en une couche comprend une pluralité de tubes thermiques à double alésage en une couche, couplés au panneau, qui éliminent la chaleur provenant des éléments générant de la chaleur disposés à l'opposé des tubes thermiques à double alésage en une couche. Chaque tube thermique à double alésage comprend deux alésages adjacents. Les tubes thermiques peuvent être disposés sur les surfaces intérieures des panneaux, ou entre les surfaces intérieure et extérieure des panneaux. Les éléments générant de la chaleur, tels que des amplificateurs, des ordinateurs et des instruments de commande et de contrôle, et analogues, sont disposés sur une surface des panneaux opposée aux tubes thermiques à double alésage. Le tube thermique à double alésage en une couche peut être avantageusement façonné et acheminé afin de procurer un refroidissement amélioré. Les tubes thermiques à double alésage procurent une excellente interface thermique pour le montage d'équipements et réalisent une redondance. Le dispositif de dissipation de chaleur réalise des performances améliorées (capacité de rejet de la chaleur). Le dispositif de dissipation de chaleur réduit la masse globale des panneaux, les coûts de fabrication des panneaux, et la quantité de temps nécessaire pour fabriquer les panneaux. Les tubes thermiques en une couche employés dans le dispositif de dissipation de chaleur présentent une résistance thermique réduite par comparaison avec des structures antérieures de tubes thermiques en matrice mises au point par le cessionnaire de la présente invention. Le dispositif de dissipation de chaleur utilise des tubes thermiques à double alésage à fiabilité élevée, et permet une configuration de tubes thermiques simple et souple. Le dispositif de dissipation de chaleur minimise le nombre de tubes thermiques employés sur l'engin spatial en utilisant de longs tubes thermiques continus. Les diverses caractéristiques et les divers avantages de la présente invention peuvent être plus facilement compris en faisant référence à la description détaillée qui suit, prise en association avec les dessins annexés, dans lesquels des références numériques identiques indiquent des éléments de structure identique, et dans lesquels : La figure 1 illustre un engin spatial employant un exemple de dispositif de dissipation de chaleur conforme aux principes de la présente invention, La figure 2 illustre une vue partielle en coupe transversale d'un panneau de radiateur d'engin spatial contenant un exemple de dispositif de dissipation de chaleur conforme aux principes de la présente invention, et La figure 3 illustre une vue en plan d'une partie d'un exemple de panneau d'engin spatial employant un exemple de dispositif de dissipation de chaleur conforme aux principes de la présente invention. En se référant aux figures des dessins, la figure 1 illustre un engin spatial 20 employant un exemple de mode de réalisation du dispositif de dissipation de chaleur 10 conforme aux principes de la présente invention. L'engin spatial 20 comprend de façon caractéristique six panneaux 22 les plus à l'extérieur qui présentent chacun des surfaces extérieure et intérieure 23a, 23b ou des côtés 23a, 23b. Les surfaces extérieures 23a comprennent des surfaces de rayonnement de chaleur 23a tandis que les surfaces intérieures 23b comprennent des surfaces de montage d'équipements 23b. L'engin spatial 20 comprend ainsi six surfaces rayonnantes possibles, qui comprennent les surfaces extérieures ou faisant face à l'extérieur parmi les six panneaux 22 les plus à l'extérieur. Les surfaces rayonnantes 23a sont indiquées sur la figure 1 en tant que surface"A"face au nord, surface"B"face au sud, surface"C"face à l'est, surface"D"face à l'ouest, surface"E"face à la Terre et surface"F"faisant face à l'arrière ou faisant face au côté opposé à la Terre. L'engin spatial 20 comporte un ou plusieurs panneaux solaires déployables 23, dont l'un est représenté monté sur le panneau rayonnant faisant face au nord 22. L'engin spatial 20 comprend un ou plusieurs panneaux d'équipements 23b ou surfaces 23b sur lesquelles un équipement générant de la chaleur 11 est fixé. Dans l'exemple d'engin spatial 20 représenté sur la figure 1, les surfaces faisant face vers l'intérieur des panneaux nord et sud 22 sont utilisées en tant que panneaux de montage d'équipement 23b, bien que d'autres puissent être facilement employées. L'équipement générant de la chaleur 11 est de façon caractéristique disposé sur les surfaces faisant face vers l'intérieur des panneaux 22. Les surfaces faisant face vers l'extérieur des panneaux 22 rayonnent dans l'espace la chaleur générée par l'équipement générant de la chaleur 11. Certaines ou la totalité des surfaces faisant face vers l'extérieur 22 de l'engin spatial 20 peuvent être utilisées en tant que surfaces rayonnant de la chaleur 23a. De telles surfaces rayonnant de la chaleur 23a dissipent la chaleur provenant des composants générant de la chaleur 11, ou charge utile (tels que des systèmes de communication, des systèmes de commande, des instruments électroniques, des composants générant de la chaleur, et des amplificateurs, et analogues) disposés sur l'engin spatial 20. Le dispositif de dissipation de chaleur 10 conforme à la présente invention sera maintenant décrit d'une façon générale. Comme cela a été mentionné ci-dessus, chacun des panneaux 22 comporte des surfaces extérieure et intérieure 23a, 23b, ou côtés 23a, 23b. Conformément aux principes de la présente invention, un ou plusieurs tubes thermiques à double alésage 13, et de façon caractéristique une pluralité de tubes thermiques à double alésage 13 sont disposés en une seule couche (en sandwich) entre les surfaces extérieure et intérieure respectives 23a, 23b du panneau 22. Pour la clarté du dessin, seuls les tubes thermiques 13 associés à la surface"A"faisant face au nord sont représentés sur la figure 1, et la surface extérieure rayonnant de la chaleur 23a a été enlevée afin de montrer l'agencement des tubes thermiques 13. Les un ou plusieurs tubes thermiques 13 sont de préférence noyés entre les surfaces extérieure et intérieure 23a, 23b. Cependant, dans certaines applications, les tubes thermiques 13 peuvent être montés sur les surfaces intérieures ou de montage d'équipement 23b. Une vue partielle agrandie en coupe transversale illustrant des détails du dispositif de dissipation de chaleur 10 est représentée sur la figure 2. Plus particulièrement, la figure 2 illustre une vue en coupe transversale du dispositif de dissipation de chaleur 10 représenté sur la figure 1. Le dispositif de dissipation de chaleur 10 comprend un système 10 de tubes thermiques à double alésage en une couche (couche unique) destiné à une utilisation dans ou sur des panneaux d'équipement ou de radiateur 22 de l'engin spatial 20. Le dispositif de dissipation de chaleur 10 comprend un ou plusieurs (de préférence une pluralité) tubes thermiques à double alésage en une couche 13 qui comprennent deux tubes thermiques adjacents 13a, 13b. Des tubes thermiques multiples 13 sont utilisés afin de communiquer plus efficacement la chaleur hors de chacun des éléments respectifs générant de la chaleur 11. Les tubes thermiques à double alésage en une couche 13 peuvent être disposés sur la surface intérieure 22b ou bien comme cela est représenté sur la figure 2, être disposés entre les surfaces extérieure et intérieure 23a, 23b du panneau 22. De façon caractéristique, un matériau central de masse volumique élevée 15 est disposé dans l'espace entre les tubes thermiques adjacents 13. Les éléments générant de la chaleur 11, tels qu'un amplificateur à tube à onde progressive (TWT) 11 comportant une ou plusieurs pattes de montage 14, des amplificateurs de canaux lla ou des amplificateurs de puissance llb, par exemple, sont disposés (fixés) sur la surface faisant face à l'intérieur 23b du panneau 22 opposé au tube thermique à double alésage en une couche 13. En se référant maintenant à la figure 3, celle-ci illustre une vue en plan d'une partie d'un exemple de panneau d'engin spatial 22 employant un dispositif de dissipation de chaleur 10 conforme aux principes de la présente invention. Une moitié d'un panneau complet 22 est représentée sur la figure 3. L'autre moitié du panneau 22 est une image en miroir du panneau 22, illustrée sur la figure 3. Le panneau complet 22 comprend la pluralité de tubes thermiques à double alésage 13 configurés comme représenté sur la figure 1. Le panneau 22 est représenté comme comportant une pluralité d'amplificateurs à tubes à onde progressive 11, une pluralité d'amplificateurs de canaux (CAMP) liga, et une pluralité d'amplificateurs de puissance (AMP) llb disposés sur la surface faisant face à l'intérieur 23b du panneau 22. Le dispositif de dissipation de chaleur avant 10 comprend trois tubes thermiques à double alésage en forme de U 13 qui sont disposés à l'intérieur du panneau 22 de façon contiguë aux amplificateurs à tube à onde progressive 11 et aux amplificateurs de canaux liga. Les tubes thermiques à double alésage 13 illustrés sont accouplés aux autres moitiés respectives du tube thermique à double alésage 13 dans la moitié en miroir du panneau 22. ces trois tubes thermiques à double alésage 13 partagent la chaleur l'un avec l'autre. Ces trois tubes thermiques à double alésage 13 conduisent ainsi la chaleur dissipée par les amplificateurs à tubes à onde progressive 11 et les amplificateurs de canaux lla et la conduisent vers la surface extérieure 23a du panneau 22 où elle est rayonnée dans l'espace. Le dispositif de dissipation de chaleur 10 comprend deux tubes thermiques à double alésage en forme de U 13 qui sont disposés à l'intérieur du panneau 22 de façon contiguë aux amplificateurs de puissance llb. Ces deux tubes thermiques à double alésage 13 partagent la chaleur l'un avec l'autre. Ces deux tubes thermiques à double alésage 13 conduisent ainsi la chaleur dissipée par les amplificateurs de puissance llb et la conduisent vers la surface extérieure 23a du panneau 22 où elle est rayonnée dans l'espace. De nouveau, la totalité des tubes thermiques à double alésage respectifs 13 sont situés dans une seule couche, et laquelle peut être prise en sandwich entre les surfaces extérieure et intérieure 23a, 23b du panneau 22 ou bien être disposée sur la surface intérieure 23b du panneau 22. L'agencement en forme de U des tubes thermiques à double alésage 13 crée deux zones thermiques qui sont optimisées pour éliminer la chaleur provenant des amplificateurs à tubes à onde progressive 11 et des amplificateurs de canaux liga, et des amplificateurs de puissance llb, respectivement. Les tubes thermiques à double alésage en une couche 13 présentent un alésage plus petit qu'un tube thermique unique dimensionné pour éliminer la même quantité de chaleur. Ceci permet une meilleure interface thermique pour le montage d'équipements. Les tubes thermiques à double alésage 13 réalisent également une redondance et un meilleur refroidissement que les tubes thermiques à alésage unique présentant une capacité comparable d'élimination de chaleur. Le dispositif de dissipation de chaleur 10 décrit ci-dessus a été modélisé de façon analytique par les présents inventeurs. Les hypothèses du modèle sont comme suit. Chaque section du panneau 22 (c'est-à-dire la partie du panneau complet 22 représentée sur la figure 3) est de 76,2 cm (30 pouces) de large par 167,62 cm (66 pouces) de long, modélisée en détail pour être des noeuds de 7,62 cm (3 pouces) par 7,62 cm (3 pouces), 220 par panneau 22. Les conditions limites de base de modèle de matrice sont ajustées pour donner 0,028 W/cm2 (0,184 watt/pouce carré) de rejet de chaleur pour un engin spatial 20 sans tube thermique croisé. Les données sont indiquées dans le tableau de comparaison 1. La dissipation de chaleur représente 110 watts de sortie HF pour chaque amplificateur à tubes à onde progressive 11 actif dans la bande Ku (efficacité de 68 %) avec une perte de sortie de 0,9 dB. Les capacités thermiques du dispositif de dissipation de chaleur 10 sont déterminées en proportionnant la dissipation globale du panneau 22 jusqu'à ce que la température du tube thermique associée aux tubes thermiques 13 qui éliminent la chaleur provenant des amplificateurs de puissance llb soit égale à 48 C. La masse présentée représente uniquement les tubes thermiques 13, le matériau central de masse volumique élevée 15, l'adhésif et les entretoises (non représentées). La masse structurelle du panneau complet 22 n'est pas incluse. Tableau de comparaison 1 Masse de Tubes Masse des Masse/Masse de Dissipation configura thermiques tubes surface dissipa-/ - tion (kg/m) thermiques (kg/m2) tion Surface (kg) (kg) (kg/kW) W/cm2 (W/pouce carré) Panneau 11 à 6, 83 5, 34 18, 9 0, 285 de 2, 54 double (0, 184) cm (1 alésage pouce) à latéraux matrice 3 à double de base à alésage de double tête alésage Panneau 11 à un 3, 92 3, 06 11, 0 0, 0277 de 2, 54 seul (comprend (0, 179) cm (1 alésage la masse pouce) à latéraux des entrematrice 3 à un toises) de base à seul un seul alésage de alésage tête Panneau 5 tubes 3, 97 3, 10 11, 9 0, 0262 de 1, 27 thermiques (0, 169) cm (0, 5 à double pouce) en alésage une couche Les avantages de la présente invention sont indiqués dans le tableau de comparaison 1. Une configuration de matrice à un seul alésage permet des économies de masse d'approximativement 8 kg pour une dissipation thermique de 1 000 W en comparaison avec une configuration à double alésage de masse. La configuration de matrice à un seul alésage nécessite 5 % de surface de radiateurs supplémentaires par comparaison avec la configuration de base. La configuration de matrice à un seul alésage conserve une interface de panneau de 1 pouce habituellement utilisée par le cessionnaire de la présente invention. Les économies de masse résultant d'une configuration utilisant les tubes thermiques à double alésage en une couche 13 est d'approximativement 7 kg pour une dissipation thermique de 1 000 W par comparaison avec la configuration de base. Bien que les économies de masse soient légèrement inférieures pour la conception en une couche, la configuration de matrice à un seul alésage ne conserve pas une configuration de tubes thermiques en redondance. L'épaisseur de la configuration du panneau, modélisée en utilisant les tubes thermiques à double alésage en une couche 13 est de 0,5 pouce. La configuration en une couche nécessite une modification pour des charges utiles différentes. Si la surface des panneaux 22 est une contrainte (la masse des panneaux n'est pas prise en compte), la configuration utilisant les tubes thermiques à double alésage en une couche 13 fournit un mécanisme pour réduire à la fois la masse des tubes thermiques et la surface rayonnante. Ainsi, le dispositif de dissipation de chaleur comprenant un tube thermique à double alésage en une couche destiné à l'utilisation dans ou sur des panneaux d'équipement et de radiateurs d'un engin spatial a été décrit. Il doit être compris que le mode de réalisation décrit ci-dessus est simplement illustratif de certains des nombreux modes de réalisation particuliers qui représentent des applications des principes de la présente invention. A l'évidence, de nombreux autres agencements peuvent être facilement conçus par l'homme de l'art sans s'écarter de la portée de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif de dissipation de chaleur (10), destiné à une utilisation sur un engin spatial (20) comprenant un ou plusieurs panneaux (22) qui présentent une surface rayonnant de la chaleur (23a) et des éléments générant de la chaleur (11) disposés sur celle-ci, comprenant : un système de tubes thermiques comprenant une pluralité de tubes thermiques à double alésage en une couche (13), couplés au panneau (22), qui éliminent la chaleur provenant des éléments générant de la chaleur (11) disposés de façon opposée aux tubes thermiques à double alésage en une couche (13). 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les tubes thermiques à double alésage en une couche (13) sont disposés entre des surfaces extérieure (22a) et intérieure (22b) des un ou plusieurs panneaux (22). 3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les tubes thermiques à double alésage en une couche (13) sont disposés sur les surfaces intérieures (22b) des un ou plusieurs canaux. 4. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les éléments de génération de chaleur (11) sont choisis parmi le groupe constitué d'amplificateurs à tubes à onde progressive, d'amplificateurs de canaux et d'amplificateurs de puissance. 5. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le tube thermique à double alésage en une couche (13) comprend deux tubes thermiques adjacents disposés en une seule couche. 6. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le système de tubes thermiques comprend une pluralité de tubes thermiques à double alésage en forme de U (13). 7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel la pluralité de tubes thermiques à double alésage en forme de U (13) sont disposés de façon adjacente l'un à l'autre, de façon contiguë à la base de chaque U de sorte que la pluralité de tubes thermiques (13) partagent la chaleur l'un avec l'autre.