Установка для проведения испытаний на термостойкость образцов батарей фотоэлектрических
INSTALLATION FOR TESTING THE THERMAL STABILITY OF SAMPLES OF PHOTOVOLTAIC BATTERIES

Изобретение относится к испытаниям космической техники, а именно к установкам для имитации тепловых режимов работы элементов космических аппаратов (КА), и может быть использовано для проведения испытаний образцов батарей фотоэлектрических на термостойкость в наземных условиях.
Известно устройство для испытания изделия на термическую усталость (см. патент SU №1762184 А1, опубл. 15.09.1992 г.), принятое за аналог и содержащее соосно установленные теплоизолированные камеру нагрева, камеру охлаждения, соединенные друг с другом посредством фланца с центральным отверстием и контейнер для изделия с механизмом его перемещения, при этом устройство снабжено установленному соосно контейнеру стаканом с электронагревателем, а фланец выполнен с перфорацией на торцах.
Недостатком вышеуказанного устройства-аналога является отсутствие возможности соблюдения условий испытаний для оценки работоспособности устройств, температуры эксплуатации которых находятся в диапазоне воздействии температур от 77 К до 473 К (от минус 196°С до плюс 200°С).
Признаки аналога, общие с предлагаемой установкой для проведения испытаний на термостойкость образцов батарей фотоэлектрических, следующие:
соосно установленные камера нагрева и камера охлаждения, соединенные друг с другом посредством фланца с центральным отверстием и контейнер (кассета) для изделия с механизмом его перемещения.
Наиболее близкой к предлагаемой установке для проведения испытаний на термостойкость образцов батарей фотоэлектрических и принятой за прототип, является установка для проведения испытаний стойкости к термоударам приборов космического назначения (см. патент РФ №2652525, опубл. 26.04.2018 г.), содержащая соединенные между собой камеры охлаждения и нагрева с нагревателем, контейнер для размещения образцов, выполненный с возможностью перемещения между камерами на тяге, и сосуд Дьюара, установка размещена на станине и снабжена датчиками температуры в камере нагрева, в камере охлаждения, в контейнере для образцов и датчиком температуры сжиженного газа и счетчиком испытательных циклов, при этом камера охлаждения соединена с сосудом Дьюара, снабженный управляемым испарителем. Кроме того, нагреватель снабжен терморегулятором, сосуд Дьюара снабжен датчиком отсутствия сжиженного газа со звуковым сопровождением, в камерах охлаждения и нагрева выполнены отверстия для регулирования давления сжиженного газа.
Недостатком прототипа заключается: в ограничении габаритных размеров испытываемых изделий из-за конструктива, в отсутствии возможности проведения испытаний в диапазоне воздействии температур от 77 К до 473 К (от минус 196°С до плюс 200°С), в неравномерности распределения температур по всей поверхности образца.
Признаки прототипа, общие с признаками предлагаемой установки для проведения испытаний на термостойкость образцов батарей фотоэлектрических следующие:
- соединенные между собой камеры охлаждения и камеры нагрева с нагревателем, с кассетой для размещения образцов, выполненной с возможностью перемещения между камерами на тяге;
- камера нагрева с нагревателем, снабженным терморегулятором;
- наличие сменного сосуда Дьюара, снабженного управляемым испарителем, оснащенного датчиком отсутствия сжиженного газа со звуковым сопровождением;
Техническим результатом, достигаемом в предлагаемой установке для проведения испытаний на термостойкость образцов батарей фотоэлектрических является: расширение температурных условий испытаний в результате комплексного использования теплообмена за счет лучистой энергии и конвективной теплопередачи, управление конвективным теплообменом при охлаждении и нагреве для равномерного распределения температуры по всей поверхности образца батареи фотоэлектрической, а также новый конструктив камеры охлаждения и камеры нагрева, который позволяет подстраиваться под габаритные размеры испытываемых изделий.
Отличительные признаки предлагаемой установки для проведения испытаний на термостойкость батарей фотоэлектрических, обеспечивающие ее соответствие критерию «новизна», следующие: введение дополнительно в камеру охлаждения криоэкрана коробчатой формы, выполненного из трубчатого профиля;
введение дополнительно обводного рециркуляционного канала, расположенного в камере нагрева;
введение дополнительно заслонки, расположенной между камерой охлаждения и камерой нагрева.
Достигается вышеуказанный технический результат тем, что в установке для проведения испытаний на термостойкость образца батареи фотоэлектрической, содержащей соединенные между собой камеру охлаждения, камеру нагрева с нагревателем и кассету (контейнер) для размещения образцов, выполненную с возможностью перемещения между камерами на тяге, и снабженную датчиками температуры, камера охлаждения снабжена, датчиком температуры сжиженного газа, при этом камера нагрева снабжена терморегулятором, кроме того, установка обеспечена сменным сосудом Дьюара с датчиком отсутствия сжиженного газа, при этом между камерой охлаждения и камерой нагрева размещена заслонка, разделяющая температурные зоны от влияния друг на друга, а в камере охлаждения размещен криоэкран коробчатой формы, выполненный из трубчатого профиля с дополнительными обратными трубопроводами с возможностью рециркуляции паров сжиженного газа в зоне охлаждения, при этом камера нагрева оснащена обводным рециркуляционным каналом с возможностью принудительной рециркуляцией разогретого газа.
Конструкция камеры охлаждения выполнена с возможностью размещения в ней криоэкрана коробчатой формы, выполненного из трубчатого профиля с каналами, заполняемыми сжиженным газом, причем часть паров сжиженного газа на выходе возвращается обратно по кругу к основанию криоэкрана, что позволяет распределить криогенный газ в рабочей зоне охлаждения. Таким образом, управление конвективным теплообменом при охлаждении за счет потока рециркуляционных паров сжиженного газа из криоэкрана понижает достигаемую температурную границу холода и воздействует на всю площадь испытываемых изделий вне зависимости от их габаритов.
Конструкция вентилируемой камеры нагрева выполнена с возможностью размещения в ней нагревателя, состоящего из блока термоизлучающих ламп типа КГТ в вертикальной плоскости по всей площади образца фотопреобразователей, и оснащена обводным рециркуляционным каналом между верхней и нижней зоны нагрева. Таким образом за счет рециркуляции разогретого газа из верхней рабочей зоны нагрева в нижнюю зону камеры нагрева осуществляется равномерное распределение температуры по всей поверхности образца батареи фотоэлектрической.
Для доказательства соответствия предлагаемой установки для проведения испытаний на термостойкость образцов батарей фотоэлектрических критерию «изобретательский уровень» была проанализирована вся совокупность признаков и отдельно отличительные признаки. Установлено, что применение отличительных признаков, дающих в совокупности с известными признаками вышеуказанный технический результат, в литературных источниках не обнаружено. Таким образом, по мнению авторов, предлагаемая установка для проведения испытаний на термостойкость образцов батарей фотоэлектрических соответствует критерию «изобретательский уровень».
Предлагаемая установка для проведения испытаний на термостойкость образцов батарей фотоэлектрических изображена на фиг. 1 и фиг. 2.
Установка для проведения испытаний на термостойкость образцов батарей фотоэлектрических размещается (фиг. 1) на сварной раме 1 с вертикальными стойками 2 и содержит камеру охлаждения 3 в виде корпуса 4 с термоизоляцией 5 и криоэкран 6 коробчатой формы, который соединен трубопроводом с сосудом Дьюара 7.
Кроме того, установка содержит камеру нагрева 8 с дверью, совмещенной с обводным рециркуляционным каналом 9. На задней стенке камеры нагрева 8 расположен нагреватель 10, который состоит из блока термоизлучающих, горизонтально расположенных ламп типа КГТ в вертикальной плоскости, при этом каждая термоизлучающая лампа нагревателя оснащена регулятором-стабилизатором (на фиг. 1 не показано).
Камера охлаждения 3 соединена с камерой нагрева 8 через заслонку 11, разделяющую рабочее пространство на зону нагрева и охлаждения.
Кассета для размещения образцов батарей фотоэлектрических 12, закрепленная на вертикальной тяге 13 перемещается между камерами охлаждения 3 и нагрева 8 при помощи возвратно-поступательного механизма 14.
Подача сжиженного газа (фиг. 2) осуществляется в нижние сдвоенные коллекторы 15 криоэкрана 6, посредством которых распределяется сжиженный газ по вертикальным сообщающимся каналам трубчатого профиля 16, при этом каждый канал оснащен сифонной трубкой 17, по которой сжиженный газ возвращается обратно в канал, выталкиваемый парообразной смесью газа. В лабиринтах верхних сдвоенных коллекторов 18 криоэкрана 6 собираются пары сжиженного газа и отводятся в систему выхлопа 19, а выбросы сжиженного газа по угловым стойкам 20 возвращаются обратно в нижние коллекторы 15. Уровень сжиженного газа в каналах криоэкрана 7 контролируется термодатчиком 21, расположенным под верхним коллектором 18. Через обратные трубопроводы 22 криоэкрана 6 осуществляется рециркуляция парами сжиженного газа зоны охлаждения, причем испарившиеся газы заполняют камеру охлаждения 3 и камеру нагрева 8, изолируя зону испытаний от попадания внутрь внешней среды.
Пример конкретного выполнения предлагаемой установки для проведения испытаний на термостойкость образца батареи фотоэлектрической.
Закрепленный на кассете образец 12 батареи фотоэлектрической (фиг. 1), крепят в камере нагрева 8 к вертикальной тяге 13 возвратно-поступательного механизма 14. Включают подачу криогенной жидкости (жидкого азота) в криоэкран 6 камеры охлаждения 3. По достижении отрицательной температуры на поверхности криоэкрана 6 минус 196°С включают нагреватель 10 вместе с принудительной рециркуляцией в камере нагрева 8. Начинается время отсчета выдержки испытываемого образца 12 батареи фотоэлектрической при положительной температуре.
После достижения заданной положительной температуры образцом батареи фотоэлектрической открывают на время перемещения заслонку 11, включают возвратно-поступательный механизм 14 и перемещают кассету с образцом 12 в камеру охлаждения 3, и затем начинают выдержку при отрицательной температуре, при этом криоэкран 6 подпитывается жидким азотом из сосуда Дьюара 7.
После окончания выдержки при отрицательной температуре открывают на время перемещения заслонку 11 и перемещают образец обратно в камеру нагрева 8, и далее начинается следующий термоцикл.