ПАНЕЛЬ ХОЛОДИЛЬНИКА-ИЗЛУЧАТЕЛЯ
REFRIGERATOR-EMITTER PANEL

Изобретение относится к космической технике, в частности к элементам устройств, которые за счет лучистого теплообмена сбрасывают излишки тепла. Изобретение может быть использовано в конструкциях спутников и энергетических установок.
Холодильники-излучатели служат для снижения температуры теплоносителя, проходящего через них, сбрасывая в окружающее пространство тепловой поток за счет лучистого теплообмена.
Известны различные конструкции панели холодильника-излучателя. Например, панель холодильника-излучателя, известная из US 20110277959 A1, 17.11.2011, выполнена из металлического профиля с каналом, по которому течет теплоноситель, или раскрытая в US 4832113 А, 23.05.1989 металлическая панель холодильника-излучателя, снабженная каналом, через который проходит трубка с теплоносителем. Существенным недостатком вышеуказанных решений является то, что выполнены они из металла, в связи с чем обладают плохими весовыми характеристиками.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является панель холодильника-излучателя, известная из ЕР 2535276 B1, 19.12.2012. Известная панель содержит теплоизлучающую пластину из композиционного материала и металлические трубки для теплоносителя, размещенные между теплоизлучающей пластиной и накладками из композиционного материала. Каждая накладка соединена с пластиной и содержит участок, форма которого соответствует форме трубки.
К недостаткам наиболее близкого аналога можно отнести следующее:
- панель холодильника-излучателя состоит из плоской пластины и трубок, прикрепленных к ней с одной стороны посредством накладок. При таком исполнении панели контактная поверхность между трубкой и излучающей частью панели невелика, что снижает эффективность отвода тепла;
- профиль трубки, известный из указанного источника, имеет центральный канал круглого сечения и внешнюю поверхность, имеющую в сечении вид квадрата с двумя сглаженными углами. Такой профиль имеет толстую стенку, что приводит к утяжелению конструкции панели;
- применение прокладок из полимеров, например фторопласта, размещаемых между пластиной и трубкой и используемых для снижения напряжений трения между ними, приводит к дополнительному тепловому сопротивлению и снижению эффективности отвода тепла.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков и получение новой конструкции панели холодильника-излучателя.
Технический результат изобретения состоит в снижении массы панели холодильника излучателя при увеличении эффективного сброса тепла.
Для решения задачи и обеспечения технического результата предлагается панель холодильника-излучателя, которая содержит теплоизлучающую пластину из композиционного материала и металлические трубки для теплоносителя, размещенные между теплоизлучающей пластиной и накладками из композиционного материала. Каждая накладка соединена с пластиной и содержит участок, форма которого соответствует форме металлической трубки. В теплоизлучающей пластине выполнены цилиндрические канавки, в которых размещены металлические трубки для теплоносителя. Накладки и теплоизлучающая пластина выполнены из углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ). При этом теплоизлучающая пластина содержит расположенные между трубками отверстия, в которых натянуты углеродные волокна (УВ) с теплопроводностью более 300 Вт/м⋅К.
Пространство между накладкой и металлической трубкой, а также теплоизлучающей пластиной и металлической трубкой может быть заполнено высокотеплопроводной смазкой.
Металлические трубки могут быть выполнены из алюминия, или меди, или стали.
В углерод-углеродном композиционном материале могут быть использованы углеродные волокна с высокой теплопроводностью в виде параллельных непрерывных нитей, или лент, или ткани, или сетки.
Углеродные волокна, натянутые в отверстиях пластины, могут быть выполнены в виде нитей, или жгутов, или лент, или ткани, или сетки.
Панель может быть снабжена ребром жесткости.
Предлагаемое изобретение поясняется графическими изображениями.
На фиг. 1 представлен общий вид панели холодильника-излучателя.
На фиг. 2 изображена теплоизлучающая пластина согласно изобретению.
На фиг. 3 представлен пространственный вид панели холодильника-излучателя, снабженной ребром жесткости.
Панель холодильника-излучателя содержит теплоизлучающую пластину 1 из композиционного материала и металлические трубки 2 для теплоносителя, размещенные между теплоизлучающей пластиной 1 и накладками 3 из композиционного материала. Каждая накладка 3 соединена с пластиной 1 и содержит участок 4, форма которого соответствует форме металлической трубки 2. В теплоизлучающей пластине 2 выполнены цилиндрические канавки 5, в которых размещены металлические трубки 2 для теплоносителя. Такое конструктивное исполнение увеличивает контактную поверхность между трубками и пластиной. Накладки 3 и теплоизлучающая пластина 1 выполнены из углерод-углеродного композиционного материала. При этом теплоизлучающая пластина 1 содержит расположенные между трубками отверстия 6, в которых натянуты углеродные волокна 7, что обеспечивает значительное снижение массы теплоизлучающей пластины и панели холодильника-излучателя в целом. Использование натянутых в отверстиях углеродных волокон с теплопроводностью более 300 Вт/м⋅К позволяет увеличить эффективность сброса тепла в космическое пространство. При увеличении габаритов панели, она может быть снабжена ребром жесткости 8 для обеспечения жесткости конструкции.
Накладки могут быть закреплены к теплоизлучающей пластине при помощи различных крепежных элементов, например болтов, или винтов, или шпилек.
Углерод-углеродные композиционные материалы - это легкие и прочные материалы на основе углеродной матрицы и углеродных волокон. В качестве матрицы используют пироуглерод, коксовые остатки термореактивных смол, каменноугольный или нефтяной пек, в качестве волокон-наполнителей высокопрочные углеродные волокна - нити (непрерывные и рубленые), жгуты, ткани, пространственные конструкции из волокна. Теплофизические свойства УУКМ позволяют использовать их в широком диапазоне температур. Изготовление УУКМ из углеродных волокон с высокой теплопроводностью, например из УВ марок XN-80-60S, XN-80-A2S, XN-90-60S, позволяет существенно увеличить теплопроводность УУКМ и, как следствие, эффективность сброса тепла панелью холодильника-излучателя, изготовленной из указанного материала.
Для улучшения теплового контакта пространство между накладкой и металлической трубкой, а также теплоизлучающей пластиной и металлической трубкой заполнено высокотеплопроводной смазкой. В качестве высокотеплопроводной смазки может быть применена кремнеорганическая паста с повышенным содержанием медной пудры (КПТ-8 или КПТ-13).
Предлагаемое изобретение характеризуется высокой прочностью конструкции, и применение УУКМ и высокотеплопроводных углеродных волокон в конструкции панели холодильника-излучателя, а также конструктивное исполнение теплоизлучающей пластины и накладок согласно изобретению позволяет снизить массово-габаритные характеристики панели при увеличении эффективности сброса тепла в космическое пространство.
Устройство работает следующим образом. Теплоноситель отбирает тепло от охлаждаемых частей космического аппарата и попадает в металлические трубки панели холодильника-излучателя. Теплоизлучающая пластина и накладки сбрасывают излучением в окружающее космическое пространство тепловой поток, идущий от трубок с теплоносителем, тем самым понижая температуру теплоносителя.
Эффективность сброса тепла панелью холодильника-излучателя можно оценить параметром m/Q, где m - масса панели в кг, Q - сбрасываемая энергия в кВт, чем ниже значение указанного параметра, тем выше эффективность. Для известных конструкций панелей холодильников-излучателей параметр m/Q, оцененный в диапазоне температур 650÷385 К, приблизительно равен 2,5. Предлагаемая конструкция панели холодильника-излучателя характеризуется параметром m/Q≈0,5÷0,7, оцененным в том же интервале температур. Как видно из приведенных данных, предлагаемое изобретение обеспечивает наиболее эффективный сброс тепла в космическое пространство, чем известные конструкции того же назначения.