ТЕПЛОПРОВОД

Заявляемая полезная модель относится к средствам терморегулирования космических аппаратов, а именно к пассивным устройствам, обеспечивающим отвод тепла от одного элемента конструкции космического аппарата к другому элементу.
Из патента РФ на изобретение 2289895 (МПК Н05К 7/20, опубл. 20.12.2006) известно решение радиатора - устройства для охлаждения компонентов электронных устройств. Это техническое решение, включает одну или нескольких пустотелых панелей, внутренний объем которых перегородками разделен на полые ячейки, которые соединяются друг с другом в нижних частях. Пары из системы испарительного охлаждения поступают внутрь панелей в их ячейки, конденсируются на наружных стенках радиатора и стекают в нижнюю зону радиатора, откуда возвращаются в систему испарительного охлаждения.
Данное техническое решение нельзя практически использовать в условиях невесомости для теплового обмена между отдельными блоками космического аппарата без дополнительного оснащения космического аппарата газо-жидкостной системой терморегулирования, включающей трубопроводы и насосы, обеспечивающие принудительную циркуляцию пара и жидкого теплоносителя.
Из патента РФ 2303862 (МПК Н05К 7/20, опубл. 10.12.2004) известно устройство охлаждающего элемента различных электрических приборов. Охлаждающий элемент выполнен из основания, на котором расположено, по крайней мере, одно охлаждающее ребро. Основание выполнено с возможностью обеспечения теплового контакта с внешним по отношению к охлаждающему элементу блоком, который необходимо охладить. С использованием крепежных элементов основание охлаждающего элемента устанавливается на корпусе блока, подлежащего охлаждению. Отвод тепла от корпуса блока, подлежащего охлаждению, осуществляется за счет теплопередачи от корпуса блока через основание охлаждающего элемента к ребрам и рассеивания тепла от ребер в окружающее пространство излучением. Использование такого технического решения требует размещения охлаждаемого элемента или, по крайней мере, его части снаружи космического аппарата и не дает возможности обеспечить охлаждение элементов, располагаемых внутри элементов конструкции, например, корпусов.
Известен ряд технических решений (см., например, патенты США 5224030, 5255738, 5769158, 6060166, 6257328, патент Великобритании 2465402), в которых теплопровод содержит пакет теплопроводящих полос, соединенных с законцовками. Полосы пакета этих технических решений выполнены из композиционного материала на основе волокон или пластин из графита, скрепленных высокомолекулярными полимерными смолами.
Наиболее близким аналогом заявляемому решению теплопровода является решение, известное из патента США №6257328 (НКИ 165/185, МПК F02F 7/00, опубл. 10.07.2001).
В соответствии с этим решение гибкий теплопровод содержит пакет теплопроводящих полос, выполненный в форме прямоугольника, изогнутого, по крайней мере, один раз относительно поперечного направления -направления, параллельного короткой стороне пакета. Указанный пакет полос размещен в контейнере из высокомолекулярного полимера. В этом решении теплопроводящие полосы выполнены из материала на основе графита, при этом теплопроводящие полосы могут быть, например, склеены между собой. Кроме того, теплопровод рассматриваемого решения снабжен средствами крепления к внешним (по отношению к теплопроводу) элементам конструкции с возможностью обеспечения теплообмена между ними.
Кроме указанных элементов, рассматриваемое решение теплопровода содержит корпус, выполненный из высокомолекулярного полимера, например, из полиэфира толщиной от 20 до 30 мкм. При этом упомянутый пакет теплопроводящих полос помещен внутрь корпуса, а средства крепления теплопровода к внешним элементам конструкции могут быть выполнены за счет использования прижимных планок и разъемных соединений (винтов), за счет которых части теплопровода, разнесенные в продольном направлении, для обеспечения теплообмена прижаты к внешним (по отношению к теплопроводу) элементами конструкции.
Решая задачу уменьшения массы и габаритов теплопроводящих элементов для отвода теплоты электронного оборудования в персональных компьютерах, ноутбуках, информационных терминалах, работающих в земных условиях, использование рассмотренного технического решения теплопровода в устройстве космических летательных аппаратов является проблематичным.
Средства, предназначенные для отвода тепла от теплонагруженных элементов конструкции космического аппарата, как и другие блоки и аппаратура космического аппарата, должны работать длительное время в условиях вакуума, вибрационного и радиационного воздействия в широком диапазоне температур от минус 150 градусов С до плюс 150 градусов С.Кроме того, средства для отвода тепла на борту космических аппаратов должны обеспечивать отвод тепла от некоторых блоков космических аппаратов, например, элементов двигательных установок, разогреваемых в процессе работы до плюс 400…500 градусов С.
Использование корпуса и полос, выполненных в соответствии с рассматриваемым решением из сочетания графита и высокомолекулярного полимера, не дает возможности применения рассматриваемого решения на борту космического аппарата, так как характеристики высокомолекулярных полимеров не обладают достаточной радиационной и вибрационной стойкостью и не могут обеспечить работу в столь широком диапазоне температур.
Кроме того, рассматриваемое техническое решение теплопровода, выполненного из сочетания нескольких слоев графитовых пластин и слоев высокомолекулярного полимера, с невысокими прочностными характеристиками, не дает возможности обеспечения компенсации теплопроводом погрешностей установки некоторых блоков космических аппаратов, например, камер сгорания жидкостных ракетных двигателей малой тяги или установленных на них клапанов, из-за необходимости выполнения при их сборке и отработке в составе космических аппаратов подгонки теплопровода к уже установленным блокам, не нарушая их точной установки относительно друг друга.
Технической задачей, решаемой заявляемой полезной моделью, является разработка конструкции теплопровода, допускающего его крепление на элементах космических аппаратов, не нарушая точности их установки, в сочетании с возможностью их использования в условиях космического пространства для обеспечения теплосъема с элементов систем космических аппаратов, нагретых до температуры до 500 градусов Цельсия.
Поставленная техническая задача решается и технический результат достигается следующим образом.
Известный теплопровод содержит пакет, изогнутый, по крайней мере, один раз и набранный из теплопроводящих полос. Кроме того, теплопровод известного решения содержит законцовки, соединенные с периферийными частями пакета, разнесенными вдоль направления передачи тепла, и выполненными с обеспечением возможности теплообмена с внешними элементами.
Заявляемый теплопровод отличается тем, что полосы пакета изготовлены из технического алюминия. В заявляемом решении торцы полос периферийных частей пакета, соединенные с законцовками, скреплены друг с другом первыми сварными швами, наплавленными на торцы полос. Законцовки выполнены в виде пластин, торцы которых вторыми сварными швами соединены с пакетом полос. Кроме того, законцовки выполнены с обеспечением возможности крепления разъемными соединениями с внешними элементами.
Полосы, изготовленные из технического алюминия, в отожженном состоянии практически не имеют упругих деформаций и при нагружении сразу переходят в режим пластического деформирования, что допускает их использование при сборке прецизионных узлов космических аппаратов: крепление теплопроводов на уже установленные относительно друг друга блоки и агрегаты за счет пластической деформации теплопроводов и не нарушает их точной установки на космическом аппарате.
Так как жесткость пакета, набранного из тонких алюминиевых полос, значительно меньше жесткости пластины из цельного алюминия такой же толщины, то теплопровод, набранный из отдельных полос, позволяет как компенсировать за счет деформации теплопровода погрешности взаимной установки элементов космического аппарата при сборке, так и компенсировать температурные деформации в полете космического аппарата, вызванные перепадом температур между его элементами, например, между двигателем, изготовленным из жаростойкой стали, и кронштейном, из алюминиевого сплава при работе двигателей.
Торцевое крепление полос, выполненных из технического алюминия друг с другом первыми сварными швами, наплавленными на торцы полос, с последующим соединением пакета с пластинами законцовок, вторыми сварными швами обеспечивает получение теплопровода, допускающего его использование в условиях вибрационного и радиационного воздействия при выведении космического аппарата на ОИСЗ и полета космического аппарата в сочетании с обеспечением эффективного переноса тепла от одного внешнего элемента, в том числе от элемента, нагретого до 400…500 градусов С, к другому элементу.
Кроме того, толщину полос пакета целесообразно выбрать большей 0,2 мм, что обеспечивает выполнение при торцевом соединении полос пакета первого сварного шва однородным, обеспечивает недопущение прогаров, отслоений и нарушения целостности наплавленного сварного шва.
Помимо прочего первые сварные швы наиболее предпочтительно выполнить с шириной, превышающей толщину полос не менее чем в 15 раз, что позволяет обеспечить возможность последующей механической обработки наплавленного сварного шва.
Кроме того, одна из законцовок пакета может быть выполнена, по крайней мере, на части, прилегающей к стыку с пакетом, при переходе против направления теплового потока с уменьшением ширины, что дополнительно улучшает теплообмен между законцовкой и внешним элементом.
Между поверхностями законцовок и контактирующими поверхностями внешних элементов может быть нанесен слой смазки на основе кремний - органических соединений, что также улучшает теплообмен между законцовками и внешними элементами.
Заявляемое решение теплопровода иллюстрируется следующими материалами:
фиг. 1 - блок двигателей малой тяги космического аппарата в аксонометрии,
фиг. 2 - теплопровод, вид спереди с частичным разрезом одной из законцовок,
фиг. 3 - теплопровод, вид в плане (вид Б с фиг. 2),
фиг. 4 - разрез теплопровода(разрез В-В с фиг. 3),
фиг. 5 - укрупненный вид соединения пакета полос и законцовки (вид А с фиг. 4),
фиг. 6 - конструктивная схема пакета,
фиг. 7 - схема использования теплопровода с внешними элементами, один из которых подлежит охлаждению, а другой является охладителем.
Заявляемое решение теплопровода устроено следующим образом.
Теплопровод 1 (см. фиг. 1, 7) соединен с внешними по отношению к нему элементами 2 и 3, между которыми необходимо обеспечить теплообмен. В качестве таких элементов могут быть указаны, например, теплонагруженные агрегаты двигательной установки системы стабилизации космического аппарата (см. фиг. 1):внешний элемент 2 - клапан двигателя малой тяги, установленный на камере сгорания двигателя, который при работе двигателя малой тяги может нагреваться до 400…500 градусов С, и внешний элемент 3 - корпус блока двигателей малой тяги с радиатором - охладителем (не показан), обеспечивающий сброс избыточного тепла в космическое пространство.
Теплопровод содержит пакет 4, составленных из теплопроводящих полос 5, наложенных друг на друга (см. фиг. 6, 5). В соответствии с заявляемым решением полосы пакета выполнены из технического алюминия. Наиболее предпочтительно полосы пакета выполнить из сплава АД1 (см., например, ГОСТ 4784-97). Пакет составлен из полос 4 одинаковой формы. Наиболее предпочтительно полосы выполнить в форме удлиненного прямоугольника или удлиненного параллелограмма, как показано на фиг. 3, хотя пакет полос может быть выполнен иной формы.
Кроме того, теплопровод 1 содержит законцовки 6, соединенные с периферийными частями пакета 4, разнесенными вдоль направления передачи тепла Q по теплопроводу. Законцовки 6 в соответствии с заявляемым решением выполнены в виде пластин. Пластины законцовок 6 наиболее предпочтительно выполнить из сплава на основе алюминия, например АМг-6. Пластины снабжены отверстиями для крепления разъемными соединениями к внешними элементам для обеспечения возможности теплообмена с внешними элементами.
Торцы полос 5 (см. фиг. 5, 6), которые соединены с законцовками, скреплены друг с другом. Торцевые соединения полос пакета выполнены первыми сварными швами 7, которые наплавлены на торцы полос пакета.
Для обеспечения выполнения однородности сварного шва при торцевом соединении полос пакета, недопущения прогаров, отслоений и нарушения целостности первого сварного шва толщину полос пакета наиболее предпочтительно выбирать, большей 0,2 мм. С другой стороны толщину полос пакета для теплопроводов с длиной, не превышающей 0,4 м, нецелесообразно выбирать большей 0,4 мм, так как это ведет к увеличению жесткости пакета.
Ширину e (см. фиг. 2) первых сварных швов 7 наиболее предпочтительно выбрать, превышающей толщину полос пакета не менее чем в 15 раз, что позволяет обеспечить возможность последующей механической обработки наплавленного сварного шва.
В соответствии с заявляемым решением теплопровода законцовки 6 соединены встык с пакетом пластин вторыми сварными швами 8, помещенными между скосами, которые целесообразно выполнить на торцах законцовок 6, и наплавленными торцами 7 пакета.
Законцовки 6 снабжены отверстиями для обеспечения возможности крепления разъемными соединениями к внешними элементам. При этом между поверхностями законцовок и контактирующими с ними поверхностями внешних элементов целесообразно нанести слой смазки на основе кремнийорганических соединений, в качестве которой может быть использована, например, паста кремнийорганическая теплопроводная паста КПТ-8 (см. ГОСТ 19783-74), что улучшает тепловой контакт между поверхностью законцовки и поверхностью внешнего элемента
В заявляемом теплопроводе законцовку пакета, контактирующую с внешним тепловыделяющим элементом, наиболее предпочтительно выполнить, по крайней мере, на части, прилегающей к стыку с пакетом, при переходе против направления теплового потока с уменьшением ширины (см. фиг. 1, 2).
При изготовлении теплопровода его полосы могут изготовлены из лент сплава АД1 или получены из листового материала путем раскатки до толщины не более 0,3 мм. Из заготовок вырезают полосы заданной формы, например, в форме параллелограмма. После этого полосы укладывают одну на другую в пакет так, чтобы стороны полос совпадали друг с другом и имели изгиб в соответствии с фиг. 3-5. Далее производят торцевое соединение полос друг с другом: на торцы полос, которые предназначены для соединения с законцовками, наплавляют первый сварочный шов. После остывания наплавленного металла сварной шов зачищают заподлицо с основным материалом пакета.
Далее выполняется сборка теплопровода, для чего законцовки сваривают с пакетом полос, после чего производят дополнительную подгибку теплопровода путем изгиба его пакета полос.
При сборке космического аппарата после точной установки относительно друг друга внешних по отношению к теплопроводу элементов космического аппарата, между которыми в полете космического аппарата необходим теплообмен, на один из элементов космического аппарата разъемными соединениями закрепляют теплопровод. При креплении теплопровода к другому внешнему элементу теплопровод дополнительно деформируют, выбирая при этом отклонения, допущенные в положении элементов друг относительно друга, и разъемными соединениями крепят к другому внешнему элементу.
В полете тепло, выделяемое одним внешним элементом, через пакет полос теплопровода за счет теплопередачи передается на другой внешний элемент.