AT410929B

AT410929B - Vorrichtung zur kühlung von bauteilen in raumflugkörpern

Info

Publication number: AT410929B
Application number: AT0014202A
Authority: AT
Inventors: Nikolai Dr Korpan; Jaroslav Zharkov; Volodymyr Leshchenko
Original assignee: Nikolai Dr Korpan; Jaroslav Zharkov; Volodymyr Leshchenko
Priority date: 2002-01-29
Filing date: 2002-01-29
Publication date: 2003-08-25
Also published as: US20050082038A1; US7841382B2; EP1470045A1; JP2005515938A; ATA1422002A; JP4160906B2; US20090071629A1; WO2003064258A1

Description


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   Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung von Bauteilen in Raumflugkorpern, mit ei- nem Wärmeabstrahlkorper und einem Wärmeleitkörper. Ein solches System ist ein universelles Weltraumkryosystem 
Die Erforschung des Weltraumes ist eine der am meisten im Vordergrund stehenden Aufgaben der Menschen des Planeten Erde. Diese Aufgabe wird vor allem bei den zukünftigen Generationen der Menschheit in Wichtigkeit zunehmen, weil aufgrund neu gewonnener Ergebnisse aus der Weltraumforschung die Menschheit nicht nur wegen neuer Technologien, sondern auch wegen der neu geschaffenen Lebenssphären sowie von der Erkundung des noch Unbekannten, Mysteriösen und Geheimnisvollen profitieren kann. 



   Die Dauer der Flüge ins All mit Astronauten und anderen Lebewesen verbunden mit deren Aufenthalt im Weltraum kann sich in Zukunft auf mehrere irdische Jahre ausbreiten. Ausserdem können jetzt noch einzelne Touristen- bzw Interessentenreisen spater zum Alltag gehören. Die Beschaffung einer effektiven medizinisch-ärztlichen Hilfe bzw. Diagnostik für Reisende ins All wird daher zu einer globalen Problematik. Dafür sollen ein System und eine Technologie - speziell, kosmisch und medizinisch im Mass - entwickelt und adaptiert werden. Die kosmische Medizin unterscheidet sich von der herkömmlichen Medizin auf der Erde in den folgenden Aspek- ten : - Im Zustand der Schwerelosigkeit verlaufen die Erkrankungen mit eigenen spezifischen Ei- genschaften weswegen sich auch spezifische Diagnostiken und Behandlungsmethoden herauskristallisieren. 



   - Daher muss eine neue, fur das All passende effiziente medizinische Technologie geschaffen werden. 



   - Weil Masse wie Gewicht, Volumen und andere technische Parameter der Raumstationsaus- stattung, inklusiv der medizinischen Technologie, eine besondere Rolle spielen, müssen sie entsprechend angepasst, d. h. reduziert, minimiert und optimiert, werden. 



   Die Bedingungen der Umgebung des Alls müssen optimal genützt werden, wie zum Beispiel das Nutzen der Sonnenenergie mittels Sonnenbatterien für die Energieversorgung der Raumstati- on. Zudem müssen andere physische Faktoren des Weltraums wie zum Beispiel kosmische Kälte, die auch eine Eigenschaft des Weltraumes ist und ca. -273 C betragt, für das Funktionieren sowohl der Weltraumstation als auch der dort vorhandenen kosmischen Geräte bzw. der Elektro- und Medizintechnologie und Schaffung der Lebensbedingungen der Reisenden genützt werden. 



   Wie allgemein bekannt, werden in der heutigen Zeit niedrige Temperaturen in der modernen Elektron- und Medizintechnologie bereits schon in hohem Mass verwendet. Auf der Erde wird die Kalte mittels Kältemaschinen, flüssiger Gase und anderer warmeentziehender Methoden herge- stellt, um diese dann in der Praxis einzusetzen. Dafür ist ein grosser Energieeinsatz erforderlich Während der Weltraumfahrt befindet sich die tiefe Kälte ausserhalb der Raumstation Aus diesem Grund konnen neue Methoden und eine damit verbundene entsprechende Technologie für die Warmeentziehung, unmittelbar von innen nach aussen, von verschiedenen Objekten in der Raum- station entwickelt werden Die Wärmeentziehung kann dosiert werden.

   Als Objekte für die dosierte Warmeentziehung können Folgende dienen - Elemente von Elektronikgeraten (Prozessoren, Empfangs- und Leitgeräte des Systems für eine ferne kosmische Verbindung usw. ), die eine Komponente des Bordsystems der Raum- station und verschiedener Forschungsgeräte sind. 



   - Medizinische Technologie bzw Behandlungsraum für Hypothermie sowie kryomedizinische 
Technologie bzw kryochirurgischer und kryotherapeutischer Behandlungsraum (Mini OP- 
Säle), die die optimale Verwendung der Kälte in der Behandlung verschiedener Krankheiten wahrend der Weltraumfahrt ermöglichen können. Die Verwendung von Hypothermie, Kryo- therapie, Kryochirurgie und Kalte- bzw. Kryotechnologie werden zu einem unbestrittenen 
Vorteil im Vergleich zu Alternativmethoden führen nicht hur im Sinne der medizinischen Un- terschiede sondern auch von einer ziemlich hohen Zuganglichkeit und Möglichkeit für die 
Anwendung der Kalte für die Raumstation und ihre Ausstattung. 



   - Kosmische Eiskammern für die langfristige Erhaltung der Lebensmittel. Die kosmische Kry- okonversation ermöglicht die Anwendung von Konservierungsmittel zu vermeiden. Somit könne die Lebensmittel ihre hohe Qualität in der Lebensmittelaufbewahrung erhalten. 



   - Kosmische Kaltekammern für eine langfristige Aufbewahrung der Medikamente, Viren und andere biologische Objekte 

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 - Kosmische Kryokammern für eine langfristige Aufbewahrung der Kryokonservanten und an- derer biologischen Objekte (z B : Blutkomponente, Zellen, Gewebe und andere   Biokompo-   nente). 



   Aus der US 5,699,982 A ist ein Raumflugkorper bekannt, der Wärmeabstrahlkörper aufweist, die die Wärme abführen, die von Sende- und   Empfangseinnchtungen   an Bord erzeugt wird. Dabei werden auch sogenannte Heat Pipes eingesetzt, um den Wärmetransport zu gewährleisten. 



   Die DE 43 44 025 C1 beschreibt eine Kühleinheit fur ein Raumfahrzeug, bei der ein Kopp- lungselement zur Wärmeabfuhr aus dem Raumfahrzeug vorgesehen ist, das die Wand des Raum- fahrzeugs durchdringt, und ein Warmeaufnahmeelement, das innerhalb einer geschlossenen   Kühlemheit   angeordnet ist und die Warme an das Kopplungselement abgibt. Im Inneren der Kühl- einheit können verschiedene zu kühlende Gegenstände, wie etwa Proben, angeordnet werden 
Nachteilig bei einer solchen Lösung ist, dass die Aufnahmekapazität durch das Volumen der Kühl- einheit begrenzt ist und dass vor allem eine Kühlung von räumlich entfernten Geraten auf diese Weise nicht möglich ist. 



   Weiters zeigt die EP 0 870 677 A1 ein Kühlsystem für Raumfahrzeuge, wobei jedoch für die oben beschriebenen Probleme keine Losung angeboten wird. 



   Wie oben beschrieben sind die Anforderungen zur Bereitstellung tiefer Temperaturen vielfältig und auch im Zuge einer bemannten Mission langerer Dauer gewissen Änderungen unterworfen. 



   Mit den bisher bekannten Systemen kann eine universell einsetzbare und anpassungsfähige 
Kälteversorgung nicht erreicht werden. 



   Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und die Vorrichtung der oben beschriebenen Art so weiterzubilden, dass eine Vielzahl unterschiedlicher Geräte und Anwendungen mit tiefen Temperaturen versorgt werden konnen. Besonderes Augenmerk soll dabei auf Flexibilität in räumlicher und zeitlicher Hinsicht, sowie in Hinblick auf das benötigte Tem- peraturniveau gerichtet werden. 



   Erfindungsgemäss ist vorgesehen, dass der Wärmeleitkörper eine Aussenwand des Raumflug- körpers durchdringt und im Inneren des Raumflugkörpers mehrere Ankoppelungsstellen für zu kühlende Bauteile und/oder für weitere Wärmeleitkörper aufweist. Durch die erfindungsgemässe Lösung wird ein universell einsetzbares kryogenes System geschaffen, das an die jeweiligen Anforderungen leicht anpassbar ist. Die Ankoppelungsstellen ermöglichen die gleichzeitige Versor- gung unterschiedlicher Geräte. 



   Besonders günstig ist es, wenn der Wärmeleitkörper zweiteilig ausgeführt ist. Insbesondere sollte die Verbindung zwischen einem äusseren Teil des Wärmeleitkörpers und einem inneren Teil des Wärmeleitkörpers im Bereich der Aussenwand des Raumflugkörpers angeordnet sein. Dadurch kann eine optimale Anpassung des Warmeleitkörpers einerseits an die Bedingungen im Weltraum und andererseits an die Bedingungen im Inneren des Raumflugkörpers vorgenommen werden. 



   Ein besonders guter Wärmeübergang wird in diesem Zusammenhang dadurch erreicht, dass die Verbindung zwischen dem äusseren Teil des Wärmeleitkörpers und dem inneren Teil des War- meleitkörpers im Wesentlichen konusformig ausgebildet ist Besonders bevorzugt ist es weiters, wenn die Verbindung zwischen dem ausseren Teil des Wärmeleitkörpers und dem inneren Teil des Wärmeleitkörpers durch eine Feder vorgespannt ist. 



   Eine weitere Verbesserung des Wärmeübergangs wird erreicht, wenn Verbindung zwischen dem äusseren Teil des Wärmeleitkörpers und dem inneren Teil des   Wärmeleitkorpers   mit Fluid hoher Wärmeleitfähigkeit versehen ist. Eine solche Wärmeleitpaste, die für Tieftemperaturanwen- dungen entsprechend geeignet ist, gleicht die unvermeidlichen Unebenheiten der einender berüh- renden Teile aus. 



   In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Ankoppelungsstellen des Warmeleitkörpers als verschliessbare Öffnungen in einer Isolati- onsschicht ausgebildet sind, die den Warmeleitkorper umgibt So können Geräte einfach an die Vorrichtung angesteckt oder von ihr abgesteckt werden, was Umbauten oder andere Veränderun- gen sehr vereinfacht. 



   Weiters kann zur Verbesserung des Wärmeübergangs und zur Vermeidung von Verlusten vor- gesehen sein, dass der Wärmeleitkörper einen flüssigkeitsgefüllten Hohlraum aufweist. Die Flüs- sigkeit wird dabei bevorzugt so gewählt, dass sie im Betrieb an einem Ende des Hohlraums siedet und am anderen Ende kondensiert. Durch solche sogenannten Heat Pipes kann ein besonders 

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 effektiver Wärmetransport erreicht werden. 



   Alternativ dazu kann der Wärmetransport dadurch erfolgen, dass der Wärmeleitkörper im We- sentlichen aus Kupfer aufgebaut ist Bevorzugt wird dabei hochreines, sauerstofffreies Kupfer verwendet. In gleicher Weise konnen die weiteren Wärmeleitkorper aus Kupferdrähten aufgebaut sein 
In der Folge wird die Erfindung anhand des in der Figur schematisch dargestellten Ausfuh- rungsbeispiels näher erläutert. 



   Die Figur zeigt die Vorrichtung in einem Schnitt 
Die Aussenwand eines nicht näher dargestellten Raumflugkörpers ist in der Figur mit 1 be- zeichnet. In der Aussenwand 1 befindet sich eine Dichthülse 2, in der ein Wärmeleiter 3 isoliert und abgedichtet aufgenommen ist. Der Wärmeleitkörper 3 besteht aus einem inneren Teil 3a und einem äusseren Teil 3b, die an einem konusförmigen Verbindungsabschnitt 4 unter Verwendung einer Warmeleitpaste gut warmeleitend verbunden sind. Am ausseren Teil 3b des Warmeleitkorpers 3 sind Warmeabstrahlkorper 5 angebracht, die hier in der Form von Kühlrippen ausgebildet sind. 



   Der im Inneren des Raumflugkörpers befindliche Teile 6 des Wärmeleitkörpers 3 ist mit einer entsprechenden Isolierschicht 7 versehen, um Wärmeverluste zu vermeiden. Weiters sind in die- sem Teil 6 mehrere Ankoppelungsstellen 8 für zu kühlende Bauteile oder dergleichen vorgesehen, die, wenn sie nicht benötigt werden, durch Verschlüsse 9 verschlossen werden können.

   An die Ankoppelungsstellen 8 können weitere Wärmeleitkörper 10 angeschlossen werden, die aus Bun- dein von Kupferdraht 13 bestehen und an der Aussenseite mit einer elastischen wärmeisolierenden Hülle 14 versehen sind Die weiteren Warmeleitkörper 10 konnen mit einer Arbeitsflache 11 einer Arbeitssonde 12 versehen sein, die direkte kryotechnische Anwendungen ermöglicht In der Ar- beitsfläche 11kann ein Temperatursensor 16 vorgesehen sein, über den die Temperatur bestimmt wird und der unter zu Hilfenahme eines ebenfalls im Bereich der Arbeitsfläche 11 integrierten Heizelementes 17 eine genaue Temperaturregelung ermöglicht Diese Temperaturregelung kann durch einen entsprechenden Regler 18 realisiert sein Der Wänmeleitkorper 10 kann auch mit einem Wärmerohr 15 versehen sein. 



   Anstelle von Warmeleitkörpern könne auch zu kühlende Bauteile direkt an den Ankoppelungs- stellen 8 angeschlossen werden, wie etwa eine Kältekammer 20, die ebenfalls mit einem Tempera- tursensor 16 und einem Heizelement 17 versehen ist 
Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann aus der Dichthülse 2 teleskopisch ein-und ausfahrbar ausgebildet sein, um beim Start bzw. beim Wiedereintritt in die Atmosphäre kein Hindernis darzu- stellen Eine Feder 19 dient dazu, die beiden Teile 3a, 3b des Wärmeleitkörpers 3 aneinander zu drucken und den Bereich 4 vorzuspannen 
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist für eine Vielzahl verschiedener Anwendungen geeignet und leicht an geänderte Anforderungen anpassbar 
PATENTANSPRÜCHE: 
1 Vorrichtung zur Kühlung von Bauteilen in Raumflugkörpern, mit einem Warmeabstrahlkor- per (5) und einem Wärmeleitkörper (3;

   3a, 3b), dadurch gekennzeichnet, dass der Wär- meleitkörper (3; 3a, 3b) eine Aussenwand (1) des Raumflugkörpers durchdringt und im In- neren des Raumflugkörpers mehrere Ankoppelungsstellen (8) für zu kühlende Bauteile (20) und/oder fur weitere Wärmeleitkorper (10) aufweist.

Claims

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleitkörper(3; 3a, 3b) zweiteilig ausgeführt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (4) zwi- schen einem äusseren Teil (3b) des Wärmeleitkörpers (3) und einem inneren Teil (3a) des Wärmeleitkörpers (3) im Bereich der Aussenwand (1) des Raumflugkörpers angeordnet ist 4 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ver- bindung (4) zwischen dem äusseren Teil (3b) des Wärmeleitkörpers (3) und dem inneren Teil (3a) des Wärmeleitkörpers (3) im Wesentlichen konusförmig ausgebildet ist.

5. - Vorrichtung nach einem der Anspruche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ver- bindung zwischen dem ausseren Teil (3b) des Warmeleitkorpers (3) und dem inneren Teil <Desc/Clms Page number 4> (3a) des Warmeleitkörpers (3) durch eine Feder (19) vorgespannt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ver- bindung (4) zwischen dem ausseren Teil (3b) des Wärmeleitkörpers (3) und dem inneren Teil (3a) des Wärmeleitkörpers (3a) mit einem Fluid hoher Wärmeleitfähigkeit versehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankop- pelungsstellen (8) des Wärmeleitkörpers (3; 3a, 3b) als verschliessbare Öffnungen in einer Isolationsschicht (7) ausgebildet sind, die den Wärmeleitkörper (3,3a, 3b) umgibt.

8. Vorrichtung nach einem der Anspruche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wär- meleitkorper (3; 3a, 3b) einen flüssigkeitsgefüllten Hohlraum aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wär- meleitkörper (3; 3a, 3b) im Wesentlichen aus Kupfer aufgebaut ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die weite- ren Wärmeleitkörper (10) aus Kupferdrähten aufgebaut sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Wärmeleit- körper (10) flexibel sind.

HIEZU 1 BLATT ZEICHNUNGEN