DD241864A1

DD241864A1 - Anordnung zur erzeugung homogener temperaturfelder im vakuum

Info

Publication number: DD241864A1
Application number: DD28193285A
Authority: DD
Inventors: Ernst Troppenz; Helmut Sirotenko; Ute Schaller; Bernd Biering; Franz Lura; Bernd Lehmann
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1985-10-21
Filing date: 1985-10-21
Publication date: 1987-01-07

Abstract

Die Anordnung zur Erzeugung homogener Temperaturfelder im Vakuum, welche insbesondere zur Pruefung von Testobjekten unter kosmosaehnlichen Bedingungen einsetzbar ist, besteht erfindungsgemaess aus mehreren voneinander unabhaengigen Thermalwandsektionen, die einen Testraum umschliessen. Dabei wird durch weitere Unterteilung jeder Thermalwandsektion in Heiz- und Kuehlelemente sowie Temperatursensoren enthaltende Segmente die Moeglichkeit einer aktiven Gradientenminimierung geschaffen, die es erlaubt, lokale Abweichungen der Temperatur einer Thermalwandsektion vom vorgegebenen Sollwert auszugleichen.

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung istfürZuverlässigkeitsuntersuchungen an mechanischen, optischen und elektronischen Baugruppen und Geräten bei variabler thermischer Belastung im Temperaturbereich von —190^cC bis +15O⁰C einsetzbar. Die vorgeschlagene Anordnung eignet sich insbesondere für die Anwendung in Hochvakuumkammern und ermöglicht umfangreiche Tests der genannten Baugruppen unter kosmosähnlichen Bedingungen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, daß zur Prüfung von Geräten bei variablen Temperaturen Kühl- bzw. Heizschränke eingesetzt werden, wobei die Realisierung definierter äußerer Temperaturbedingungen beispielsweise mit Hilfe von flüssigkeits- bzw. gasdurchströmten Temperierflächen erfolgt. Der einsetzbare Temperaturbereich ist folglich durch die Art des Temperiermediums festgelegt. Aufgaben, die u. a. im Rahmen der Thermokonditionierung von Geräten für den Kosmoseinsatz gestellt werden, erfordern jedoch, unter Hochvakuumbedingungen einen relativ breiten Temperaturbereich von ca. — 190°Cbis+150°Czuübersteichen. Wie z. B. in der DE-OS 1773007 beschrieben, lassen sich diese Bedingungen durch Gasumwälzeinrichtungen realisieren, deren Anwendung allerdings mit dem Einsatz kostspieliger und aufwendiger Wärmetauscher verbunden ist. Daher wird eine weitere Möglichkeit der Temperierung gemäß DE-OS 1773703 vorgeschlagen, bei der ein von Kältemittel durchströmter äußerer Behälter durch einen als Heizer ausgebildeten inneren Behälter ergänzt wird. Letzterer dient zur Auf nähme der Testobjekte und ist auswechselbar angeordnet.

Die bisher angeführten Varianten zur Temperierung in Hochvakuumkammern bieten pinzipiell die Möglichkeit, einen relativ breiten Temperaturbereich zu nutzen. Sie schaffen jedoch keine Voraussetzungen für einen häufig notwendigen Thermal-Vakuum-Test, der vorsieht, die Objekte gleichzeitig in verschiedenen Richtungen einer unterschiedlichen thermischen Belastung auszusetzen. Weiterhin kommt es bei präzisen Untersuchungen großer Testobjekte darauf an, bei vorgegebener Solltemperatur ein möglichst homogenes Temperaturfeld zu gewährleisten. Die bekannten Temperiereinrichtungen werden dieser Forderung nicht gerecht, da ihnen die Möglichkeit fehlt, die durch Wechselwirkung zwischen Testobjekt und Thermalwand bzw. durch andere Effekte entstehenden Temperaturgradienten auf Temperierflächen auszugleichen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine leistungsfähige Anordnung zur Temperierung anzugeben, die in Thermovakuumkammern für die Simulation kosmosähnlicher Bedingungen eingesetzt werden kann. Die Erfindung soll insbesondere die Möglichkeit bieten, sehr homogene Temperaturfelder mit hoher Stabilität gegenüber unterschiedlichen thermischen Lasten zu erzeugen.

Wesen der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist der Aufbau einer Anordnung zur Erzeugung homogener Temperaturfelder im Vakuum. Dabei soll das Prinzip einer Kombination von Heizung und Kühlung durch flüssigen Stickstoff genutzt werden, so daß ein breiter Temperaturbereich für die Prüfung von Testobjekten zur Verfügung steht.

Erfindungsgemäß wird zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagen, eine Thermalwand in mehrere voneinander unabhängige thermisch isolierte Sektionen zu unterteilen, die einen Testraum umschließen und eine geschlossene Oberfläche bilden.

Auf diesen Thermalwandsektionen befinden sich erfindungsgemäß Kanäle für den Kühlmitteltransport, Heizelemente und Temperatursensoren. Dabei erstreckt sich jedes Heizelement nur über ein entsprechend der Geometrie der Kühlkanäle gewähltes definiertes Segment der Thermalwandsektion und ist separat ansteuerbar.

Jedem Heizelement ist mindestens ein Temperaturmeßfühler zugeordnet, der sich an einem für das Segment charakteristischen Punkt befindet. Dieser Punkt wird so ausgewählt, daß er die mittlere Temperatur des Segments repräsentiert sowie unmittelbar die Wirkung von Heizung und Kühlung erfaßt.

Durch die Segmentierung der Thermalwandsektionen und die Möglichkeit der Einregelung der Temperatur der einzelnen Segmente auf einen vorgegebenen Sollwert wird mittels aktiver Gradientenminimierung, d. h. örtlich gezieltem Heizen gegen den sich durch Kühlung ausbildenden Temperaturgradienten, ein homogenes Temperaturprofil ausgebildet, auch dann, wenn

Testobjekte örtlich stark unterschiedliche thermische Lasten erzeugen. Darüber hinaus lassen sich alle Thermalwandsektionen gleichzeitig auf unterschiedliche geforderte Niveaus temperieren, so daß die Anordnung die Möglichkeit der Bewegungssimulation bietet. Um die dafür notwendigen kurzen Transitionszeiten auf den Sektionen zu realiseren, ist die Thermalwand vorzugsweise aus gut wärmeleitendem Material mit insgesamt geringer Wärmekapazität ausgebildet.

Ausführungsbeispiel

Die nähere Erläuterung der Erfindung soll anhand von zwei Beispielen erfolgen.

Die den Testraum umschließende Thermalwand besteht aus sechs zu einem Würfel zusammengefügten thermisch voneinander isolierten Sektionen, deren Aufbau in Figur 1 schematisch wiedergegeben ist. Die Themalwandsektionen 1 bestehen hierbei aus dünnwandigem gut wärmeleitendem Material. Auf der dem Testraum abgewandten Seite sind mäanderförmige Kanäle 2für den Transport des flüssigen Stickstoffs angeordnet. Im hiergezeigten Beispiel erfolgte eine Unterteilung derThermalwandsektionen in neun parallel zu den Kühlkanälen verlaufende Segmente und dementsprechend wurden neun einzeln ansteuerbare Heizleiter 3, vorzugsweise Mantelheizleiter, entlanggeführt. Durch die Temperaturmeßfühler 4, die je einem Heizleiter zugeordnet sind, wird das aktuelle Temperaturprofil auf derThermalwandsektion erfaßt, so daß im Zusammenwirken von Kühlung und Heizung lokale Abweichungen von der vorgegebenen Solltemperatur ausgeregelt werden können. Zur Steuerung der Temperierprozesse wird ein hier nicht näher beschriebenes Gerät eingesetzt, welches das Prinzip einer adaptiven Regelung anwendungsspezifisch umsetzt.

Die erfindungsgemäße Anordnung gestattet es, jede Thermalwandsektion separat auf eine beliebige Solltemperatur im Bereich von —190°C bis +150°C, gegebenfalls auch darüber, zu temperieren. Dabei wird durch eine aktive Gradientenminimierung erreicht, daß auftretende Temperaturdifferenzen innerhalb der Sektion weniger als ΔΤ = 2 K betragen.

Weiterhin eignen sich neben der Form eines Würfels auch andere geometrische Gebilde wie Zylinder, Prismen o. ä. als Vorbilder für Anordnungen derThermalwandsektionen. Beim Aufbau der Sektionen lassen sich je nach Verwendungszweck, Herstellungstechnologie u.a. gleichfalls verschiedene Anordnungen von Kühl- und Heizelementen verwirklichen.

So ist die in Figur 2 dargestellte als Halbkugel ausgebildete Thermalwandsektion mit spiralförmig gelegten Kühlkanälen 2 und je einen Sektorder Kugeloberfläche erfassenden Heizelementen 3, eine mögliche Gestaltungsvariante. Die Thermalwandsektionen lassen sich auch in Form eines regelmäßigen Sechseckes mit gekühlten dreieckförmigen Flächen und als Heizelemente eingesetzten Infrarot-Quellen ausbilden.

Claims

Erfindungsanspruch:

Anordnung zur Erzeugung homogener Temperaturfelder im Vakuum bestehend aus Kühl- und Heizelementen sowie Temperatursensoren, gekennzeichnet dadurch, daß eine den Testraum umschließende metallische, eine geringe Wärmekapazität besitzende Thermalwand aus Thermalwandsektionen (1 Jausgebildet ist, die in Kühlkanäle (2) und Heizelemente {3) enthaltende Segmente unterteilt ist, wobei die Kühlkanäle (2) und die Heizelemente (3) in definierter geometrischer Beziehung zueinander stehen und auf jedem Segment mindestens ein, die mittlere Temperatur des Segments repräsentierenden und die Wirkung von Kühlung und Heizung erfassenden Temperatursensor (4) angeordnet ist.