DE102017121727A1

DE102017121727A1 - Component of a spacecraft

Info

Publication number: DE102017121727A1
Application number: DE102017121727.4A
Authority: DE
Inventors: Markus Czupalla
Original assignee: Fh Aachen
Current assignee: Fh Aachen
Priority date: 2017-09-19
Filing date: 2017-09-19
Publication date: 2019-03-21
Also published as: WO2019057630A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil eines Raumfahrzeugs, welches doppelwandig ausgeführt ist, bei dem sich zwischen beiden Wänden (1, 2) Stützstrukturen (3) und ein Latentwärmespeichermedium (4) befinden und wobei das Bauteil mittels 3-D-Druck hergestellt ist. Damit wird eine passive Temperaturstabilisierung mittels Latentwärmespeicherung erreicht, ohne dass das Gewicht eines eigenen Bauteils mitgeführt werden muss.

The invention relates to a component of a spacecraft, which is designed double-walled, in which there are between two walls (1, 2) support structures (3) and a latent heat storage medium (4) and wherein the component is made by 3-D printing. This passive thermal stabilization by means of latent heat storage is achieved without the weight of a separate component must be carried.

Description

Beim Betrieb von Satelliten, sowohl deren Strukturen als auch deren Nutzlasten, wie optischen Teleskopen, Teleskopen in anderen Wellenlängenbereichen, Antennen, Spiegeln oder je Teilen der vorgenannten Bauteile, ist es häufig wichtig, die Temperatur der Bauteile zu stabilisieren. Denn schon kleinste Temperaturschwankungen von wenigen Grad Celsius können zu einer Deformation der Geräte führen. Im Regelfall umkreisen die Geräte die Erde oder andere Planeten und tauchen ab und zu in den Erdschatten ein oder aus ihm auf. Per Definition sind die empfindlichen, hochgenau berechneten Bauteile direkt den äußeren Weltraumbedingungen ausgesetzt und damit der im Verlauf eines Orbits schwankenden Sonnenstrahlung. Auch der Einfallwinkel der Sonnenstrahlung und die bestrahlten Gebiete ändern sich laufend. Bei Teleskopen können solche kleinen Deformationen zu einer immensen Degradation der optischen Performance führen.In the operation of satellites, their structures as well as their payloads, such as optical telescopes, telescopes in other wavelength ranges, antennas, mirrors or each part of the aforementioned components, it is often important to stabilize the temperature of the components. Because even the smallest temperature fluctuations of a few degrees Celsius can lead to a deformation of the devices. As a rule, the devices orbit the earth or other planets and sometimes dive into or out of the earth's shadow. By definition, the sensitive, highly accurately calculated components are directly exposed to external space conditions and thus the fluctuating in the course of an orbit solar radiation. The angle of incidence of solar radiation and the irradiated areas are also constantly changing. For telescopes, such small deformations can lead to an immense degradation of the optical performance.

Auch der Betrieb von elektronischen Baugruppen oder das Laden und Entladen von Batterien, welches häufig periodisch stattfindet, führt ins solchen hochpräzisen Raumfahrtnutzlasten oder in deren Plattformen zu zeitlich veränderlichen lokalen Wärmeeinträgen welche zu ungewollten Temperaturschwankungen führen. Die für die Erfindung interessanten Bauteile können also Außenbauteile (außen der Sonne ausgesetzt) oder Innenbauteile (im Inneren angeordnet) sein.The operation of electronic assemblies or the charging and discharging of batteries, which often occurs periodically, leads to such high-precision space payloads or their platforms to time-varying local heat inputs which lead to unwanted temperature fluctuations. The components which are of interest for the invention can therefore be external components (exposed to the outside of the sun) or internal components (arranged inside).

Gegen externe Umweltbedingungen werden herkömmlich Raumfahrtoptiken über sogenannte Bafflesysteme - so gut es geht - vor der Sonnen- oder Planeteneinstrahlung geschützt. Mit Baffles - auch eingedeutscht: Baffels - werden häufig (flächige) Gegenstände bezeichnet, die die Stärke der Einstrahlung reduzieren oder abschwächen sollen. Sie „schatten“ das empfindliche Bauteil möglichst gut ab. Dies führt aber häufig dazu, dass die Baffles selber sich thermisch aufheizen oder stark verziehen und somit selbst zur Quelle mechanischer Deformationen werden. Sie müssen dann mit sogenannten iso-statischen Aufhängungen aufwendig von der restlichen Optik mechanisch getrennt werden.Conventional space optics are conventionally protected against solar or planetary radiation via so-called baffle systems against external environmental conditions. Baffles - also Germanized: baffles - are often referred to as (flat) objects intended to reduce or reduce the intensity of the radiation. They "shade" the sensitive component as well as possible. However, this often leads to the baffles themselves thermally heating up or distorting greatly and thus themselves becoming the source of mechanical deformations. They must then be mechanically separated with so-called iso-static suspensions from the rest of the optics.

Zum Temperaturstabilisieren an sich ist es bekannt, aktive oder passive Systeme zu verwenden. In vielen Lebensbereichen werden Latentwärmespeicher benutzt - auf Englisch Phase Change Material, PCM. Wenn Bauteile aufgrund von schwankenden Wärmeströmen periodisch zu heiß oder zu kalt werden, können PCMs verwendet werden, um während der Aufheizphase die überschüssige Wärme aufzunehmen und diese in der zu kalten Phase wieder abzugeben. Die Wärme wird von den PCMs dabei über Zustandsänderungen gespeichert und wieder freigesetzt. Während der Aufheizphase schmilzt das PCM und erstarrt wieder während der Abkühlphase.For temperature stabilization per se, it is known to use active or passive systems. In many areas of life latent heat storage are used - in English Phase Change Material, PCM. When components periodically become too hot or too cold due to fluctuating heat flows, PCMs can be used to pick up the excess heat during the heat-up phase and release it in the too-cold phase. The heat is stored by the PCMs via state changes and released again. During the heating phase, the PCM melts and solidifies again during the cooling phase.

Für interne Warenlisten (elektronische Baugruppen, _Batterien etc.) werden auch bereits aktive und passive Systeme verwendet. So werden diese Einheiten mittels Heat Pipes oder direkt an Radiatoren angebunden und vom restlichen Raumfahrzeug mitteln Multi Layer Insolation (MLI) entkoppelt. Auch werden hierfür zur Stabilisierung der Temperatur bereits Latentwärmespeicher verwendet. Dies ist bereits vielfach publiziert:

M. Gottero, V. Perotto, R. Martino, B. Leyda and B. Ozmat, „Phase-change thermal capacitors for ExoMars 2016 Mission“, ICES-2014-147, 44th International Conference on Environmental Systems, 13-17 July 2014, Tucson, Arizona
Romain Peyrou-Lauga, Jean-Paul Collette, Nicolas Nutal, „Phase Change Material Heat Storage Device for Launchers and Orbiting Systems“,ICES-2015-231, 45th International Conference on Environmental Systems, 12-16 July 2015, Bellevue, Washington
Aus der US 9,395,123 B1 ist ein solches tragbares Latentwärmespeichersystem zur Kühlung kleiner Raumfahrt-Nutzlasten bekannt.
Aus der US 2016/0288928 A1 ist ein solches PCM-System zum Kühlen einer Elektronikbox an Bord eines Satelliten bekannt. Dort ist ein eigenes PCM-Element vorgesehen, das wärmeleitend an der Elektronikbox befestigt ist. Das Problem dabei ist, dass durch die zusätzliche Masse des PCM-Elements die sowieso schon äußerst wertvolle Nutzlast des Satelliten verringert wird.

For internal goods lists (electronic assemblies, batteries etc.) already active and passive systems are used. Thus, these units are connected by means of heat pipes or directly to radiators and decoupled from the rest of the spacecraft by means of Multi Layer Insolation (MLI). Also, this latent heat storage are already used to stabilize the temperature. This has already been published many times:

M. Gottero, V. Perotto, R. Martino, B. Leyda and B. Ozmat, "Phase-change Thermal Capacitors for ExoMars 2016 Mission", ICES-2014-147, 44th International Conference on Environmental Systems, 13-17 July 2014 , Tucson, Arizona
Romain Peyrou-Lauga, Jean-Paul Collette, Nicolas Nutal, "Phase Change Material Heat Storage Device for Launchers and Orbiting Systems," ICES-2015-231, 45th International Conference on Environmental Systems, 12-16 July 2015, Bellevue, Washington
From the US 9,395,123 B1 Such a portable latent heat storage system for cooling small space payloads is known.
From the US 2016/0288928 A1 Such a PCM system for cooling an electronics box on board a satellite is known. There, a separate PCM element is provided, which is heat-conductively attached to the electronics box. The problem with this is that the extra mass of the PCM element reduces the already extremely valuable payload of the satellite.

Aus dem Artikel „Heat-transfer Characteristics of a Light-weight, Fin-integrated PCM Unit manufactured by Additive Manufacturing“ von Ryuta Hatakenaka et al., vorgetragen auf der 47^th International Conference on Enviromental Systems, 16-20 July 2017, Charleston, South Carolina, USA (ICES-2017-346) , ist eine Wärmespeichereinheit für Raumfahrtanwendungen bekannt, die mittels Additivem Manufacturing (auf Deutsch: 3-D-Druck) hergestellt wurde. Diese Wärmespeichereinheit ist zwar relativ leicht, aber eben auch wieder ein eigenes Bauteil, das Zusatzgewicht in das Raumfahrzeug (den Satelliten) bringt.From the article "Heat-transfer Characteristics of a Light-weight, Fin-integrated PCM Unit made by Additive Manufacturing" by Ryuta Hatakenaka et al., Presented at the 47 ^th International Conference on Enviromental Systems, 16-20 July 2017, Charleston, South Carolina, USA (ICES-2017-346) , a heat storage unit for space applications is known, which was manufactured by Additive Manufacturing (in German: 3-D-pressure). Although this heat storage unit is relatively light, but also again a separate component that brings extra weight in the spacecraft (the satellite).

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Latentwärmespeicher für Raumfahrtanwendungen bereitzustellen, der möglichst wenig Zusatzgewicht einbringt.The object of the invention is to provide a latent heat storage for space applications, which introduces as little additional weight.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Bauteil des Raumfahrzeugs, welches durch Umwelteinflüsse seine Temperatur verändert (e.g. Baffle, Antenne, Spiegel, Thermoelastisch sensible Struktur, etc.) oder Bauteil welches durch verschiedene Betriebsmodi die Wärmeabgabe und damit die Temperatur verändert doppelwandig ausgeführt wird, dass sich zwischen den beiden Wänden Stützstrukturen und ein Latentwärmespeichermedium befinden und dass das Bauteil mittels 3-D-Druck hergestellt ist. Bevorzugte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstände von Unteransprüchen.The object is achieved in that a component of the spacecraft, which changes its temperature by environmental influences (Eg baffle, antenna, mirror, thermoelastic sensitive structure, etc.) or component which is changed by different modes of operation, the heat output and thus the temperature changed double-walled, that are between the two walls support structures and a latent heat storage medium and that the component by 3- D-print is made. Preferred embodiments of the invention are subject matters of subclaims.

Erfindungsgemäß ist also kein eigenes, gewichtsbehaftetes Bauteil vorgesehen, sondern die sowieso vorhandene Struktur oder Außenwand wird mitbenutzt. Sie wird mit ihrer Form im Wesentlichen beibehalten, aber sie wird in zwei Wände geteilt, es wird also eine zweite Wand eingezogen, so dass ein Zwischenraum entsteht, in den dann das Latentwärmespeichermedium eingebracht wird. Um die beiden Wände aneinander zu befestigen, werden Stützelemente dazwischen eingebracht. So wird eine Temperaturstabilisierung (heat sink) erreicht, ohne das Gewicht eines eigenen Bauteils mitnehmen zu müssen. Der erfindungsgemäße Einsatz von 3-D-Druckern erlaubt ein gleichzeitiges Herstellen der Wände und der Stützstrukturen in beliebigen Formen. Komponenten, zum Beispiel von optischen Nutzlasten, können trotz komplexer Formen hohl- beziehungsweise doppelwandig in einem Arbeitsgang (Wände und Stützstrukturen gleichzeitig gedruckt) hergestellt werden. Die Hohlräume werden dann mit thermischen Kernen (Latentwärmespeichermedium, PCM) gefüllt. Erfindungsgemäß kann so das PCM eingeführt und auf große Flächen verteilt werden.According to the invention, therefore, no separate weight-bearing component is provided, but the structure or outer wall, which is present anyway, is shared. It is essentially preserved with its shape, but it is divided into two walls, so it is a second wall retracted, so that creates a gap, in which then the latent heat storage medium is introduced. To secure the two walls together, support elements are inserted therebetween. Thus, a temperature stabilization (heat sink) is achieved without having to take the weight of a separate component. The use of 3-D printers according to the invention allows simultaneous production of the walls and the support structures in any desired shapes. Components, for example of optical payloads, can be produced hollow or double-walled in one operation (walls and support structures printed simultaneously) despite complex shapes. The cavities are then filled with thermal cores (latent heat storage medium, PCM). According to the invention, the PCM can thus be introduced and distributed over large areas.

Die erfindungsgemäßen Stützstrukturen können Fachwerke aus Stäben, Säulen, Platten, , Häutchen von fast beliebiger Form sein. Sie müssen aber so dimensioniert sein, dass sie die doppelwandige Form des Bauteils aufrechterhalten, den Innendruck des Wärmespeichermediums aushalten und ein Befüllen mit Flüssigkeit erlauben. Die Gehäuse/Strukturen können dabei aus gleichen oder verschiedenen Materialien gefertigt (gedruckt) sein. Es kommen Kunststoffe, Metalle oder Keramiken in Frage. Die erfindungsgemäßen doppelwandigen Hohlräume können hinsichtlich ihrer Masse, Dichte und Festigkeit optimiert werden. So müssen zum Beispiel bereits aus rein mechanischen Gründen die beiden Außenwände über Stützstrukturen dauerhaft miteinander verbunden sein (ähnlich Sandwichbauteilen). Die Anzahl und die Form der Stützstrukturen hängen dabei von den mechanischen Anforderungen ab, welche Lasten das doppelwandige Bauteil aushalten muss, und welche Drücke beim Phasenwechsel des Wärmespeichermediums auftreten. Da beim 3-D-Druck Schicht für Schicht aufgetragen wird, sind beliebig geformte Bauteile machbar, die auch komplexe Hinterschneidungen haben und anders (zum Beispiel durch Gießen oder Fräsen) gar nicht herstellbar wären.The support structures according to the invention may be trusses of rods, columns, plates, pellets of almost any shape. But they must be dimensioned so that they maintain the double-walled shape of the component, withstand the internal pressure of the heat storage medium and allow filling with liquid. The housings / structures can be made of the same or different materials (printed). There are plastics, metals or ceramics in question. The double-walled cavities according to the invention can be optimized with regard to their mass, density and strength. For example, for purely mechanical reasons, the two outer walls must be permanently connected to one another via supporting structures (similar to sandwich components). The number and shape of the support structures depend on the mechanical requirements, which loads must withstand the double-walled component, and which pressures occur during the phase change of the heat storage medium. Since 3-D printing is applied layer by layer, components of any desired shape are feasible, which also have complex undercuts and could not be produced differently (for example, by casting or milling).

Die Bauteile müssen vom Material her so gewählt und so dimensioniert sein, dass sie den zu erwartenden Umgebungsbedingungen standhalten. In der Raumfahrt müssen sie also vakuumtauglich sein und einen Außendruck von < 10^-6 mbar aushalten. Die Außentemperaturen können von -150 bis 200°C reichen.The components must be selected from the material and dimensioned so that they can withstand the expected environmental conditions. In space travel, they must therefore be suitable for vacuum and withstand an external pressure of <10 ^-6 mbar. The outside temperatures can range from -150 to 200 ° C.

Viele gebräuchliche Wärmespeichermedien (zum Beispiel Paraffin) leiten per se schlecht die Wärme und entkoppeln damit die beiden Wände des Hohlraums thermisch voneinander. Dies bedeutet, dass die Wärme sich nur schlecht im Medium ausbreitet und dass bei großen Bauteilen oder Dicken nicht das gesamte Medium aktiviert wird. Um dies zu verhindern, müssen die Hohlräume möglichst flächig verteilt werden und so dünn wie möglich ausgestaltet werden. Es können aber auch sie Stützstrukturen zwischen den Wänden dichter und aus wärmeleitendem Material (zum Beispiel Metall, Kupfer oder Aluminium) gedruckt werden. Zu beachten ist, dass die Stützstrukturen keine geschlossenen Wände, sondern eher Säulen oder Stäbchen sind, die es erlauben, dass das Wärmespeichermaterial beim Einfüllen dazwischen fließen und den ganzen vorgesehenen Raum füllen kann. Die Form der Stützstrukturen ist anwendungsabhängig und dank 3-D-Druck beliebig wählbar. Möglich sind auch Formen, die offenen Metallschäumen ähneln.Many common heat storage media (for example paraffin) per se conduct the heat poorly and thus thermally decouple the two walls of the cavity from each other. This means that the heat spreads only poorly in the medium and that with large components or thicknesses not the entire medium is activated. To prevent this, the cavities must be distributed as widely as possible and designed to be as thin as possible. But they can also support structures between the walls denser and made of thermally conductive material (for example, metal, copper or aluminum) are printed. It should be noted that the support structures are not closed walls but rather columns or rods that allow the heat storage material to flow between them during filling and fill the entire space provided. The shape of the support structures depends on the application and can be freely selected thanks to 3-D printing. Also possible are shapes that resemble open metal foams.

Das erfindungsgemäße Latentwärmespeichermedium ist den jeweils geforderten Temperaturbereichen angepasst. Beim Einsatz im Weltraum liegen die gewünschten Temperaturen typischerweise im Bereich der Raumtemperatur (5° bis 50° Celsius), wofür sich konkret Paraffine mit unterschiedlichen Kohlenstoffkettenlängen anbieten. Mit steigender Kettenlänge wächst die Schmelztemperatur, aber auch die maximal speicherbare Wärmeenergie (latent heat), wobei diese mit gerader oder ungerader Kettenlänge alterniert, wodurch gerade Kettenlängen das bessere Massenverhältnis aufweisen. Interessant sind besonders Kettenlängen von C14 bis C20. Für Anwendungen, bei denen höhere Temperaturen toleriert werden müssen, kommen höhere Kettenlängen oder auch andere Wärmespeichermedien, wie Salze oder Metalle, in Frage.The latent heat storage medium according to the invention is adapted to the respectively required temperature ranges. When used in space, the desired temperatures are typically in the range of room temperature (5 ° to 50 ° Celsius), for which paraffins with different carbon chain lengths are actually available. With increasing chain length, the melting temperature increases, but also the maximum storable heat energy (latent heat), which alternates with even or odd chain length, whereby straight chain lengths have the better mass ratio. Especially interesting are chain lengths from C14 to C20. For applications in which higher temperatures must be tolerated, higher chain lengths or other heat storage media, such as salts or metals come into question.

Was die erfindungsgemäße Fertigung mit 3-D-Drucker angeht, werden die doppelwandigen Bauteile samt Stützstrukturen bereits druckdicht aus Metall, Kunststoff oder Keramik, in einem Schritt gefertigt. Zum Einfüllen der PCMs sind Befüllöffnungen vorgesehen. Bei der Konstruktion ist darauf zu achten, dass alle vom PCM zu füllenden Hohlräume miteinander kommunizieren, damit das PCM in flüssiger Form frei fließend oder unter Druck den gesamten Hohlraum erfüllt. Alternativ können auch Teilkammern vorgesehen sein, sodass Bereiche voneinander getrennt bleiben. Die ermöglicht es, in verschiedenen Bereichen unterschiedliche PCMs - für unterschiedliche Temperaturbereiche - einzeln einzufüllen. Nach dem Befüllen sind die Kammern zu verschließen.As regards the production according to the invention with 3-D printer, the double-walled components including support structures are already pressure-tight made of metal, plastic or ceramic, in one step. For filling the PCMs Befüllöffnungen are provided. When constructing, ensure that all cavities to be filled by the PCM communicate with each other so that the PCM in liquid form flows freely or under pressure through the entire cavity. Alternatively, sub-chambers may be provided so that areas remain separated. That makes it possible in different Areas of different PCMs - for different temperature ranges - individually filled. After filling, the chambers should be closed.

Welches Bauteil nun die erfindungsgemäße Doppelwandstruktur erhält, ist frei wählbar. Es können Strukturbauteile sein, die tragend sind oder auch nichttragend. Es können Gehäuse von Batterien sein oder von elektronischen Komponenten. Es können Antennen oder Antennenteile sein, es können Spiegel oder Teile von Spiegeln sein. Ebenso ist es möglich Abschattungselemente (Baffles) oder Teile von ihnen entsprechend auszurüsten.Which component now receives the double-wall structure according to the invention is freely selectable. It may be structural components that are load-bearing or non-structural. They can be batteries or electronic components. They can be antennas or antenna parts, they can be mirrors or parts of mirrors. It is also possible to equip shading elements (baffles) or parts of them accordingly.

Berechnungen wurden für einen geostationären Erdbeobachtungssatelliten gemacht: Die Optik des simulierten Satelliten ist durch ein Bafflesystem aus Aluminium gegen Sonneneinstrahlung geschützt. Dieses Baffle wird aber selber sehr heiß und heizt, trotz Isolation, seinerseits das Teleskop auf, welches sich dadurch verformt und Performance verliert. Klassisch gebaut hätte das Bafflesystem einen Temperaturgang von - 40° C bis zu 100°C und würde die optische Bank um 8° aufheizen. Wen das Baffle erfindungsgemäß doppelwandig aufgebaut ist und mit ca. 3,5 kg von C16-Paraffin befüllt ist, wird die Temperatur bei 10°C bis 20°C stabilisiert. Dadurch wird jede Temperaturexkursion und damit auch eine Verformung der optischen Bank verhindert.Calculations were made for a geostationary Earth observation satellite: The optics of the simulated satellite are protected by a bafflesystem made of aluminum against solar radiation. However, this baffle gets very hot itself and, despite its isolation, heats the telescope, which deforms and loses its performance. Classically built, the baffles system would have a temperature range of - 40 ° C up to 100 ° C and would heat the optical bench by 8 °. If the baffle is constructed according to the invention double-walled and filled with about 3.5 kg of C16 paraffin, the temperature at 10 ° C to 20 ° C is stabilized. This prevents any temperature excursions and thus also a deformation of the optical bench.

Bei der Erfindung wird das PCM direkt in den Hohlraum des Gehäuses eingegeben. Aus Gewichtsgründen und um das PCM effektiv zu verteilen, sollen die den Hohlraum bildenden Stützstrukturen so dünnwandig wie möglich ausgeführt sein. Dies kann, insbesondere bei schlecht wärmeleitenden Materialien, zum Beispiel Titan, dazu führen, dass die Wärme sich innerhalb des Bauteils nicht effizient ausbreiten kann, was zur Folge hat, dass von der Wärmequelle weit entfernte Bereiche des PCMs nicht aktiviert werden. Abhilfe kann hier eine Ausführung der Erfindung schaffen, bei der zusätzlich Wärmerohre (Heat Pipes) vorgesehen werden. Wärmerohre sind an sich als hervorragende Wärmeleiter bekannt und werden auch in der Raumfahrt eingesetzt (oben genannte US 2016/0288928 A1 ). Sie weisen innen ein kapillares Profil (zum Beispiel Rillen, axial grooves) auf und wurden vor dem Verschließen mit einer bestimmten Menge eines bestimmten Fluides gefüllt. Dieses Fluid verdampft an der Wärmequelle, breitet sich in der Gasphase im Rohr aus und kondensiert an der kälteren Stelle (Wärmesenke). Dabei gibt es seine Wärme ab und transportiert diese so an die kältere Stelle. Das Kondensat kehrt über kapillare Kräfte in flüssiger Phase zurück zur Wärmequelle, wo es erneut verdampft. Dieser Kreislauf ist sehr effizient und kann so sehr effektiv die Wärme zwischen weit voneinander entfernten Bereichen transportieren. Die Fluide werden je nach Temperaturbereich gewählt. In der Raumfahrt sind dies am häufigsten Ammoniak und Ethanol.In the invention, the PCM is entered directly into the cavity of the housing. For weight reasons and to effectively distribute the PCM, the support structures forming the cavity should be as thin-walled as possible. This can, in particular in the case of poorly heat-conducting materials, for example titanium, mean that the heat can not propagate efficiently within the component, with the result that areas of the PCM far away from the heat source are not activated. Remedy can provide an embodiment of the invention, in which additional heat pipes (heat pipes) are provided. Heat pipes are known per se as excellent heat conductors and are also used in space travel (above US 2016/0288928 A1 ). They have inside a capillary profile (for example, grooves, axial grooves) and were filled before closing with a certain amount of a specific fluid. This fluid vaporizes at the heat source, spreads in the gas phase in the tube and condenses at the colder point (heat sink). It releases its heat and transports it to the colder place. The condensate returns via capillary forces in the liquid phase back to the heat source, where it evaporates again. This cycle is very efficient and can very effectively transport the heat between widely spaced areas. The fluids are selected according to the temperature range. In space travel, these are most commonly ammonia and ethanol.

Da der erfindungsgemäße 3-D-Druck die Herstellung auch sehr komplexer Bauteile erlaubt, können hier also statt oder neben den Stäbchen oder Plättchen Wärmerohre direkt als Stützstrukturelemente oder in die Wände von Gehäusen oder Baffeln im gleichen Arbeitsgang in das erfindungsgemäße Bauteil hineingedruckt werden. Es werden also Rohrstrukturen und die axialen Rillen oder andere kapillar wirkende Strukturen (Dochte, Wicks) im gleichen Fertigungsschritt eingedruckt. Die Form der Wärmerohre ist beliebig wählbar. Sie können von der Innenwand relativ direkt zur Außenwand führen und so neben der Tragfunktion auch noch eine Wärmeverteilfunktion übernehmen. Sie können aber auch frei - das meint, ohne die Wände zu berühren - innerhalb des Hohlraumes verlaufen und so die Wärme über große Strecken verteilen. Die Wärmerohre müssen dank 3-D-Druck ja nicht gerade verlaufen, sondern können alle beliebigen Formen annehmen, zum Beispiel an der Innenwand beginnen, dann abbiegen, in etwa parallel zur Innenwand verlaufen, dann wieder abbiegen und zur Außenwand führen. So kann Wärme sehr effektiv über große Strecken verteilt und viel PCM aktiviert werden. Nach dem Druckprozess werden die Wärmerohre mit einem geeigneten Arbeitsfluid gefüllt und dann verschlossen. Diese Ausführung mit Wärmerohr(en) ist besonders erfinderisch, da sie Bauteile mit zwei Phasenwechseln - im PCM von fest zu flüssig und im Wärmerohr von flüssig zu gasförmig - vorschlägt und mit dem fortschrittlichen 3-D-Druck verbindet.Since the 3-D pressure according to the invention also allows the production of very complex components, heat pipes can be pressed into the component according to the invention instead of or next to the rods or plates directly as support structure elements or into the walls of housings or baffles in the same operation. Thus, tube structures and the axial grooves or other capillary structures (wicks, wicks) are imprinted in the same production step. The shape of the heat pipes is arbitrary. They can lead from the inner wall relatively directly to the outer wall and thus take over a heat distribution function in addition to the support function. But you can also freely - that means, without touching the walls - run within the cavity and thus distribute the heat over long distances. Thanks to 3-D printing, the heat pipes do not have to run straight, but can take any shape, for example starting at the inner wall, then turning, running approximately parallel to the inner wall, then turning again and leading to the outer wall. Heat can be distributed very effectively over long distances and a lot of PCM can be activated. After the printing process, the heat pipes are filled with a suitable working fluid and then sealed. This embodiment with heat pipe (s) is particularly inventive because it proposes components with two phase changes - in the PCM from solid to liquid and in the heat pipe from liquid to gaseous - and connects with the advanced 3-D pressure.

Weitere Vorteile, Merkmale oder Anwendungen ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung, wobei alle gezeigten und erwähnten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination als erfindungswesentlich angesehen werden.Further advantages, features or applications will become apparent from the following description of the figures, wherein all features shown and mentioned are considered to be essential to the invention or in any combination as essential to the invention.

Es zeigen:

1 schematisch den Aufbau eines Bauteils gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 einen Metallschaum und
3 mehrere Wärmerohre.

Show it:

1 FIG. 2 schematically the structure of a component according to a preferred embodiment of the invention, FIG.
2 a metal foam and
3 several heat pipes.

1 zeigt schematisch im Schnitt der Aufbau eines erfindungsgemäßen Bauteils eines Raumfahrzeugs. Die Außenwand 1 ist so geformt, wie es für den Betrieb des Bauteils notwendig ist, kann aber dünner sein als normal, da ja eine hier ähnlich geformte Innenwand 2 vorgesehen ist, die über Stützstrukturen 3 mit ihr verbunden ist und alle drei Elemente 1, 2, 3 mittragen. Die beiden Wände 1, 2 und die Stützstrukturen 3 sind insgesamt so stabil ausgelegt wie für den Einsatz notwendig, aber vom Gewicht her so leicht wie möglich, was in der Raumfahrt stets zu beachten ist. Die Wände 1 und 2 können also, wie an sich aus Sandwichstrukturen bekannt, dünner sein als allein tragende Wände. Der von den Wänden 1 und 2 gebildete Hohlraum, in dem sich die Stützstrukturen 3 befinden, ist mit dem Latentwärmespeichermedium (PCM) 4 gefüllt. 1 schematically shows in section the structure of a component according to the invention of a spacecraft. The outer wall 1 is shaped as it is necessary for the operation of the component, but can be thinner than normal, since here a similarly shaped inner wall 2 is provided, which has support structures 3 connected to it and all three elements 1 . 2 . 3 endorse. The two walls 1 . 2 and the support structures 3 All in all, they are as sturdy as they are necessary for use, but as light as possible in weight, which is always the case in space travel is to be noted. The walls 1 and 2 Thus, as is known per se from sandwich structures, they can be thinner than load-bearing walls alone. The one from the walls 1 and 2 formed cavity in which the support structures 3 is with the latent heat storage medium (PCM) 4 filled.

Wenn nun im Betrieb die Wand 1 oder ein Teil von ihr durch Sonnenstrahlung oder durch Wärmeverluste während verschiedener Betriebsmodi erwärmt wird, schmilzt dort befindliches PCM und nimmt Wärme auf. Dadurch wird die Oberflächentemperatur der Wand 1 niedriger gehalten und damit stabilisiert.If now in operation the wall 1 or part of it is heated by solar radiation or by heat losses during various modes of operation, melts PCM located there and absorbs heat. This will change the surface temperature of the wall 1 kept lower and thus stabilized.

2 zeigt einen Metallschaum 5 mit offenen Poren, wie er an sich bekannt ist. Ein solcher Metallschaum 5 eignet sich hervorragend als Stützstruktur 3, da er leicht, stabil und flüssigkeitsdurchlässig ist. Seine komplexe Form kann durch den erfindungsgemäßen Einsatz des 3-D-Druckes einfach, das heißt Schicht um Schicht, in einem Arbeitsgang hergestellt werden. Hier zeigen sich die Vorteile der erfindungsgemäßen Kombination von Hohlraumstruktur und 3-D-Druck. 2 shows a metal foam 5 with open pores, as he is known. Such a metal foam 5 is ideal as a support structure 3 because it is light, stable and permeable to liquids. Its complex shape can be easily produced by the inventive use of 3-D printing, that is layer by layer, in one operation. This shows the advantages of the combination of cavity structure and 3-D pressure according to the invention.

3 zeigt aufgeschnitten an sich bekannte Wärmerohre 6. Zu erkennen sind die Kapillarstrukturen, hier axiale Rillen, die über die ganze Länge des Wärmerohres 6 verlaufen und dem Rücktransport des flüssigen Fluides zu gewährleisten (Axial grooved heat pipes, AGHP). Die Wärmerohre 6 sind hier gerade verlaufend. Erfindungsgemäß können sie aber auch beliebige andere Formen haben, da gerade der 3-D-Druck beliebig gekrümmte Formen erlaubt. 3 shows cut open on known heat pipes 6 , To recognize the capillary structures, here axial grooves, over the entire length of the heat pipe 6 run and to ensure the return of the liquid fluid (Axial grooved heat pipes, AGHP). The heat pipes 6 are just going right here. According to the invention, however, they can also have any other shapes, since the 3-D pressure in particular allows arbitrarily curved shapes.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Außenwandouter wall
22: Innenwandinner wall
33: Stützstruktursupport structure
44: LatentwärmespeichermediumLatent heat storage medium
55: Metall schaumMetal foam
66: Wärmerohrheat pipe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 9395123 B1 [0005]
US 2016/0288928 A1 [0005, 0017]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

M. Gottero, V. Perotto, R. Martino, B. Leyda and B. Ozmat, "Phase-change Thermal Capacitors for ExoMars 2016 Mission", ICES-2014-147, 44th International Conference on Environmental Systems, 13-17 July 2014 , Tucson, Arizona [0005]
Romain Peyrou-Lauga, Jean-Paul Collette, Nicolas Nutal, "Phase Change Material Heat Storage Devices for Launchers and Orbiting Systems", ICES-2015-231, 45th International Conference on Environmental Systems, 12-16 July 2015, Bellevue, Washington [ 0005]
"Heat-transfer Characteristics of a Light-weight, Fin-integrated PCM Unit made by Additive Manufacturing" by Ryuta Hatakenaka et al., Presented at the 47 th International Conference on Enviromental Systems, 16-20 July 2017, Charleston, South Carolina, USA (ICES-2017-346) [0006]

Claims

Component of a spacecraft, characterized in that it is designed double-walled, that between the two walls (1, 2) support structures (3) and a latent heat storage medium (4) are located and that the component is made by 3-D printing.

Component according to claim 1, characterized in that it is a structural component, preferably a supporting structural component.

Component after Claim 1 or 2 , characterized in that it is an antenna or a mirror.

Component after Claim 1 or 2 , characterized in that it is a baffle or a baffle system.

Component according to one of the preceding claims, characterized in that in the support structures (3) a heat pipe (6) is integrated or a plurality of heat pipes (6) are integrated.