DE10340092B4 - Sandwich Struktur mit kohlenfaserverstärkten Deckschichten und integrierten metallischen Kondensierrohren - Google Patents

Sandwich Struktur mit kohlenfaserverstärkten Deckschichten und integrierten metallischen Kondensierrohren Download PDF

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Abstract

Eine Radiatorstruktur in Sandwichbauweise mit kohlefaserverstärkten Deckschichten für Satellitenanwendung und optimal gewählten Faserverlauf, in denen metallische Rohre integriert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Struktur eingelassenen metallische Rohre so angeordnet sind, dass (a) durch das Anbringen der Kohlefasern an beiden Seiten des metallischen Rohrflansches, (b) durch die Länge der mit den Deckschichten verbundenen Kondensierrohre, (c) durch Einführung von kurzen, gebogenen und nicht mit den Deckschichten verbundenen Rohrabschnitten und (d) durch ausserhalb des Sandwichkern verlaufende Kondensierrohre, thermo-mechanischer Lasten hervorgerufen durch unterschiedliche thermischen Ausdehnungskoeffizienten vermieden und gleichzeitig das thermische und mechanische Verhalten der Struktur optimiert werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Sandwich Radiatorstruktur für Satellitenanwendung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wobei die Struktur aus einem Sandwich mit zwei kohlenfaserverstärkten Deckschichten und mit integrierten Kondensierrohren besteht.
  • Sandwichstrukturen sind bekannt als Bestandteile einer Satellitenstruktur. Sie bestehen meist aus Aluminium Deckschichten und einer Honigwabenstruktur, deren Material ebenfalls aus einer Aluminiumlegierung oder einem Kunststoff sein kann. Der Vorteil solcher Strukturen ist ihre große Steifigkeit bei niedrigem Gewicht.
  • Solche Sandwichstrukturen werden auch als Abstrahlfläche für thermische Verlustleistungen von elektronischen Geräten verwendet. Zu diesem Zweck sind die Geräte auf die zum Satelliteninneren zeigende Fläche montiert. Die Verlustwärme fließt zur anderen, dem Weltraum zugewandten Seite, um dort abgestrahlt zu werden. In US 5,506,032 ist beschrieben, dass zur besseren Verteilung der Wärme in der Sandwich Struktur häufig parallel verlaufende Wärmerohre zwischen die Deckschichten geklebt werden (embedded heat pipe radiator).
  • Bei großen Satelliten mit hoher Verlustleistung reichen die äußeren Satellitenflächen nicht mehr aus, um die Verlustwärme abzustrahlen. Es werden deshalb zusätzliche Radiatoren bereit gestellt, die in ihre vorbestimmte Position ausgefaltet werden, nachdem der Satellit im Erdorbit platziert ist. Zur Zuführung der Wärme vom Satellitenkörper zum entfalteten Radiator werden neuerdings Loop-Wärmerohre (Loop Heat Pipes) eingesetzt ( US 6,478,258 ). Loop-Wärmerohre sind Zwei-Phasen Wärmetransportsysteme, die Wärme durch Verdampfung und Kondensation übertragen, ähnlich wie bei normalen Wärmerohren. Ihr Vorteil liegt u.a. in den dünnen, flexiblen Transportleitungen, die durch den Entfaltvorgang nicht beschädigt werden. Eine gute Zusammenfassung des heutigen Standes der Technik bietet die Veröffentlichung SAE 981691.
  • Bei allen Sandwich Strukturen, seien es solche mit integrierten herkömmlichen Wärmerohren oder Loop-Wärmerohren, bestehen Deckschichten und Rohre heute überwiegend aus Aluminiumlegierungen, also aus Metallen mit ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, d.h. die Strukturen werden bei Schwankungen der Betriebstemperatur nicht durch thermo-mechanischer Belastungen beeinträchtigt.
  • Aus Wettbewerbsgründen gibt es in neuerer Zeit Bestrebungen, das Gewicht der kommerziellen und anderer Satelliten weiter zu senken. In diesem Zusammenhang denkt man daran, die Deckschichten der oben beschriebenen Sandwich Strukturen aus kohlenfaserverstärkten Material herzustellen. Die notwendige gute thermische Leitfähigkeit der Deckschichten wird hierbei durch hochleitende Kohlefasern erzielt. Da die Wärmerohre und Loop-Wärmerohre wegen technischer Gründe weiterhin aus Metall bestehen sollen, ergibt sich bei diesen Entwicklungen das Problem der ungleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der einhergehenden thermo-mechanischer Belastung bei Änderung der Betriebstemperatur.
  • Bei Sandwichstrukturen mit integrierten herkömmlichen Wärmerohren gibt es im Ansatz bereits Vorschläge, um das Problem der verschieden Ausdehnungskoeffizienten zu lösen. Beispielsweise in JP 2000129857 , JP 2001153576 und JP 2000130971 wird eine Sandwich Struktur mit kohlenfaserverstärkten Deckschichten und integrierten metallischen Wärmerohren beschrieben, bei den denen die Wärmerohre mit flexiblen Kleber an die Kohlefaserdeckschichten montiert werden, während im Bereich der Honigwabenstruktur ein nicht-flexibler, höher belastbarer Strukturkleber eingesetzt wird. Der flexible Kleber nimmt die Verschiebung zwischen Metallrohr und Kohlenfaserdeckschicht auf, ohne thermomechanische Lasten zu erzeugen.
  • Eine andere Ausführungsart ist in US 2002/0102384 A1 dargelegt. Hier wird zwischen metallischem Wärmerohr und Kohlefaserdeckschicht eine nichtmetallische Folie mit hoher thermischer Leitfähigkeit gelegt, die durch den Herstellungsprozess der Sandwichstruktur zwischen den Bauteilen angepresst wird. Es entsteht so ein guter Wärmeübergang, wobei gleichzeitig eine relative Bewegung beider Bauteile zugelassen wird, also thermo-mechanischer Belastungen vermieden werden.
  • EP 0438938 beschreibt eine weitere Ausführungsart, bei der die Kohlefaserdeckschicht auf beiden Seiten in den integralen Flansch des Wärmerohrs eingelassen wird. Hier wird die höhere thermische Expansion des metallischen Wärmerohrs in der Weise ausgenutzt, dass bei großer Überhitzung der Sandwichstruktur das Wärmerohr thermisch entkoppelt und geschützt wird.
  • Die erwähnten Lösungen haben den Nachteil, dass durch Verwendung von flexiblen Klebern oder gleitenden Übergängen der Fertigungsprozess erschwert und der Wärmeübergang im Kontaktbereich der beiden Materialien reduziert wird. Gleitende Übergänge haben zudem den Nachteil, dass mechanische Lasten nur im geringen Umfang übertragen werden können.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein metallisches Rohr eines Loop-Wärmerohrs oder ein Netzwerk dieser Rohre in eine Sandwichstruktur mit Kohlefaserdeckschichten zu integrieren, wobei ein guter thermischer Kontakt zwischen Rohr und Deckschicht der Sandwichstruktur bei gleichzeitig hoher mechanischer Integrität der Gesamtstruktur gewährleistet wird.
  • Diese Aufgabe wird durch eine konstruktive Anordnung mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.
  • Metallische Rohre lassen sich in einer Sandwichstruktur mit Kohlefaserdeckschichten so anordnen, dass eine Kombination von fest mit den Deckschichten verbundenen und kurzen, gebogenen jedoch nicht mit den Deckschichten verbundenen Rohrabschnitten entsteht. Die gebogenen Rohrabschnitte können dabei mechanische Spannungen auf Grund unterschiedlicher thermischer Ausdehnung aufnehmen.
  • Rohrabschnitte, die nicht mit den Deckschichten verbunden sein müssen, werden außerhalb des Sandwichkerns geführt, so dass für diese Rohrabschnitte das Problem durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten vermieden wird.
  • Zur besseren Wärmeübertragung zwischen den an den Deckschichten anliegenden Rohrabschnitten und den Deckschichten selbst, werden Rohrabschnitte mit Flanschen verwendet, wobei Kohlenfaserlagen auf beiden Seiten dieser Flansche angeordnet werden.
    •
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
  • Es zeigen
  • 1: Querschnitt von Ausführungsformen eines Kondensierrohrs
  • 2: Querschnitt der Sandwichstruktur mit eingebettetem Kondensierrohr
  • 3: Querschnitt der Sandwichstruktur mit eingebettetem Kondensierrohr und Anschluss an die Kohlefasern
  • 4: Anordnung eines Netzes von Kondensierrohren in einem z.B. entfaltbaren Sandwichstruktur mit rechteckiger Grundform und mit Drehscharnier an einer der kürzeren Seiten
  • 5: Anordnung eines Netzes von Kondensierrohren in einem z.B. entfaltbaren Sandwichstruktur mit rechteckiger Grundform und mit Drehscharnier an einer der längeren Seiten
  • Die erfindungsgemäße Anordnung einer Sandwichstruktur mit integrierten Kondensierrohren besteht aus folgenden Bestandteilen:
    Das Kondensierrohr (1) in 1 ist ein zylindrisches, metallisches Rohr mit etwa 2 bis 2.5 mm Innendurchmesser und besteht vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung oder aus rostfreiem Stahl. Im Falle einer Aluminiumlegierung kann das Rohr mit einem Strangpressprozess hergestellt werden, wobei Flansche (2) im gleichen Arbeitsgang hergestellt werden. Das Profil kann so dimensioniert sein, dass zwischen Rohr und oberer Flanschfläche eine Materialanhäufung (3) entsteht, die die Wahrscheinlichkeit eines Lecks des Rohrs durch Meteoriten oder ähnliche Teilchen vermindert. Im Falle eines rostfreien Stahlrohrs (4) wird ein geeignetes Aluminiumprofil (5) vorzugsweise durch Strangpressen hergestellt, gegen das das Stahlrohr durch Löten oder einer anderen Befestigungsart montiert ist. Der Flansch (2) dient zur Verklebung des Profils an die innere Seite der Sandwich Deckschicht (6).
  • Das Kernmaterial der Sandwichstruktur (2) besteht vorzugsweise aus einer Honigwabenstruktur (metallisch oder aus Kunststoff) (7) oder aus offenporigem oder geschlossenporigem Kunststoffschaum (8). Vor dem Zusammenfügen des Sandwich wird vorzugsweise durch Fräsen die Negativform des Rohrprofils (7a, 8a) in die Wabenstruktur (7) bzw. in den Kunststoffschaum (8) eingearbeitet. Das Rohrprofil wird sowohl mit der Deckschicht (6) als auch mit dem Sandwich Kernmaterial verklebt, wozu vorzugsweise Folienkleber und Spleißkleber verwendet werden. Die Verwendung von Kunststoffschaum als Kernmaterial hat den Vorteil, dass der Kleber nicht in den Schaum eindringen kann und dadurch das Gewicht des notwendigen Klebermaterials vermindert wird.
  • Die Deckschichten der Sandwichstruktur (6) bestehen aus mehreren Lagen Kohlenfasern, die in einem geeigneten aushärtbaren Harz eingelagert sind. Zur Fortleitung der Wärme, die mit den Kondensierrohren herangeführt wird, werden einige oder alle Lagen mit hochleitfähigen Fasern verwendet, deren Hauptausrichtung senkrecht zu den Kondensierrohren gewählt wird. Um die Steifigkeit der Sandwichstruktur zu erhöhen, werden die Lagen so angeordnet, dass die Faserrichtungen einen Winkel zur Senkrechten bilden (z.B. ±30°). Zur Erhöhung der Wärmeübertragung von dem Kondensierrohren (1) in die Faserlagen ist es vorteilhaft, die Faserlagen (9), (10) auf beiden Seiten des Profilflansches (2) anzukleben.
  • Netzwerke von Kondensierrohren (1) eingebettet in entfaltbare Radiatorstrukturen (11) (12) sind in den 4 und 5 skizziert.
  • In 4 befinden sich die Drehachse des entfaltbaren Radiators an einer der kurzen Seiten der Radiatorstruktur (13). Da die größte Steifigkeit der Struktur (11) senkrecht zur Seite der Drehachse verlangt wird, sind die Fasern hauptsächlich in dieser Richtung (14) angeordnet. In Konsequenz sind Kondensierrohren (1) parallel zur kurzen Strukturseite (13) und senkrecht zur Hauptausrichtung der Fasern (14) angeordnet, damit die Wärme in Faserrichtung abgeleitet werden kann. Die Kondensierrohre verlaufen parallel zueinander und sind gleichmäßig über die Fläche verteilt, wobei der Abstand sich aus einem Optimum zwischen Anzahl/Ausrichtung und geforderter Wärmeleitung der Faserlagen und Steifigkeit der Struktur ergibt. Faserlagen können senkrecht zur Hauptrichtung der Fasern in begrenzter Weise unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten zu den metallischen Kondensierrohren ausgleichen, da das ausgehärtete Harz eine Restflexibilität behält, die wesentlich größer ist, als die der Fasern in Längsrichtung. Die Länge der Kondensierrohre bzw. die zulässige Breite der Radiatorstruktur hängt von diesem Verhalten ab und kann berechnet werden oder ergibt sich durch geeignete Testverfahren. Zur Heranführung des Dampfes (15) und zur Wegleitung des Kondensats (16) des Loop-Wärmerohrs müssen Kondensierrohre auch parallel der Hauptfaserrichtung angeordnet werden (17). Da der Ausdehnungskoeffizient der Fasern in Längsrichtung, wie erwähnt, sehr viel kleiner ist als der der metallischen Kondensierrohre würde eine Integration der Rohre durch Klebung zu Bruch führen. Erfindungsgemäß werden deshalb diese Kondensierrohre (17) am Rand der Sandwichstruktur und außerhalb des Sandwichkerns geführt. Sie sind ohne Flansch, nicht mit den Deckschichten verbunden und leicht durchgebogen, um bei thermischer Ausdehnung oder Kontraktion thermo-mechanischen Spannungen zu vermeiden. Die Deckschichten werden über die frei laufenden Rohre verlängert, so dass ein offener Kanal entsteht (18), in dem die Rohre verlaufen. Diese offene Kanal erleichtert die Inspektion der dort verlaufenen Rohre. Später kann der Kanal mit einer selbstklebenden, jedoch wieder abnehmbaren Folie verschlossen werden.
  • In 5 befinden sich die Drehachse des entfaltbaren Radiators (12) an einer der längeren Seiten der Radiatorstruktur (19). Da die größte Steifigkeit der Struktur (12) wieder senkrecht zur Seite der Drehachse verlangt wird, sind die Fasern hauptsächlich in dieser Richtung (20) angeordnet. In Konsequenz sind Kondensierrohre (1) parallel zur langen Strukturseite (19) und senkrecht zur Hauptausrichtung der Fasern (20) angeordnet. Die Kondensierrohre verlaufen wieder parallel zueinander und sind gleichmäßig über die Fläche verteilt. Um eine Zerstörung der Sandwichstruktur durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Kohlenfaserlagen und den in dieser Anordnung langen metallischen Kondensierrohren zu vermeiden, sind diese Rohre in Abschnitte mit Flansch (21) und solche ohne Flansch (22) eingeteilt, wobei letztere gebogen werden, um thermo-mechanische Lasten aufzunehmen. Die gebogenen Abschnitte (22) sind mit den Kohlenfaserlagen nicht verbunden. Besteht das Rohrprofil vollständig aus Aluminium (1), werden die Flansche in den zu biegenden Bereichen z.B. durch Fräsen entfernt. Im Falle eines rostfreien Stahlrohrs (4), das mit einem Aluminiumprofil (5) verbunden ist, werden die Aluminiumprofile bereits vorher auf Länge geschnitten, so dass das Stahlrohr außerhalb des Aluminiumprofils gebogen werden kann. Auch bei der Ausführungsart der 5 werden die Verbindungsrohre am Rande der Struktur und außerhalb des Sandwichkerns geführt (23). Diese Rohre sind ebenfalls ohne Flansch ausgeführt.

Claims (17)

  1. Eine Radiatorstruktur in Sandwichbauweise mit kohlefaserverstärkten Deckschichten für Satellitenanwendung und optimal gewählten Faserverlauf, in denen metallische Rohre integriert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Struktur eingelassenen metallische Rohre so angeordnet sind, dass (a) durch das Anbringen der Kohlefasern an beiden Seiten des metallischen Rohrflansches, (b) durch die Länge der mit den Deckschichten verbundenen Kondensierrohre, (c) durch Einführung von kurzen, gebogenen und nicht mit den Deckschichten verbundenen Rohrabschnitten und (d) durch ausserhalb des Sandwichkern verlaufende Kondensierrohre, thermo-mechanischer Lasten hervorgerufen durch unterschiedliche thermischen Ausdehnungskoeffizienten vermieden und gleichzeitig das thermische und mechanische Verhalten der Struktur optimiert werden.
  2. Radiatorstruktur nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensierohr aus einer Aluminiumlegierung besteht und durch einen Strangpressprozess Montageflansche in einem Arbeitsgang integriert werden.
  3. Radiatorstruktur nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensierrohr aus rostfreiem Stahl besteht und in ein Aluminiumprofil mit integrierten Montageflanschen nach Unteranspruch 2 eingelassen wird.
  4. Radiatorstruktur nach Ansprüchen 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensierrohrprofil eine Materialverdickung unterhalb des Flansches aufweist, um die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung durch Meteoriten oder ähnliche Teilchen zu vermindern.
  5. Radiatorstruktur nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensierohr mit Hilfe eines üblichen hochbelastbaren Strukturklebers, z.B. in Form eines Folienklebers, sowohl an die Deckschicht der Sandwichstruktur als auch an den Sandwichkern angeklebt wird, wobei der Sandwichkern sowohl aus metallischen oder nicht-metallischen Wabenmaterial als auch aus offenporigem oder geschlossenporigem metallischen oder nicht-metallischen Schaummaterial bestehen kann.
  6. Radiatorstruktur nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Negativform des Kondensierrohrprofils vor dem Verkleben des Sandwich in den Sandwichkern z.B. durch Fräsen eingearbeitet wird.
  7. Radiatorstruktur nach Anspruch 1 oder einer der folgenden Ansprüche 2 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial aus hochleitfähigen Kohlenstoff besteht, das auch mit Lagen herkömmlicher Kohlenstofffasern kombiniert werden kann.
  8. Radiatorstruktur nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass Faserlagen zur Erhöhung der Wärmeeinleitung sowohl unterhalb als auch oberhalb des Kondensierrohrflansches verklebt werden.
  9. Radiatorstruktur nach Anspruch 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptrichtung der Kohlenfasern in den einzelnen Deckschichtlagen, insbesondere der hochleitfähigen Fasern senkrecht zu den Kondensierrohren verlaufen, das jedoch im Detail die Faserrichtung von dieser senkrechten Hauptrichtung abweichen können, um bei noch gutem thermischen Leitvermögen eine gute Steifigkeit der Struktur zu erreichen.
  10. Radiatorstruktur nach Anspruch 1 oder einer der folgenden Ansprüche 2 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensierrohre parallel zueinander und im gleichmäßigen Abstand verlaufen, wobei sich der Abstand aus der Anzahl der verwendeten thermisch leitfähigen und mechanisch notwendigen Faserlagen ergibt.
  11. Radiatorstruktur nach Anspruch 1 oder einer der folgenden Ansprüche 2 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Struktur in Richtung des Verlaufs der Kondensierrohre so gewählt wird, dass die Restflexibilität der Deckschichten die unterschiedliche thermische Ausdehnung zwischen Kondensierrohr und Deckschicht aufnimmt ohne unzulässige thermo-mechanische Spannungen zu verursachen.
  12. Radiatorstruktur nach Anspruch 1 oder einer der folgenden Ansprüche 2 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass bei langen Kondensierrohren das Rohr in Abschnitten mit und ohne Flansch eingeteilt wird, wobei die flanschlosen Abschnitte gebogen und nicht mit den Deckschichten verbunden werden, um die unterschiedliche thermische Ausdehnung zwischen Kondensierrohr und Deckschicht aufzunehmen.
  13. Radiatorstruktur nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass bei Kondensierrohre, die aus einem Aluminiumprofil bestehen, die flanschlosen Abschnitte durch abtrennen der Flansche, z.B. durch fräsen entstehen.
  14. Radiatorstruktur nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Kombination von rostfreiem Stahlrohr und Aluminiumprofil vorbestimmte Profilabschnitte in geeigneten Abständen an dem Stahlrohr befestigt werden.
  15. Radiatorstruktur nach Anspruch 1 oder einer der folgenden Ansprüche 2 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass Kondensierohre die hauptsächlich parallel zur Hauptrichtung der Kohlenfasern verlaufen am Rande der Sandwichstruktur angeordnet sind und nicht mit dem Sandwichkern verbunden sind.
  16. Radiatorstruktur nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensierrohre durchgebogen sind, um die unterschiedliche thermische Ausdehnung zwischen Kondensierrohr und Sandwichstruktur aufzunehmen.
  17. Radiatorstruktur nach Anspruch 15 oder 16 dadurch gekennzeichnet, dass sich die Deckschichten über den Bereich der frei verlaufenden Kondensierrohre erstrecken und dass dieser Bereich durch eine geeignete selbst klebende Folie verschlossen wird.
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