DE2933088A1

DE2933088A1 - Regelfreies waermeabfuhr- und temperaturstabilisierungssystem

Info

Publication number: DE2933088A1
Application number: DE19792933088
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl Ing Doll; Helmut Dr Ing Kreeb; Walter Dipl Ing Schwarzott
Original assignee: Dornier System GmbH
Current assignee: Dornier System GmbH
Priority date: 1979-08-16
Filing date: 1979-08-16
Publication date: 1981-02-26
Also published as: DE2933088C2; FR2463058B1; FR2463058A1

Description

DORNIER SYSTEM GMBH
7990 Friedrichshafen

Reg. S 343

Reiqelfreies Wärmeabfuhr- und Temperaturstabilisierungssystem

Die Erfindung betrifft die regelfreie Wärmeabfuhr und Temperaturstabilisierung für ein wärmeabgebendes Bauteil, vorzugsweise für ein auf einem Erdpanel eines Satelliten befestigtes Bauteil, das mit einer heat pipe verbunden ist, die ihrerseits mit einem Radiator in Verbindung steht.

Bei Satelliten sind oftmals elektrische Komponenten, die in hohem Maße Wärme abgeben und die dabei gleichzeitig innerhalb enger Temperaturbereiche betrieben werden müssen, auf dem Erdpanel montiert, das selbst keine Wärme abstrahlen kann. Die in diesen Bauteilen anfallende Wärme wird beim Stand der Technik mittels einer heat pipe über einen der Seiten-Radiatoren abgegeben. Da die Belastung dieses Radiators durch veränderliche Sonnenstrahlung und veränderliche Dissipationsenergien auf dem Radiator selbst schwankt, muß die Temperaturstabilisierung der Bauteile oder Komponenten des Erdpanels über ein Reglersystem und Gegenheizer er-

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reicht werden. Dies hat den Nachteil von teilweise ungenutzten Radiatorflächen und von Zusatzgewicht für Batterien, Regelsystemen und Heizsystemen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlung und Temperaturstabilisierung von Bauteilen, die von der äußeren Umgebung thermisch entkoppelt sind, zu vereinfachen und dabei Gewicht einzusparen, sowie vorhandene Radiatorflächen optimal zu nutzen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die mit einem wärmeabgebenden Bauteil in Verbindung stehende heat pipe zwei Wärmesenken aufweist, deren eine mit einem Süd-Radiator verbunden ist und deren andere mit einem Nord-Radiator verbunden ist, wobei die Radiatoren am Satelliten so angeordnet sind, daß die Summe ihrer Belastungen aus Sonnenstrahlung und Verlustwärmen nahezu konstant ist.

Die Abfuhr einer Wärme PVl aus einer Komponente des Erdpanels erfolgt über eine oder mehrere heat pipes derart, daß die Verlustwärme entweder zum Nord-Radiator oder zum Süd-Radiator oder aber teilweise zum Nord- und Süd-Radiator abgeführt wird, je nach Belastung dieser Wärmesenken durch die Sonne und ihnen zuzuordnende Verlustwärmen PV2, PV3. Da die Gesamtbelastung beider Radiatoren immer innerhalb einer gewissen Schwankungsbreite gleich hoch ist (Sonne

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+ PVl + PV2 + PV3), und die Verlustwärme PVl eich anteilig je nach Belastung und damit Temperaturniveau der beiden Radiatoren verteilt, wird auch die Forderung der Temperaturstabilisierung der Komponente erfüllt, ohne daB ein Regelmechanismus oder eine Fremdheizung notwendig sind. Die Wärmeabfuhr wird mittels einer heat pipe erreicht, die mindestens zwei Wärmesenken besitzt, wobei sich die Wärmesenken am Nord- und Süd-Radiator befinden, und bei der die Wärmequelle PVl zwischen den beiden Wärmesenken angebracht ist.

Die Wärmeabfuhr und Temperaturstabilisierung erfolgt regelungsfrei. Die Radiatorflächen werden optimal genutzt. Nachheizen zur Temperaturstabilisierung entfällt, da die Gesamtbelastung beider Radiatoren stets gleich bleibt.

Im einzelnen ergeben sich folgende Vorteile:

- keine Heizer, keine Heizenergien, was Gewichtsersparnis bedeutet

- kleine Radiatorflächen (Gewichtsersparnis)

- hohe Zuverlässigkeit, da keine Reglerelektronik erforderlich

- gute EMC-Verträglichkeit

- variabler Anbringungsort der Komponente auf dem Erdpanel

- gute Testbarkeit des heat pipe-Systems im Schwerefeld.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der

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Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Figuren.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Einrichtung, wobei zur besseren Klarheit die Satellitenstruktur weggelassen wurde.

Fig. 2 und 3 zeigen weitere Ausgestaltungen der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 befindet sich in einem nicht gezeigten Satelliten ein Erdpanel 2, das von der äußeren Umgebung thermisch entkoppelt ist und beim Erfindungsgegenstand mit einer oder mehreren heat pipes 4 in Berührungskontakt steht. Die heat pipe 4 weist an ihren Enden zwei Wärmesenken 6, 8 auf, von denen die Wärmewenke 6 mit einem heat pipe-Radiator-Nord und die Wärmesenke 8 mit einem heat pipe-Radiator-Süd 12 in Verbindung steht. Die Radiatoren 10, 12 bestehen aus einem Verbund mehrerer heat pipes 14 und sind dem wechselnden Sonneneinfluß ausgesetzt. Die Radiatoren 10 und 12 dienen in erster Linie der Abfuhr von Verlustwärmen PV2 und PV3, die in den Fig. schematisch gezeigt sind. Sie werden aber auch zur Abfuhr der im Erdpanel 2 anfallenden Wärmeenergie PVl und darüber hinaus zur Temperaturstabilisierung der Komponenten auf dem Erdpanel verwendet.

Zur Verdeutlichung dieser Wirkungsweise sind in der Fig. 1 zwei Sonnenstände 16, 18 eingezeichnet.

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Unter Zuhilfenahme dieser Sonnenstände wird nachfolgend die Funktion der erfindungsgemäßen Einrichtung näher erläutert:

Es ist bekannt, daß sich bei einer heat pipe der Ort der Wärmequellen und Wärmesenken über die Zeit ändern kann. Es ist weiter bekannt, daß eine heat pipe mehrere Wärmequellen und Wärmesenken gleichzeitig haben kann.

Befindet sich die Sonne in Position 16 und ist die interne Wärmebelastung PV3 des Radiators 12 hoch (und die Wärmebelastung PV2 des Radiators 10 gering oder nahezu Null), dann ist der Radiator 12 bereits an seiner maximalen Belastbarkeit angelangt, ohne daß Verlustwärme von PVl noch über den Radiator 12 abgeführt werden kann. Die Wärme PVl (und eventuell sogar ein Teil von PV3) fließen zum Radiator 10 ab.

Das zuvor gesagte gilt umgekehrt, wenn sich die Sonne in Position 18 befindet und nur der Radiator 10 bestrahlt wird und gleichzeitig PV2 einen maximalen Wert hat, während PV3 gering oder nahezu Null ist. Dann fließt die Wärme PVl (und eventuell sogar ein Teil der Wärme PV2) in den Radiator

Zwischen den zuvor beschriebenen Extremfällen können sich beliebige Zwisehenzustände einstellen, bei denen PVl an-

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teilig in die Radiatoren 10, 12 fließt. Bei diesen Zwischenzuständen hat die heat pipe 4 an ihren Enden 6, 8 jeweils eine, also insgesamt zwei Wärmesenken.

Da nach dem Prinzip der heat pipe die Wärmeabgabe immer an der kältesten Stelle erfolgt, wird sich die Temperatur der Wärmesenken auf gleichem Niveau einspielen. Hierdurch ergibt sich auch, daß jede besondere Temperaturregelung der wärmeabgebenden Komponenten auf dem Erdpanel entfallen kann.

Reichen bei einem Satelliten die Radiatorenflächen der Nord- und Süd-Radiatoren zur Wärmeabfuhr von PVl...PV3 nicht aus, so muß über einen oder mehrere zusätzliche Radiatoren noch Wärme abgeführt werden. Dies kann das Erdpanel selbst oder Radiatoren an der West- bzw. Ostseite sein.

Das Kühl- und Temperaturstabilisierungssystem arbeitet auch (Fig. 2) , wenn die wärmeabführende heat pipe 4 auf der einen Seite der Komponente PVl zwei Wärmesenken besitzt, deren Temperaturen je nach den variablen Verlustleistungen PV3 und PV4 und der Sonnenzustrahlung untereinander verschieden sind. Die Radiatoren 12 und 20 besitzen dabei verschiedene Winkel zur Sonnenstrahlung.

Die Wärmeabfuhr mit automatischer Temperaturstabilisierung arbeitet auch dann (Fig. 3), wenn ein Radiator durch eine

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andere Wärmesenke ersetzt wird, deren Temperatur gewissen Schwankungen unterworfen ist. Dies kann ein Kühlkreislauf 22 sein, der wechselnde Wärmemengen abführen kann (z.B. durch Öffnen und Schließen der Teilkreise zwischen den Ventilen 24) und dessen Temperatur dadurch ebenfalls Schwankungen ausgesetzt ist, die nur durch ein sehr aufwendiges Regel- und Heizsystem kompensiert werden könnte. Hierzu ist an Stelle des Radiators 10 ein Wärmetauscher 26 mit der heat pipe 4 verbunden. Im Kühlkreislauf 22 befinden sich neben den schaltbaren Ventilen 24 noch eine Pumpe 28 sowie ein weiterer Wärmetauscher 30, der die Wärmesenke für den Kühlkreislauf 22 bildet.

Die hier aufgeführte Art der Kühlung über Kühlkreislauf und Zusatzradiator kann beispielsweise für Weltraumexperimente benutzt werden.

13. August 1979
PaL/Wa

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ORIGINAL

Claims

DORNIER SYSTEM GMBH
Friedrichshafen

Reg. S 343

Patentansprüche ;

1. Regelfreie Wärmeabfuhr und Temperaturstabilisierung für ein wärmeabgebendes Bauteil, das mit einer heat-pipe und mit einem Radiator verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Bauteil (2) in Verbindung stehende heat pipe (4) sich über die Seiten des Bauteils hinaus erstreckt und mindestens zwei Wärmesenken (6, 8, 26) aufweist.

2. Regelfreie Wärmeabfuhr und Temperaturstabilisierung für ein wärmeabgebendes Bauteil, vorzugsweise für auf einem Erdpanel eines Satelliten befindliche Komponenten, das mit einer heat pipe und mit einem Radiator verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Bauteil (2) in Verbindung stehende heat pipe (4) zwei Wärmesenken (6, 8) aufweist, deren eine mit einem Süd-Radiator (12) verbunden ist und deren andere mit einem Nord-Radiator (10) verbunden ist, wobei die Radiatoren (10, 12) am Satelliten so angeordnet sind, daß die Summe ihrer Belastung aus Sonnenstrahlung und Verlustwärmen (Sonne + PVl + PV2 + PV3) konstant ist.

13. August 1979 130009/0534 PaL/Wa