DE3017252A1 - Vorrichtung zur konstanthaltung der innentemperatur von koerpern - Google Patents

Description

• Vorrichtung zur Konstanthaltung der Innentemperatur
• von Körpern Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Konstanthaltung der Innentemperatur von Körpern in Vakuum, vorzugsweise für Raumflugkörper.
• Die Verlustwärme von Körpern im Vakuum, wie'z.B.. Raumflugkörpern als Nachrichtensatelliten wird üblicherweise über die Außenflächen abgestrahlt, die dazu mit besonderen Spiegeln belegt sind. Die Größe-dieser Strahlerflächen wird bestimmt durch die von den mitgeführten Geräten zu dissipierende Leistung und die maximal zulässige Arbeitstemperatur des jeweils abzukühlenden Gerätes. Im allgemeinen ist die Strahlerfläche so klein wie möglich. Dennoch ist sie zu groß, wenn der Dissipator abgeschaltet wird oder ausfällt, denn durch das Verringern der Dissipation Q fällt die Temperatur T des Strahlers nach der bekannten Formel und stabilisiert sich gegebenefalls erst bei Temperaturen, die unterhalb der zulässigen unteren Temperaturgrenze fiir die Geräte liegen.
• Zum Schutz der Geräte werden drei Verfahren angewendet, als da sind Heizen mit Hilfe von eigens installierten Heizmatten, Verringern der Strahlung durch Veränderung der Oberflächenbeschaffenheit mittels drehbarer Flächen oberhalb der Strahlerfläche, neuerdings auch mittels steuerbarer Wärmelei,trohre, falls der Einbau von Wärmeleitrohren oh-nehin gefordert war. Alle diese Verfahren erfordern eine komplizierte und aufwendige Regelung, welche die Leistungsb-tlanz des Raumflugkörpers negativ beeinflusst, zu zusätzlichem Gewicht führt, und wegen der zu fordernden Ausfallsicherheit einen erheblichen zusätzlichen Aufwand an Einrichtungen bedingt.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der genannten Art zu schaffen, bei der die -Konstanthaltung der Temperatur allein über die physikalischen Eigenschaften der Außenhaut bewirkt wird und bei der die bisher erforderlich.en aufwendigen Einrichtungen entfallen.
• Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß die thermische Leitfähigkeit zwischen Innen- und Außenwand des ICörpers variierbar ist und daß dazu die äußere Wandstruktur aus einer Anordnung von zwei an ihren Rändern dichten Platten besteht, zwischen denen sich eine Flüssigkeitsschicht befindes, wobei der Abstand zwischen den Platten in Abhängigkeit von der abzustrahlenden Verlustwärme variierbar erbar ist und wobei die innere Platte gleichzeitig Teil der Struktur des Kprpers sein,k'ann.
• Zwar ist aus der US-PS 3 409 247 ein thermosen'sitiver Überzug für die Außenhaut eines Raumflugkörpers bekannt, damit kann jedoch nur über die von außen einwirkende elektromagnetische Strahlung eine Temperaturbeeinflussung erreicht werden. Die angesprochenen Probleme hinsichtlich der Verlustwärme des Raumflugkörpres können damit nicht gelöst werden, da die -Abstrahlung nach außen nur in Abhängigkeit der von außen eintreffenden (SonnXn-)Strahlung, nicht aber in Abhängigkeit der innen anfallenden Verlustwärme beeinflußt werden kann.
• Ebenso verhält es sich mit der-aus der DE-OS 1 456 199 bekannten Maßnahme, die zylindrische Oberfläche des Satelliten zu isolieren und die axialen Enden des Satelliten mit einer verstellbaren Wärmetsolierung zu versehen Zum einen ist die Maßnahme nur gegen äußere Strahlung geeignet, zum anderen muß ein aufwendiges Regelungskonzept vorhanden sein.
• D.ie Erfindung ist anhand der Figuren näher erläut-ert. Es zeigen Fig-. la, Ib das Prinzip der Erfindung Fig. 2a, 2b, 2c Ausgestaltungen mit verschiedenen Bimetallanqrdnungen.
• Die Erfindung ist anhand eines Raumflugkörpers im Weltall näher erläutert. Es ist aber ohne weiteres verständlich, daß der Einsatz für jedes Cerät im Vakuum vorteilhaft ist, und ohne jede Änderung realisierbar ist. @ Gemäß Fig. la, Ib entsteht in einen Dissipator 1 z.B. einer Funkbox eines Nachrichtensatelliten Verlustwärme, die über einen Übergangskontakt in eine Montagestruktur 2, von dort durch eine Flüssigkeit 3 in eine Platte A geleitet und von dort abgestrahlt wird Ändert sich der Abstand zwischen der Montagestruktur 2 und der Platte A, so wächst bei konstantem Volumen der Flüssigkeit 3 der Leitungswiderstand umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes: Ao maximale Benetzungsfläche Ab venringerte " ho minimale Flüssig--keitsschichtdicke bei Ao # Dichte der Flüssigkeit hb Flüssïgkeitsschichtdicke bei Ab # Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeit #T Temperaturdifferenz Indices a, b: verschiedene Dissipat ionszustände Anhand eines konkreten Beispieles soll die Erfindung noch weiter erläutert werden: Ausgangspunkt soll sien, daß die Funkbox 1 50 Watt dissipiert, 60° C warm werden darf und die 50 Watt vollständig zu der zugeordneten Strahflerfläche geleitet werden. Berücksichtigt man einen Gradienten zwischen Funkbox und Strahler von 20 K, so ergibt sich aus der bekannten Strahlerformel mit # = 0,8 Emmissivität; F = 1 Sichtfehler; # = 5,67 10-8 W/m2k4 Bolzmannsche Konstante, eine erforderliche Strahlerfläche vom A = Q/# # F # # # Ts4 = 0,11 m2 In dem Gradienten von 20 K sind 3 K beinhaltet für eine 1 mm dicke Klüssigkeitsschicht, die zwischen Montagestruktur 2 und Strahler, d.-h. Platte eingeschlossen ist.
• Reduziert sich jetzt infolge der Abschaltung (hzw. Ausfall) der Funkbox die abgestrahlte Leistung des- zugehörigen Strahlers auf einen Restbetra, von z.B. 5-W, so fällt die strahlertemperatur auf 97°C, die bei starrer Ankopplung zu etwa 950C fUr die Box führt, mithin zu einer Temperatur, die unterhalb t-ypi-scher zulässiger Temperaturen liegt.
• Dies kann durch Verringern der Ankopplung verbessert werden. Vergrößert man den Abstand zwischen Strahler 4 und Montagestruktur 2, so verringert sich die beiderseits von der Flüssigkeit benetzte Fläche bei gleichzeitiger Verlängerung des Wärmeleitweges, Mit der oben aufgezeigten Formel und einem gewünschten Tb von 70 K, so daß die Boxtemperatbr -25°C nicht unterschreitet, ergibt sich unabhängig von der verwendeten Flüssigkeit h = 15,3 mm Qa = 50 W Qb = 5 w #Tb = 70 K #Ta = 3 K ho = 1 mm Der Wert h ist proportional- h und dieser ist nur technologisch bedingt. Durch die Wahl der Flüssigkeit un den Aufbau des Geräts ist es möglich, Flüssigkeitsfilmdicken von <1 mm mit gleichmäßiger Benetzung auszuführen, so daß auch h sich verringert. Natürlich stehen die beiden sich gegenüberliegenden innenseiten 5, 6 im Strahlungsaustausch, der durch geeignete Oberflächenbehandlung, z.B.
• Versilbern, Vergolden, sehr klein gehalten werden kann.
• Eine weitere Verbesserung wird dadurch erreicht, daß die Flüssigkeit 3 bei einer definierten Temperatur erstarrt, so daß dann der Wärmeleitkontakt bei weiterem Entfernen des Strahlers entfällt.
• Wesentlich für den Effekt der regelbaren thermischen Leitfähigkeit ist die Flüsigkeit, über die die Wärme geleitet wird. Sie soll bei Temperaturen oberhalb 30° C ausrei chend viskos sein,' um be-ide Platten mit geringer Schichtdicke gut zu b'enetzen, bei abnehmend-en Temperaturen zäh werden und spätestens bei etwa -20° C erstarrt sein. Zusätzlich ist eine niedrige Ausgasrate erforderlich, damit bei Lecks im normalerweise hermetisch verschlossenen Gerät einerseits die Funktionsfähigkeit erhalten bleibt, andererseits die benachbarten und die eigene Strahlerfläche nicht kontaminiert werden, Außerdem muß eine nicht zu geringe Wärmeleitung und ein niedriges spezifisches Gewicht gegeben sein. Bie kurzzeitigen stark instationärem Auskühlen tritt ein zusätzlicher Schutz der Boxen durch die Erstarrungswärme ein.
• Als geeignete Flüssigkeit bieten sich anhand ihrer bekannten Eigenschaften Paraffine, Öle, Fette an.
• In: Fig. -2a, 2b, 2c sind Ausgestaltungen mit verschiedenen Bimetallanordnungen dargestellt.
• Wie bereits erläutert, besteht die Anordnung grundsätzlich aus zwei ebenen Platten 7, 8, die miteinander am Rand-e dicht; aber gegeneinander mit Plattenverbindungselementen 12, 13 verschiebbar verbunden sind. Zwischen den Platten 7, 8 befindet sich eine Flüssigkeitsmenge 9, die z.B, 1 mm stark ist, wenn beide Platten 7, 8 stark gegeneinandergedrückt werden. Zusätzlich sind Bimetallelemente 10, 11 an einer der Platten 7, 8 montiert, die bei hohen-Temperaturen flach, bei niedrlgen gebogen sind. Diese Bimetallelemente 10, 11 können zusätzliche Elemente sein (Flg.2a), können integraler Bestandteil der Plattenverbindungselemente 12, 13. (Fig. 2b) oder können integraler Bestandteil einer der Platten 7, 8 sein (Fig. 2c). Die Vergrößerung des Abstandes wird von den Blmetallelementen 10, 11 bewirkt, das Verringern durch nicht näher dargestel.lte Federlemente,, z.B. durch. YoSspannen der Plattenverbindungselemente oder einer der beiden Platten oder festes Ankoppeln der Bimetallelemente. Die gegeneinanderliegenden Oberflächen weisen niedrige Emissionszahlen auf.
• Zur Montage am Raumflugkörper wird die innere Platte 8 mi-t den Bimetallelementen 10, 11 am Raumflugkörper in gutem Wärmekontakt angebracht, z.B. geklebt, auf der äußeren Platte 7 werden Elemente hoher Emissionszahl angebracht, z.B.
• Kaltspiegel 14.
• L e e r s e i t e

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Konstanthaltung der innentemperatur von Körpern P a t e n t a n s p r tt c h e 1. Vorrichtung zur Konstanthaltung der Innentemperatur von Körpern im Vakuum vorzugsweise für Raumflugkörper, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die thermische Leitfähigkeit zwischen Innen- und Außenwand des Körpers variierbar ist und daß dazu die äußere Wandstruktur aus einer Anordnung von zwei an ihren Rindern dichten Platten(7, 8) besteht, zwischen denen sich eine Flüssigkeitsschicht (9) befindet, wobei der Abstand zwischen den Platten (7, 8) in Abhängigkeit von der abzustrahlenden Verlustwärme variierbar ist und wobei die innere Platte (8) gleichzeitig Teil der Struktur des Körpers sein kann.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c-h n e t , daß, das Vari-ieren des Plattenabstandes mittels zwischen den Plat-ten (7, 8) angeordneten Bimetallelementen (10, 11) erfolgt, wobei diese bei hohen Temperaturen eine Abstandsreduzterung und bei niedrigen Temperaturen eine Abstandsvergrößerung bewirken und durch Vorspannen einer der beiden Platten (7, 8)- oder von Plattenv.erbindung-selementen (12, 13) erfolgt.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , , daß die äußere Platte (7) außen mit Kaltspiegeln (14) belegt ist und daß die Innenseiten (5, 6) der Platten (7, 8) zur Verringerung des Strahlungsaustausches oberflächenbehandelt sind, z.B. vergoldet oder versilbert sind.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n -z e i -c h n e t , daß eine der beiden Platten(7, 8) aus Bimetall besteht, dergestalt, daß bei niedrigen Temperaturen- Ihr Abstand zur anderen Platte größer wird.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Bimetallelemente (10, 11) die Plattenverbindungselemente (12, 13) sind.