RU213247U1 - Thermoregulating heating device based on a loop heat pipe - Google Patents

Thermoregulating heating device based on a loop heat pipe Download PDF

Info

Publication number
RU213247U1
RU213247U1 RU2022107200U RU2022107200U RU213247U1 RU 213247 U1 RU213247 U1 RU 213247U1 RU 2022107200 U RU2022107200 U RU 2022107200U RU 2022107200 U RU2022107200 U RU 2022107200U RU 213247 U1 RU213247 U1 RU 213247U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
condenser
evaporator
heat
valve
equipment
Prior art date
Application number
RU2022107200U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Евгений Юрьевич Котляров
Геннадий Павлович Серов
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина"
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина" filed Critical Акционерное общество "Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина"
Application granted granted Critical
Publication of RU213247U1 publication Critical patent/RU213247U1/en

Links

Images

Abstract

Полезная модель относится к области теплотехники и может быть использована при создании регулируемых теплопередающих устройств для обогрева оборудования автоматических КА, в частности посадочных КА, работающих в условиях дефицита солнечной энергии, а также в автономных теплотехнических устройствах, функционирующих в суровых климатических условиях.The utility model relates to the field of heat engineering and can be used to create adjustable heat transfer devices for heating automatic spacecraft equipment, in particular landing spacecraft operating in conditions of solar energy deficiency, as well as in autonomous heat engineering devices operating in harsh climatic conditions.

Терморегулирующее нагревательное устройство на базе контурной тепловой трубы содержит испаритель с капиллярно-пористой вставкой (КПВ), контактирующий с генератором тепла, конденсатор, контактирующий с термостатируемым оборудованием, паропровод, конденсатопровод и клапан с сильфоном, заполненным инертным газом. Клапан выполнен двухходовым и установлен в конденсатопроводе на выходе из конденсатора с возможностью регулирования и прекращения циркуляции теплоносителя. Внутренний объем конденсатора превышает объем циркулирующего теплоносителя, исключая самопроизвольное поступление теплоносителя из конденсатора в испаритель при перекрытом конденсатопроводе. При этом все элементы испарителя (включая КПВ) выполнены из одного материала.The temperature-controlled heating device based on a loop heat pipe contains an evaporator with a capillary-porous insert (CPV) in contact with a heat generator, a condenser in contact with thermostatically controlled equipment, a steam pipeline, a condensate pipeline and a valve with a bellows filled with an inert gas. The valve is made two-way and is installed in the condensate pipeline at the outlet of the condenser with the ability to regulate and stop the circulation of the coolant. The internal volume of the condenser exceeds the volume of the circulating heat carrier, excluding spontaneous flow of the heat carrier from the condenser to the evaporator when the condensate pipeline is closed. In this case, all elements of the evaporator (including CPV) are made of the same material.

Предлагаемое нагревательное устройство позволяет обеспечить регулируемый подогрев оборудования в зависимости от его фактической температуры в условиях изменения окружающей температуры или изменения тепловыделения от оборудования. При этом регулирование осуществляется пассивными средствами, а КТТ способна работать и в условиях гравитации и, если необходимо, как обычная нерегулируемая КТТ в условиях невесомости. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

Figure 00000001
The proposed heating device allows for controlled heating of equipment depending on its actual temperature under conditions of changing ambient temperature or changes in heat release from the equipment. In this case, the regulation is carried out by passive means, and the LHP is capable of operating under gravitational conditions and, if necessary, as a conventional unregulated LHP under weightless conditions. 4 w.p. f-ly, 6 ill.
Figure 00000001

Description

Полезная модель относится к области теплотехники и может быть использована при создании регулируемых теплопередающих устройств для обогрева оборудования автоматических КА, в частности посадочных КА, работающих в условиях дефицита солнечной энергии, а также в автономных теплотехнических устройствах, функционирующих в суровых климатических условиях.The utility model relates to the field of heat engineering and can be used to create adjustable heat transfer devices for heating automatic spacecraft equipment, in particular landing spacecraft operating in conditions of solar energy deficiency, as well as in autonomous heat engineering devices operating in harsh climatic conditions.

Известна система терморегулирования приборного отсека в советских автоматических самоходных аппаратах «Луноход-1» и «Луноход-2», где циркулирующий через герметичный приборный отсек газ при необходимости направлялся по соответствующим газоходам, либо в место установки радиоизотопного источника тепла (РИТ), когда требовался нагрев газа, либо в радиатор, когда требовалось охлаждение газа. [А.П. Виноградов Передвижения лаборатория на луне ЛУНОХОД-1, М.: «Наука», 1971, с. 30-33, 128 с.]. Таким образом, в заполненном газом герметичном приборном отсеке Лунохода можно было поддерживать заданный температурный режим при включенном и выключенном оборудовании, а также при низкой ночной и высокой дневной температуре, которая повышалась в результате воздействия на Луноход солнечного теплового излучения. Если обогрев оборудования был не нужен, циркуляция газа осуществлялась в обход РИТ, и тогда сам РИТ, который невозможно было «отключать» в процессе работы Лунохода, нагревался до температуры существенно выше (на десятки градусов) температуры обогреваемого объекта, что позволяло РИТ (в «холостом» режиме) сбрасывать практически все тепло в окружающую среду.A known system for thermal control of the instrument compartment in the Soviet automatic self-propelled vehicles "Lunokhod-1" and "Lunokhod-2", where the gas circulating through the sealed instrument compartment, if necessary, was directed through the corresponding gas ducts, or to the installation site of a radioisotope heat source (RHS) when heating was required gas, or into a radiator when cooling of the gas was required. [A.P. Vinogradov Movement laboratory on the moon LUNOHOD-1, M.: "Nauka", 1971, p. 30-33, 128 pp.]. Thus, in the gas-filled sealed instrument compartment of the Lunokhod, it was possible to maintain the specified temperature regime with the equipment turned on and off, as well as at low night and high daytime temperatures, which increased as a result of the impact of solar thermal radiation on the Lunokhod. If the heating of the equipment was not needed, the gas circulation was carried out bypassing the RHS, and then the RHS itself, which could not be "turned off" during the operation of the Lunokhod, was heated to a temperature significantly higher (by tens of degrees) than the temperature of the heated object, which allowed the RHS (in " idle mode) to dump almost all the heat into the environment.

Благодаря существенной разнице температуры РИТ в холостом режиме и в режиме нагрева циркулирующего газа, возникает возможность использовать часть генерируемого тепла РИТ для обогрева приборного отсека. Например, РИТ, имеющий эффективную поверхность излучения 0,1 м2 (это м.б. открытая наружу часть корпуса РИТ) при температуре 250°С способен диссипировать в окружающую среду тепловую мощность около ~420 Вт. При отборе (с помощью циркулирующего газа) тепла от РИТ и снижении его температуры, например, до 50°С, рассматриваемая поверхность будет отводить лишь ~60 Вт, следовательно, разность двух названных мощностей может быть использована как полезная тепловая мощность для нагрева стороннего объекта, в данном случае приборного отсека, температура которого ниже 50°С.Due to the significant temperature difference between the RHE in idle mode and in the mode of heating the circulating gas, it becomes possible to use part of the generated heat of the RHS for heating the instrument compartment. For example, a RHS with an effective radiation surface of 0.1 m 2 (this may be the part of the RHS case open to the outside) at a temperature of 250°C is capable of dissipating a thermal power of about ~420 W into the environment. When extracting (with the help of circulating gas) heat from the RHS and lowering its temperature, for example, to 50°C, the surface in question will remove only ~60 W, therefore, the difference between the two named powers can be used as a useful thermal power for heating a third-party object, in this case, the instrument compartment, the temperature of which is below 50°C.

Распределение потоков газа в СТР в режимах охлаждения и обогрева приборного отсека Луноходов осуществлялось при помощи заслонок, положение которых автоматически задавалось блоком управления (БУ) и, таким образом, поддерживалась заданная температура газа в приборном отсеке, а также установленного в нем оборудования.The distribution of gas flows in the STR in the modes of cooling and heating of the instrument compartment of the Lunokhods was carried out using shutters, the position of which was automatically set by the control unit (CU) and, thus, the set temperature of the gas in the instrument compartment, as well as the equipment installed in it, was maintained.

Как правило, для КА, применяемых на поверхности Луны, обогрев оборудования от РИТ выполнялся лунной ночью, поскольку на борту КА в этот период продолжительное время не функционируют солнечные батареи. Следовательно, в Луноходах даже лунной ночью необходимо было обеспечивать циркуляцию газа, для чего требовалось обеспечить непрерывную работу вентилятора и БУ и, соответственно, иметь необходимый запас электроэнергии в бортовом аккумуляторе (примерно на две земных недели). Это являлось существенным недостатком данного технического решения, поскольку снижало надежность КА и сокращало время его активного существования.As a rule, for spacecraft used on the lunar surface, equipment was heated from RHS on a lunar night, since solar batteries were not operating on board the spacecraft during this period for a long time. Consequently, in Lunokhods, even on a lunar night, it was necessary to ensure gas circulation, for which it was necessary to ensure the continuous operation of the fan and the control unit and, accordingly, to have the necessary supply of electricity in the onboard battery (approximately for two Earth weeks). This was a significant drawback of this technical solution, since it reduced the reliability of the spacecraft and reduced the time of its active existence.

Указанные недостатки частично устраняются в терморегулирующем нагревательном устройстве, разработанном для китайских посадочных лунных КА серии «Чанъэ», где также с помощью РИТ 1, Фиг. 1 осуществляется «ночной» обогрев приборных панелей 2 [Jianyin Miao, Qi Zhong, Qiwei Zhao, Xin Zhao Spacecraft Thermal Control Technologies, 2020, Springer, 372 p.].These shortcomings are partially eliminated in a temperature-controlled heating device developed for the Chinese landing lunar spacecraft of the Chang'e series, where also with the help of RHS 1, Fig. 1 “night” heating of dashboards 2 is carried out [Jianyin Miao, Qi Zhong, Qiwei Zhao, Xin Zhao Spacecraft Thermal Control Technologies, 2020, Springer, 372 p.].

В этом нагревательном устройстве используется тот же принцип применения РИТ, что и в Луноходах, т.е. рабочая температура РИТ поддерживается на двух предельных уровнях: низкотемпературном, когда РИТ обогревает приборные панели, и высокотемпературном, когда тепло на приборные панели не поступает и рассеивается непосредственно в окружающую среду. Однако, в качестве теплоносителя здесь применяется не газ, а двухфазный аммиак, циркулирующий в замкнутом испарительно-конденсационном контуре. Принципиальное отличие данной системы от системы терморегулирования «Лунохода» состоит в том, что для обеспечения циркуляции двухфазного теплоносителя в контуре системы обогрева приборных панелей не используется механический нагнетатель (т.е. ни насос, ни вентилятор). Циркуляция теплоносителя происходит за счет разности высот в местах установки испарителя 3 и конденсатора 4 на КА, т.е. в условиях лунной гравитации используется напор столба жидкости. Жидкость испаряется в зоне установки РИТ (здесь расположен испаритель), затем пар конденсируется в конденсаторе, установленном выше испарителя (на приборных панелях), далее, конденсат (т.е. жидкий аммиак) стекает в проточный резервуар 5, а из него - возвращается в испаритель. Таким образом, циркуляция и перенос тепла обеспечиваются «в пассивном режиме», без затрат электроэнергии бортового аккумулятора КА.This heating device uses the same principle of using RHS as in Lunokhods, i.e. RHS operating temperature is maintained at two limit levels: low-temperature, when RHS heats instrument panels, and high-temperature, when heat does not enter instrument panels and is dissipated directly into the environment. However, not gas is used here as a heat carrier, but two-phase ammonia circulating in a closed evaporative-condensing circuit. The fundamental difference between this system and the Lunokhod thermal control system is that a mechanical supercharger (i.e., neither a pump nor a fan) is used to ensure the circulation of a two-phase coolant in the circuit of the instrument panel heating system. The circulation of the coolant occurs due to the difference in heights at the installation sites of the evaporator 3 and condenser 4 on the spacecraft, i.e. in conditions of lunar gravity, the pressure of a liquid column is used. The liquid evaporates in the RHS installation area (the evaporator is located here), then the vapor condenses in the condenser installed above the evaporator (on the instrument panels), then the condensate (i.e. liquid ammonia) flows into the flow tank 5, and from it it returns to evaporator. Thus, the circulation and transfer of heat are provided "in a passive mode", without the consumption of electricity from the spacecraft's onboard battery.

Для того, чтобы прекратить нагрев приборных панелей лунным днем, выходной патрубок из проточного резервуара перекрывают с помощью электромагнитного клапана 6, поэтому вся жидкость, имеющаяся в контуре, постепенно, собирается в проточном резервуаре, а испаритель полностью осушается. При «осушенном» испарителе РИТ может отдавать тепло только посредством его излучения в окружающую среду и поэтому он нагревается до температур 200-300°С. Лунной ночью клапан открывают и жидкость начинает стекать вниз «самотеком» в испаритель, поскольку резервуар расположен выше него. В итоге, контур возобновляет свою работу, циркуляция двухфазного аммиака восстанавливается, а температура РИТ опускается до нормальных значений, соизмеримых с допустимой температурой приборных панелей.In order to stop the heating of the instrument panels on a lunar day, the outlet pipe from the flow tank is closed using solenoid valve 6, so all the liquid in the circuit is gradually collected in the flow tank, and the evaporator is completely dried. With a "drained" evaporator, the RHS can give off heat only through its radiation to the environment and therefore it heats up to temperatures of 200-300°C. On a lunar night, the valve is opened and the liquid begins to flow down by gravity into the evaporator, since the reservoir is located above it. As a result, the circuit resumes its operation, the circulation of two-phase ammonia is restored, and the RHS temperature drops to normal values, commensurate with the allowable temperature of the instrument panels.

Достоинством технического решения, разработанного в проекте «Чанъэ», является энергонезависимость работы двухфазного контура в период лунной ночи и относительная простота решения. Однако для подачи команды на включение и выключение контура обогрева (с помощью электроклапана) в «Чанъэ» все равно требуется наличие оператора или автоматического блока управления, что снижает надежность устройства. Кроме того, на этапе перелета и при нахождении КА на орбитах небесных тел в условиях невесомости, приборные панели посадочного КА также нуждаются в обогреве, что требует наличия электронагревателей и, соответственно, приводит к увеличению потребной мощности бортовой системы электроснабжения и росту массы КА.The advantage of the technical solution developed in the Chang'e project is the energy independence of the two-phase circuit operation during the moonlit night and the relative simplicity of the solution. However, to send a command to turn the heating circuit on and off (using an electrovalve) in Chang'e, an operator or an automatic control unit is still required, which reduces the reliability of the device. In addition, during the flight stage and when the spacecraft is in orbits of celestial bodies under weightless conditions, the instrument panels of the landing spacecraft also need to be heated, which requires the presence of electric heaters and, accordingly, leads to an increase in the required power of the onboard power supply system and an increase in the mass of the spacecraft.

Таким образом, основными недостатками данного технического решения являются сохранение зависимости от бортового комплекса управления включения/выключения режима обогрева, а также необходимость наличия гравитации для обеспечения работы устройства.Thus, the main disadvantages of this technical solution are the continued dependence on the onboard control complex for turning on / off the heating mode, as well as the need for gravity to ensure the operation of the device.

Наиболее близким аналогом к заявленному терморегулирующему нагревательному устройству, выбранным в качестве прототипа, является терморегулирующее устройство, позволяющее обеспечить пассивное регулирование обогрева приборного отсека/панели с помощью автономного теплопередающего устройства, выполненного на базе РИТ и контурной тепловой трубы (КТТ) [РФ №2474780, F28D 15/02, 2013]. Устройство включает испаритель 7, содержащий капиллярно-пористую вставку (КПВ) 8 и контактирующий с постоянно работающим генератором тепла 9, два конденсатора 10, 11, контактирующих, соответственно, с термостатируемым оборудованием 12 и радиатором 13 и трехходовой клапан 14 с сильфоном 15, заполненным инертным газом. Испаритель с конденсаторами соединен с помощью паропровода 16 и конденсатопровода 17. В техническом решении по патенту РФ №2474780 не используется принцип поддержания двух существенно отличающихся температурных потенциалов РИТ (как в «Луноходах» и в КА «Чанъэ»). Температура РИТ всегда находится в пределах рабочих температур испарителя КТТ. При этом устройство одновременно (при заданном соотношении мощностей) может обогревать приборную панель и диссипировать тепло в окружающую среду, с возможностью передачи до 100% тепловой энергии, как приборной панели, так и окружающей среде. Распределение циркулирующих потоков двухфазного теплоносителя осуществляется трехходовым клапаном, который является полностью пассивным устройством и способен поддерживать заданную температуру приборной панели. Основным недостатком данного нагревательного устройства являются его относительно большие массогабаритные характеристики, т.к. для обеспечения диссипации тепла РИТ в окружающую среду при низкой температуре нужен специальный РТО, который имеет существенные габариты, требует наличия «подходящего места» в составе КА и обладает массой.The closest analogue to the claimed thermostatic heating device, selected as a prototype, is a thermostatic device that allows for passive control of the heating of the instrument compartment/panel using an autonomous heat transfer device made on the basis of RHS and a loop heat pipe (LHP) [RF No. 2474780, F28D February 15, 2013]. The device includes an evaporator 7 containing a capillary-porous insert (CPV) 8 and in contact with a constantly operating heat generator 9, two condensers 10, 11, in contact, respectively, with a thermostatically controlled equipment 12 and a radiator 13 and a three-way valve 14 with a bellows 15 filled with an inert gas. The evaporator is connected to the condensers via steam line 16 and condensate line 17. The technical solution according to RF patent No. 2474780 does not use the principle of maintaining two significantly different RHS temperature potentials (as in Lunokhods and Chang'e spacecraft). The RHS temperature is always within the operating temperatures of the LHP evaporator. At the same time, the device can simultaneously (at a given power ratio) heat the dashboard and dissipate heat into the environment, with the possibility of transferring up to 100% of thermal energy to both the dashboard and the environment. The distribution of the circulating flows of the two-phase coolant is carried out by a three-way valve, which is a completely passive device and is able to maintain the set temperature of the dashboard. The main disadvantage of this heating device is its relatively large weight and size characteristics. To ensure the dissipation of RHS heat into the environment at low temperatures, a special RHE is needed, which has significant dimensions, requires a “suitable place” in the spacecraft, and has a mass.

Технической проблемой, решаемой с помощью предлагаемой полезной модели, является снижение массы и габаритов терморегулирующего нагревательного устройства на базе КТТ и РИТ, обеспечивающего регулируемый обогрев оборудования без затрат электроэнергии на управление и функционирование нагревательного устройства.The technical problem solved by the proposed utility model is to reduce the weight and dimensions of a thermostatic heating device based on LHP and RHS, which provides controlled heating of equipment without the cost of electricity for the control and operation of the heating device.

Указанные задачи обеспечиваются тем, что в известном терморегулирующем нагревательном устройстве на базе контурной тепловой трубы, содержащем испаритель с капиллярно-пористой вставкой (КПВ), контактирующий с генератором тепла, конденсатор, контактирующий с термостатируемым оборудованием, паропровод, конденсатопровод и клапан с сильфоном, заполненным инертным газом, новым является то, что клапан выполнен двухходовым и установлен в конденсатопроводе на выходе из конденсатора с возможностью регулирования и прекращения циркуляции теплоносителя, при этом внутренний объем конденсатора превышает объем циркулирующего теплоносителя, исключая самопроизвольное поступление теплоносителя (самотеком) из конденсатора в испаритель, при перекрытом конденсатопроводе, а все элементы испарителя, включая КПВ, выполнены из одного материала.These tasks are ensured by the fact that in a well-known temperature-controlled heating device based on a loop heat pipe, containing an evaporator with a capillary-porous insert (CPV) in contact with a heat generator, a condenser in contact with thermostatically controlled equipment, a steam pipeline, a condensate pipeline and a valve with a bellows filled with an inert gas, the novelty is that the valve is made two-way and is installed in the condensate pipeline at the outlet of the condenser with the possibility of regulating and stopping the circulation of the heat carrier, while the internal volume of the condenser exceeds the volume of the circulating heat carrier, excluding spontaneous flow of the heat carrier (by gravity) from the condenser to the evaporator, when the condensate line, and all elements of the evaporator, including CPV, are made of the same material.

Кроме того, корпус испарителя и капиллярно-пористая вставка выполнены из никеля.In addition, the body of the evaporator and the capillary-porous insert are made of nickel.

Кроме того, в качестве теплоносителя используется двухфазный аммиак.In addition, two-phase ammonia is used as a heat carrier.

Кроме того, внутренняя полость конденсатора со стороны выхода имеет углубление, емкость которого превышает объем циркулирующего теплоносителя.In addition, the inner cavity of the condenser on the outlet side has a recess, the capacity of which exceeds the volume of the circulating coolant.

Кроме того, клапан нагревательного устройства, при установке устройства на борту посадочного КА, дополнительно снабжен стопорным механизмом, обеспечивающим фиксацию клапана в открытом положении до посадки КА на поверхность небесного тела.In addition, the valve of the heating device, when the device is installed on board the landing spacecraft, is additionally equipped with a locking mechanism that ensures that the valve is fixed in the open position until the spacecraft is landed on the surface of a celestial body.

Введение в состав устройства двухходового клапана позволяет обеспечить регулирование циркулирующего теплоносителя и полное перекрытие циркуляции в зависимости от давления паров двухфазного теплоносителя в конденсаторе без подачи управляющих команд.The introduction of a two-way valve into the structure of the device makes it possible to ensure the regulation of the circulating coolant and complete shutdown of the circulation, depending on the vapor pressure of the two-phase coolant in the condenser, without issuing control commands.

Установка клапана на выходе из конденсатора позволяет при закрытии клапана прекратить циркуляцию теплоносителя в контуре лунной ночью и собрать весь жидкий теплоноситель в конденсаторе.Installing a valve at the outlet of the condenser allows, when the valve is closed, to stop the circulation of the coolant in the circuit on a moonlit night and collect all the liquid coolant in the condenser.

Превышение внутреннего объема конденсатора объема циркулирующего теплоносителя позволяет исключить самопроизвольное стекание теплоносителя из конденсатора в испаритель через паропровод при перекрытом конденсатопроводе.Exceeding the internal volume of the condenser of the volume of the circulating coolant makes it possible to exclude spontaneous flow of the coolant from the condenser to the evaporator through the steam pipeline when the condensate pipeline is closed.

Применение одинакового материала, для составных частей испарителя позволяет избежать повреждений и разгерметизации КТТ возможных в результате термодеформации испарителя.The use of the same material for the components of the evaporator makes it possible to avoid damage and depressurization of the LHP possible as a result of thermal deformation of the evaporator.

Выполнение корпуса испарителя и капиллярно-пористой вставки из никеля позволяет получить оптимальное сочетание теплофизических и прочностных характеристик составных частей испарителя.The execution of the evaporator body and capillary-porous insert of Nickel allows you to obtain the optimal combination of thermophysical and strength characteristics of the components of the evaporator.

Использование аммиака в качестве двухфазного теплоносителя обеспечивает возможность продолжительного функционирования нагревательного устройства в условиях многократных периодических осушений испарителя с повышениями его температуры выше допустимой температуры жидкого теплоносителя.The use of ammonia as a two-phase coolant ensures the possibility of long-term operation of the heating device under conditions of repeated periodic drying of the evaporator with its temperature rising above the allowable temperature of the liquid coolant.

Наличие во внутренней полости конденсатора со стороны выхода, углубления, емкость которого превышает объем циркулирующего теплоносителя, позволяет не вводить в конструкцию конденсатора резервуар в виде отдельного элемента для сбора жидкости. При этом, если только часть конденсатора выполняет функции резервуара, упрощается трассировка конденсатора на приборной панели с установленным термостатируемым оборудованием.The presence in the inner cavity of the condenser on the outlet side of a recess, the capacity of which exceeds the volume of the circulating coolant, makes it possible not to introduce a reservoir into the condenser structure in the form of a separate element for collecting liquid. At the same time, if only a part of the condenser functions as a reservoir, the tracing of the condenser on the dashboard with thermostatic equipment installed is simplified.

Дополнительное снабжение клапана нагревательного устройства, при установке устройства на борту посадочного КА, стопорным механизмом, обеспечивающим фиксацию клапана в открытом положении до посадки КА на поверхность небесного тела, позволяет обеспечить постоянную работоспособность КТТ в невесомости.Additional supply of the heating device valve, when the device is installed on board the landing SC, with a locking mechanism that ensures the valve is fixed in the open position before the SC landing on the surface of a celestial body, makes it possible to ensure the constant operation of the LHP in weightlessness.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:The essence of the invention is illustrated by drawings, where:

Фиг. 1 - принципиальная схема двухфазного контура обогрева приборных панелей КА «Чанъэ» в активном режиме (лунной ночью);Fig. 1 - a schematic diagram of a two-phase circuit for heating the instrument panels of the Chang'e spacecraft in active mode (on a moonlit night);

Фиг. 2 - принципиальная схема двухфазного контура обогрева приборных панелей КА «Чанъэ» в пассивном режиме (лунным днем);Fig. 2 - a schematic diagram of a two-phase circuit for heating the instrument panels of the Chang'e spacecraft in the passive mode (on a lunar day);

Фиг. 3 - принципиальная схема прототипа нагревательного устройства (патент РФ 2474780);Fig. 3 is a schematic diagram of a heating device prototype (RF patent 2474780);

Фиг. 4 - терморегулирующее нагревательное устройство в режиме циркуляции теплоносителя и нагрева оборудования;Fig. 4 - thermostatic heating device in the mode of coolant circulation and equipment heating;

Фиг.5 - терморегулирующее нагревательное устройство в режиме отсутствия циркуляции теплоносителя и останова нагрева оборудования;Fig.5 - thermostatic heating device in the mode of no circulation of the coolant and stop heating equipment;

Фиг. 6 - клапан терморегулирующего нагревательного устройства со стопорным механизмом.Fig. 6 - valve of the thermostatic heating device with a locking mechanism.

Нагревательное устройство на базе контурной тепловой трубы и РИТ содержит испаритель 18, имеющий тепловой контакт с постоянно работающим генератором тепла (т.е. РИТ) 19. Испаритель 18 оснащен капиллярно-пористой вставкой 20, которая в КТТ выполняет функции капиллярного насоса, гидрозатвора, теплового затвора и парогенератора. Выход испарителя посредством паропровода 21 подсоединен ко входу конденсатора 22, предназначенного для нагрева оборудования КА. Выход конденсатора 23 через двухходовой клапан 24 с сильфоном 25 соединен со входом в испаритель с помощью конденсатопровода 26. Двухходовой клапан 24 либо направляет теплоноситель в испаритель, либо останавливает циркуляцию, а также может обеспечить переходные, промежуточные состояния. При этом, сильфон 25 является исполнительным механизмом, обеспечивающим соответствующее положение штока клапана 27. Внутренняя полость сильфона 25 заправлена инертным газом и не имеет непосредственного контакта с теплоносителем КТТ. Давление газа в сильфоне определяет температуру регулирования, поскольку уравновешивает давление насыщенных паров в конденсаторе. В условиях невесомости (на этапе доставки КА к небесному телу) КТТ может работать как обычная нерегулируемая КТТ. Для этого, либо температуру настройки клапана выбирают выше температуры оборудования на этапе доставки, либо устанавливают стопорный механизм 28, который обеспечивает открытое положение клапана.The heating device based on the loop heat pipe and RHS contains an evaporator 18, which has thermal contact with a constantly operating heat generator (i.e., RHS) 19. The evaporator 18 is equipped with a capillary-porous insert 20, which in LHP performs the functions of a capillary pump, a hydraulic seal, a thermal shutter and steam generator. The outlet of the evaporator is connected by means of a steam line 21 to the inlet of the condenser 22 intended for heating the spacecraft equipment. The outlet of the condenser 23 through a two-way valve 24 with a bellows 25 is connected to the inlet to the evaporator using a condensate line 26. The two-way valve 24 either directs the coolant to the evaporator or stops circulation, and can also provide transitional, intermediate states. At the same time, the bellows 25 is an actuator that ensures the appropriate position of the valve stem 27. The internal cavity of the bellows 25 is filled with an inert gas and does not have direct contact with the LHP coolant. The gas pressure in the bellows determines the control temperature as it balances the saturated vapor pressure in the condenser. Under zero gravity conditions (at the stage of delivery of the spacecraft to a celestial body), the LHP can operate as a conventional unregulated LHP. To do this, either the valve setting temperature is chosen above the temperature of the equipment at the stage of delivery, or a locking mechanism 28 is installed, which ensures the open position of the valve.

Предлагаемое теплопередающее устройство работает следующим образом. В активном режиме тепло РИТ от испарителя 18 передается к конденсатору 22 за счет конденсации в нем пара, поступающего из испарителя. Конденсат беспрепятственно возвращается в испаритель, через конденсатопровод 26, поскольку клапан 24, установленный в конденсатопроводе, открыт. Открытое положение клапана обеспечивается его температурой настройки, которая (в активном режиме) выше, чем температура оборудования. Таким образом, происходит циркуляция теплоносителя и осуществляется обогрев (неработающего) оборудования. В активном режиме устройство работает ночью, когда в зоне нахождения КА длительное время нет солнечного света и возникает дефицит бортовой электроэнергии.The proposed heat transfer device operates as follows. In the active mode, the RHS heat from the evaporator 18 is transferred to the condenser 22 due to the condensation in it of the steam coming from the evaporator. The condensate freely returns to the evaporator through the condensate line 26, since the valve 24 installed in the condensate line is open. The open position of the valve is provided by its set temperature, which (in active mode) is higher than the temperature of the equipment. Thus, the coolant circulates and the (idle) equipment is heated. In the active mode, the device operates at night, when there is no sunlight in the spacecraft location area for a long time and there is a shortage of onboard electricity.

Днем, при наличии солнечного света, оборудование приступит к работе и температура панели с установленным оборудованием превысит заданное значение соответствующее температуре настройки клапана, тогда устройство перейдет в пассивный режим. Соответственно, вырастет и давление насыщения в конденсаторе КТТ, сильфон 25 изменит положение штока 27 и закроет выход 23 из конденсатора 22. Жидкость начнет собираться в конденсаторе и через некоторое время циркуляция остановится, т.к. испаритель осушится, а обогрев оборудования прекратится. РИТ 19 нагреется до максимальной температуры, при которой все его тепло будет рассеиваться в окружающую среду.During the day, in the presence of sunlight, the equipment will start working and the temperature of the panel with the installed equipment will exceed the set value corresponding to the valve setting temperature, then the device will go into passive mode. Accordingly, the saturation pressure in the LHP condenser will also increase, the bellows 25 will change the position of the rod 27 and close the outlet 23 from the condenser 22. The liquid will begin to collect in the condenser and after a while the circulation will stop, because the evaporator will dry out and the heating of the equipment will stop. RHS 19 will heat up to the maximum temperature at which all its heat will be dissipated into the environment.

При снижении температуры внешней среды или при снижении тепловыделения от оборудования его температура начнет падать, давление насыщения в конденсаторе снизится, сильфон «разожмется», переместит шток и, в результате, выход из конденсатора откроется. За счет стекания жидкости (из конденсатора в испаритель) циркуляция теплоносителя возобновится, испаритель получит подпитку жидким теплоносителем и начнется обогрев оборудования. Таким образом, достигается регулируемый (циклический) обогрев, причем управление работой клапана осуществляется по фактической температуре конденсатора, которая наиболее близка к температуре самого оборудования.With a decrease in the ambient temperature or with a decrease in heat release from the equipment, its temperature will begin to fall, the saturation pressure in the condenser will decrease, the bellows will “unclench”, move the rod and, as a result, the exit from the condenser will open. Due to the liquid draining (from the condenser to the evaporator), the circulation of the coolant will resume, the evaporator will be replenished with the liquid coolant and the heating of the equipment will begin. In this way, controlled (cyclic) heating is achieved, and the valve operation is controlled by the actual condenser temperature, which is closest to the temperature of the equipment itself.

В условиях невесомости, на этапе доставки к небесному телу, КТТ работает как обычная нерегулируемая КТТ, если это необходимо. Этот режим может быть обеспечен стопорным механизмом 28.Under weightless conditions, at the stage of delivery to a celestial body, LHP works like a conventional unregulated LHP, if necessary. This mode can be provided by the locking mechanism 28.

Представленное техническое решение позволяет создать теплопередающее устройство, обеспечивающее регулируемый подогрев оборудования в зависимости от его фактической температуры в условиях изменения окружающей температуры или изменения тепловыделения от оборудования. При этом регулирование осуществляется пассивными средствами, а КТТ способна работать и в условиях гравитации и, если необходимо, как обычная нерегулируемая КТТ в условиях невесомости.The presented technical solution makes it possible to create a heat transfer device that provides controlled heating of equipment depending on its actual temperature under conditions of changing ambient temperature or changing heat release from the equipment. In this case, the regulation is carried out by passive means, and the LHP is capable of operating under gravitational conditions and, if necessary, as a conventional unregulated LHP under weightless conditions.

Claims (5)

1. Терморегулирующее нагревательное устройство на базе контурной тепловой трубы, содержащее испаритель с капиллярно-пористой вставкой (КПВ), контактирующий с генератором тепла, конденсатор, контактирующий с термостатируемым оборудованием, паропровод, конденсатопровод и клапан с сильфоном, заполненным инертным газом, отличающееся тем, что клапан выполнен двухходовым и установлен в конденсатопроводе на выходе из конденсатора с возможностью регулирования и прекращения циркуляции теплоносителя, при этом внутренний объем конденсатора превышает объем циркулирующего теплоносителя, исключая самопроизвольное поступление теплоносителя из конденсатора в испаритель при перекрытом конденсатопроводе, а все элементы испарителя (включая КПВ) выполнены из одного материала.1. A temperature-controlled heating device based on a loop heat pipe, containing an evaporator with a capillary-porous insert (CPV) in contact with a heat generator, a condenser in contact with thermostatically controlled equipment, a steam pipeline, a condensate pipeline and a valve with a bellows filled with an inert gas, characterized in that the valve is made two-way and is installed in the condensate line at the outlet of the condenser with the possibility of regulating and stopping the circulation of the heat carrier, while the internal volume of the condenser exceeds the volume of the circulating heat carrier, excluding spontaneous flow of the heat carrier from the condenser to the evaporator when the condensate line is closed, and all elements of the evaporator (including CPV) are made from one material. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что корпус испарителя и капиллярно-пористая вставка выполнены из никеля.2. The device according to claim 1, characterized in that the evaporator body and the capillary-porous insert are made of nickel. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве теплоносителя используется двухфазный аммиак.3. The device according to claim 1, characterized in that two-phase ammonia is used as a coolant. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что внутренняя полость конденсатора со стороны выхода имеет углубление, емкость которого превышает объем циркулирующего теплоносителя.4. The device according to claim 1, characterized in that the internal cavity of the condenser on the outlet side has a recess, the capacity of which exceeds the volume of the circulating coolant. 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что клапан нагревательного устройства, при установке устройства на борту посадочного КА, дополнительно снабжен стопорным механизмом, обеспечивающим фиксацию клапана в открытом положении до посадки КА на поверхность небесного тела.5. The device according to claim 1, characterized in that the valve of the heating device, when the device is installed on board the landing spacecraft, is additionally equipped with a locking mechanism that secures the valve in the open position until the spacecraft lands on the surface of a celestial body.
RU2022107200U 2022-03-18 Thermoregulating heating device based on a loop heat pipe RU213247U1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU213247U1 true RU213247U1 (en) 2022-08-31

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2346862C2 (en) * 2007-03-05 2009-02-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение прикладной механики им. академика М.Ф. Решетнева" Spacecraft heat transfer device
US20100300656A1 (en) * 2007-05-16 2010-12-02 Sun Yat-Sen University heat transfer device combined a flatten loop heat pipe and a vapor chamber
RU2474780C1 (en) * 2011-10-18 2013-02-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина" Thermal control device based on wraparound heat tube
RU2757740C1 (en) * 2021-03-19 2021-10-21 Акционерное общество "Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина" (АО "НПО Лавочкина") Adjustable loop heat pipe

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2346862C2 (en) * 2007-03-05 2009-02-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение прикладной механики им. академика М.Ф. Решетнева" Spacecraft heat transfer device
US20100300656A1 (en) * 2007-05-16 2010-12-02 Sun Yat-Sen University heat transfer device combined a flatten loop heat pipe and a vapor chamber
RU2474780C1 (en) * 2011-10-18 2013-02-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина" Thermal control device based on wraparound heat tube
RU2757740C1 (en) * 2021-03-19 2021-10-21 Акционерное общество "Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина" (АО "НПО Лавочкина") Adjustable loop heat pipe

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101633411B (en) Actuating mechanism of spacecraft for integrating heat control and liquid momentum wheel
US5159972A (en) Controllable heat pipes for thermal energy transfer
US5092129A (en) Space suit cooling apparatus
US4522253A (en) Water-source heat pump system
EP0389407A1 (en) Space suit cooling apparatus
US4286579A (en) Closed loop solar collector system
EP2631183B1 (en) Pressure controlled thermal control device
CN102092481A (en) Blocking device for loop heat pipe of satellite borne equipment
US4377071A (en) Solar energy power station
RU213247U1 (en) Thermoregulating heating device based on a loop heat pipe
CN103407582B (en) The heat management system of the large-scale load in a kind of space
JP6309702B2 (en) Thermal storage tank and solar power generation system using thermal storage tank
RU2585936C1 (en) Thermal control system for spacecraft equipment
Stroming et al. Critical review of thermal management technologies for portable life support systems
RU2474780C1 (en) Thermal control device based on wraparound heat tube
RU162862U1 (en) SPACE EQUIPMENT THERMAL CONTROL SYSTEM
RU2487063C2 (en) Landing lunar module instrument compartment thermal control system
JP2005257140A (en) Solar heat pump system and its operation method
Fraser Theory and applications of cooling systems in lunar surface exploration
EP4195892B1 (en) Cooling apparatus and space structure
RU224524U1 (en) Spacecraft thermal control system
RU164433U1 (en) SYSTEM OF THERMAL REGULATION OF PRECISION INSTRUMENTS OF SPACE VEHICLE
Hay et al. Water-titanium heat pipes for spacecraft fission power
Bugby et al. Development and testing of a variable conductance thermal acquisition, transport, and switching system
Yu et al. Research on adaptive thermal control system of space optical remote sensor