RU2797894C1 - Radiant hybrid structure panel - Google Patents

Radiant hybrid structure panel Download PDF

Info

Publication number
RU2797894C1
RU2797894C1 RU2022134191A RU2022134191A RU2797894C1 RU 2797894 C1 RU2797894 C1 RU 2797894C1 RU 2022134191 A RU2022134191 A RU 2022134191A RU 2022134191 A RU2022134191 A RU 2022134191A RU 2797894 C1 RU2797894 C1 RU 2797894C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
panel
radiating
radiant
hybrid structure
heat
Prior art date
Application number
RU2022134191A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Евгеньевич Белявский
Андрей Евгеньевич Сорокин
Наталья Сергеевна Кудрявцева
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)"
Application granted granted Critical
Publication of RU2797894C1 publication Critical patent/RU2797894C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: space technology.
SUBSTANCE: hybrid structure radiant panel consists of a hybrid structure, the top plate of which is a metal panel with an outer radiating layer, the bottom plate is a hybrid structure composed of a stack of graphite films with an in-plane thermal conductivity of more than 1500 W/(mK). The plates are fixed with adhesive. Metal elements are installed on the radiating panel perpendicular to the radiating surface over the entire area of the panel through the thickness of the panel, increasing the out-of-plane thermal conductivity of the panel.
EFFECT: increased efficiency of heat discharge into outer space while simplifying the design without heat pipes.
4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к космической технике, в частности к устройствам, которые за счет лучистого теплообмена отводят избыточное тепло от тепловыделяющих элементов оборудования. Изобретение может быть использовано в конструкциях планетных баз и космических аппаратов.The invention relates to space technology, in particular to devices that remove excess heat from fuel elements of equipment due to radiant heat exchange. The invention can be used in the design of planetary bases and spacecraft.

Излучающие панели служат для отвода избыточного тепла от тепловыделяющих элементов оборудования, установленного на ней, за счет лучистого теплообмена в окружающее пространство.Radiant panels are used to remove excess heat from the fuel elements of the equipment installed on it, due to radiant heat transfer to the surrounding space.

Известны различные конструкции излучающих панелей. Например, излучающая панель, известная из RU 2603690 С1, 27.11.2016, включающая в свой состав радиатор-излучатель в виде цилиндрического экрана, выполненный из металла и тепловые трубы на поверхности экрана, или RU 2329922 С2, 27.07.2008, представляющая из себя радиатор-излучатель из сотопанели со встроенными в нее тепловыми трубами. Существенным недостатком вышеуказанных решений является то, что используемые в настоящее время аксиальные тепловые трубы не приспособлены для работы в условиях гравитации на планетных базах, и выполнены из металла или пространственных сотопанелей, в связи с чем обладают большой массой. Наиболее близким аналогом является излучающая панель, известная из RU 2603690 С1, 27.11.2016.Various designs of radiant panels are known. For example, a radiant panel known from RU 2603690 C1, 11/27/2016, which includes a radiator-emitter in the form of a cylindrical screen made of metal and heat pipes on the screen surface, or RU 2329922 C2, 07/27/2008, which is a radiator - emitter made of honeycomb panel with heat pipes built into it. A significant disadvantage of the above solutions is that the currently used axial heat pipes are not adapted to work in gravitational conditions on planetary bases, and are made of metal or spatial honeycomb panels, and therefore have a large mass. The closest analogue is the radiating panel, known from RU 2603690 C1, 11/27/2016.

К недостаткам наиболее близкого аналога можно отнести следующее:The disadvantages of the closest analogue include the following:

- наличие в конструкции радиационного теплообменника тепловых труб, не работающих эффективно в условиях гравитации;- the presence in the design of the radiative heat exchanger of heat pipes that do not work effectively in gravitational conditions;

- использование однослойной излучающей панели из металла, что приводит к утяжелению конструкции;- the use of a single-layer radiating metal panel, which leads to a weighting of the structure;

- наличие тепловых труб повышает вероятность ухудшения рабочих параметров радиационного излучателя из-за метеоритного пробоя.- the presence of heat pipes increases the likelihood of deterioration of the operating parameters of the radiation emitter due to meteorite breakdown.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков и получение новой конструкции излучающей панели.The objective of the invention is to eliminate the above disadvantages and obtain a new design of the radiant panel.

Для решения задачи и обеспечения технического результата предлагается излучающая панель гибридной структуры, состоящая из двух пластин, верхняя пластина которой представляет собой пластину из металла, нижняя пластина является гибридной структурой из высокопроводящей фольги пиролитического графита, соединенной путем адгезионного склеивания, пластины фиксируются клеевым соединением, на излучающей панели перпендикулярно к излучающей поверхности на всей площади панели насквозь по толщине панели установлены металлические элементы, увеличивающие внеплоскостную теплопроводность панели. Верхняя пластина излучающей панели выполняется из алюминия или стали. На наружную поверхность верхней пластины излучающей панели нанесен излучающий слой. To solve the problem and ensure the technical result, a radiant panel of a hybrid structure is proposed, consisting of two plates, the upper plate of which is a metal plate, the lower plate is a hybrid structure of highly conductive pyrolytic graphite foil, connected by adhesive gluing, the plates are fixed by adhesive bonding, on the radiating panel perpendicular to the radiating surface on the entire area of the panel through the thickness of the panel installed metal elements that increase the out-of-plane thermal conductivity of the panel. The top plate of the radiant panel is made of aluminum or steel. A radiating layer is deposited on the outer surface of the top plate of the radiating panel.

Излучающая панель гибридной структуры состоит из двух слоев, верхнего - излучающего и нижнего - теплопроводящего.The radiant panel of the hybrid structure consists of two layers, the upper one is radiant and the lower one is heat-conducting.

Верхний излучающий слой излучающей панели гибридной структуры состоит из металла.The upper radiant layer of the hybrid structure radiant panel is made of metal.

Нижний теплопроводящий слой излучающей панели гибридной структуры состоит из пакета высокопроводящей фольги пиролитического графита.The lower heat-conducting layer of the radiant panel of the hybrid structure consists of a package of highly conductive pyrolytic graphite foil.

В конструкции излучающей панели гибридной структуры отсутствуют тепловые трубы.There are no heat pipes in the design of the hybrid structure radiant panel.

Предлагаемое изобретение поясняется графическими изображениями.The present invention is illustrated by graphic images.

На фиг. 1 представлена схема излучающей панели гибридной структуры с двухслойной излучающей панелью с расположенными на ней тепловыделяющими элементами оборудования.In FIG. 1 shows a diagram of a radiant panel of a hybrid structure with a two-layer radiant panel with fuel elements of the equipment located on it.

На фиг. 2 представлены металлические элементы, установленные на излучающей панели перпендикулярно к излучающей поверхности на всей площади панели насквозь по толщине панели в виде заклепок.In FIG. 2 shows metal elements installed on the radiating panel perpendicular to the radiating surface over the entire area of the panel through the thickness of the panel in the form of rivets.

На фиг. 3 представлены металлические элементы, установленные на излучающей панели перпендикулярно к излучающей поверхности на всей площади панели насквозь по толщине панели в виде проволочного шва.In FIG. 3 shows metal elements installed on the radiating panel perpendicular to the radiating surface over the entire area of the panel through the thickness of the panel in the form of a wire seam.

На фиг. 4 представлены металлические элементы, установленные на излучающей панели перпендикулярно к излучающей поверхности на всей площади панели насквозь по толщине панели в виде проволочных скоб.In FIG. 4 shows metal elements installed on the radiating panel perpendicular to the radiating surface over the entire area of the panel through the thickness of the panel in the form of wire brackets.

Излучающая панель гибридной структуры, фиг. 1, состоит из двух пластин, 1 и 2. Верхняя пластина - 1 состоит из металла с наружным излучающим слоем. Нижняя пластина - 2 является гибридной структурой, состоящей из пакета высокопроводящей фольги пиролитического графита с плоскостной теплопроводностью более 1500 Вт/(мК), что обеспечивает снижение массы и повышение эффективности ребра излучающей панели. На нижнюю пластину устанавливается тепловыделяющие элементы оборудования 3. Верхняя и нижняя пластины излучающей панели радиационного теплообменника гибридной структуры скрепляются клеевым соединением. На излучающей панели перпендикулярно к излучающей поверхности на всей площади панели насквозь по толщине панели установлены металлические элементы 4, увеличивающие внеплоскостную теплопроводность панели. The radiant panel of the hybrid structure, fig. 1 consists of two plates, 1 and 2. The top plate - 1 consists of metal with an outer radiating layer. The bottom plate - 2 is a hybrid structure consisting of a package of highly conductive pyrolytic graphite foil with in-plane thermal conductivity of more than 1500 W / (mK), which reduces the weight and increases the efficiency of the radiating panel fin. Fuel elements of the equipment 3 are installed on the bottom plate. Metal elements 4 are installed on the radiating panel perpendicular to the radiating surface over the entire area of the panel through the thickness of the panel, increasing the out-of-plane thermal conductivity of the panel.

Нижняя пластина излучающей панели гибридной структуры собирается из высокопроводящей фольги пиролитического графита. В процессе производства фольги используются карбонизированные полимерные пленки и высокотемпературная термообработка. Оптимизируя условия термообработки, можно получить фольгу с высокими значениями теплопроводности по направлению в плоскости. Максимальная толщина листов составляет не более 25 мкм. Сборка пакета из высокопроводящей фольги пиролитического графита производится путем адгезионного склеивания. Теплофизические свойства высокопроводящей фольги пиролитического графита позволяют использовать их в широком диапазоне температур. Использование в качестве нижнего высокопроводящего слоя излучающей панели гибридного пакета из фольги пиролитического графита приводит к существенному увеличению плоскостной теплопроводности, что, в свою очередь, позволяет отказаться от использования в конструкции тепловых труб. Отсутствие в конструкции тепловых труб позволяет эффективно использовать радиационный теплообменник в системах обеспечения теплового режима планетных станций в условиях гравитации.The bottom plate of the radiant panel of the hybrid structure is assembled from a highly conductive pyrolytic graphite foil. The foil production process uses carbonized polymer films and high temperature heat treatment. By optimizing the heat treatment conditions, it is possible to obtain a foil with high thermal conductivity values in the in-plane direction. The maximum thickness of the sheets is no more than 25 microns. The stack of highly conductive pyrolytic graphite foil is assembled by adhesive gluing. The thermophysical properties of highly conductive pyrolytic graphite foil make it possible to use them in a wide temperature range. The use of a hybrid package of pyrolytic graphite foil as the lower highly conductive layer of the radiating panel leads to a significant increase in in-plane thermal conductivity, which, in turn, makes it possible to refuse the use of heat pipes in the design. The absence of heat pipes in the design makes it possible to effectively use the radiative heat exchanger in systems for ensuring the thermal regime of planetary stations in gravitational conditions.

Предлагаемое изобретение характеризуется высокой прочностью конструкции, и применение гибридного пакета из фольги пиролитического графита, согласно изобретению, позволяют снизить массовые характеристики излучающей панели при увеличении эффективности сброса тепла в космическое пространство.The proposed invention is characterized by high structural strength, and the use of a hybrid stack of pyrolytic graphite foil, according to the invention, makes it possible to reduce the mass characteristics of the radiating panel while increasing the efficiency of heat discharge into outer space.

Устройство работает следующим образом. Элементы оборудования 3 выделяют тепло, что приводит к повышению их температуры. Тепловой поток от элементов оборудования 3 передается излучающей панели 1, 2. За счет высокой плоскостной теплопроводности гибридного пакета из фольги пиролитического графита 2 происходит равномерное распределение тепла по излучающей пластине 1. Излучающая пластина 1 отводит излучением в окружающее космическое пространство тепловой поток, идущий от элементов оборудования 3, тем самым понижая их температуру. Металлические элементы 4 обеспечивают увеличение внеплоскостной теплопроводности панели.The device works as follows. The elements of the equipment 3 generate heat, which leads to an increase in their temperature. The heat flux from the equipment elements 3 is transferred to the radiating panel 1, 2. Due to the high in-plane thermal conductivity of the hybrid package of pyrolytic graphite foil 2, the heat is uniformly distributed over the radiating plate 1. The radiating plate 1 removes the heat flow coming from the equipment elements by radiation into the surrounding outer space 3, thereby lowering their temperature. The metal elements 4 provide an increase in the out-of-plane thermal conductivity of the panel.

Для отвода тепла от тепловыделяющих элементов оборудования в настоящее время применяются излучающие панели с установленными на них аксиальными тепловыми трубами для повышения эффективности ребра. На теплоизолированной стороне панели располагаются тепловыделяющие элементы оборудования и тепловые трубы, обратная сторона панели - излучающая. Расстояние между тепловыми трубами составляет 0,15 м, масса погонного метра тепловой трубы составляет 0,3 кг/м. Эффективность ребра используемых панелей составляет

Figure 00000001
= 0,6. Удельная масса панели составляет 0,08 кг/
Figure 00000002
. Удельная масса отводимого тепла 0,04 кг/Вт. Чем меньше удельная масса панели и удельная масса отводимого тепла, тем эффективнее устройство. В случае отказа от тепловых труб и использования гибридной излучающей панели для отвода тепла от тепловыделяющих элементов оборудования на основе графита, аналогичная эффективность ребра излучающей панели достигается при удельной массе панели 0,065 кг/
Figure 00000002
и удельной массе отводимого тепла 0,032 кг/Вт, что на 20 % меньше, чем при использовании излучающей панели с тепловыми трубами. Отказ от тепловых труб в конструкции гибридной излучающей панели приводит к отсутствию вероятности пробоя тепловых труб метеоритами и, как следствию, повышению надежности работы агрегата. Кроме того, переход на гибридные излучающие панели позволяет преодолеть трудности использования аксиальных тепловых труб в поле гравитации, например, при проектировании системы обеспечения теплового режима лунной базы. Как видно из приведенных данных, предлагаемое изобретение обеспечивает более эффективный сброс тепла в космическое пространство, чем известные конструкции того же назначения.To remove heat from the fuel elements of equipment, radiant panels with axial heat pipes installed on them are currently used to increase the efficiency of the fin. On the heat-insulated side of the panel there are fuel elements of the equipment and heat pipes, the reverse side of the panel is radiant. The distance between the heat pipes is 0.15 m, the weight of a linear meter of the heat pipe is 0.3 kg/m. The rib efficiency of the panels used is
Figure 00000001
= 0.6. The specific gravity of the panel is 0.08 kg/
Figure 00000002
. The specific mass of the removed heat is 0.04 kg/W. The lower the specific gravity of the panel and the specific gravity of the heat removed, the more efficient the device. In the case of abandoning heat pipes and using a hybrid radiant panel to remove heat from the fuel elements of graphite-based equipment, a similar efficiency of the radiant panel fin is achieved with a specific weight of the panel of 0.065 kg /
Figure 00000002
and the specific mass of the removed heat is 0.032 kg/W, which is 20% less than when using a radiant panel with heat pipes. The rejection of heat pipes in the design of the hybrid radiant panel leads to the absence of the possibility of breakdown of heat pipes by meteorites and, as a result, to an increase in the reliability of the unit. In addition, the transition to hybrid radiant panels makes it possible to overcome the difficulties of using axial heat pipes in a gravitational field, for example, when designing a system for ensuring the thermal regime of a lunar base. As can be seen from the above data, the proposed invention provides a more efficient release of heat into outer space than the known designs of the same purpose.

Claims (4)

1. Излучающая панель гибридной структуры, состоящая из двух пластин, верхняя пластина выполнена из металла, нижняя пластина является гибридной структурой из высокопроводящей фольги пиролитического графита, соединенной путем адгезионного склеивания, пластины фиксируются клеевым соединением, на излучающей панели перпендикулярно к излучающей поверхности на всей площади панели насквозь по толщине панели установлены металлические элементы. 1. The hybrid structure radiant panel, consisting of two plates, the upper plate is made of metal, the lower plate is a hybrid structure of highly conductive pyrolytic graphite foil bonded by adhesive bonding, the plates are fixed by adhesive bonding, on the radiant panel perpendicular to the radiant surface over the entire area of the panel metal elements are installed through the thickness of the panel. 2. Излучающая панель гибридной структуры по п. 1, отличающаяся тем, что верхняя пластина излучающей панели выполняется из алюминия или стали.2. The radiant panel of the hybrid structure according to claim 1, characterized in that the top plate of the radiant panel is made of aluminum or steel. 3. Излучающая панель гибридной структуры по п. 1, отличающаяся тем, что на наружную поверхность верхней пластины излучающей панели нанесен излучающий слой.3. The radiating panel of the hybrid structure according to claim 1, characterized in that a radiating layer is applied to the outer surface of the upper plate of the radiating panel. 4. Излучающая панель гибридной структуры по п. 1, отличающаяся тем, что металлические элементы, установленные на излучающей панели перпендикулярно к излучающей поверхности на всей площади панели насквозь по толщине панели, представляют из себя проволочные скобы, или заклепки, или проволочный шов.4. The radiating panel of the hybrid structure according to claim 1, characterized in that the metal elements installed on the radiating panel perpendicular to the radiating surface over the entire area of the panel through the thickness of the panel are wire staples, or rivets, or a wire seam.
RU2022134191A 2022-12-24 Radiant hybrid structure panel RU2797894C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2797894C1 true RU2797894C1 (en) 2023-06-09

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4832113A (en) * 1988-03-11 1989-05-23 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Survivable pulse power space radiator
RU110893U1 (en) * 2011-06-16 2011-11-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет" (СГТУ) RADIATOR FOR COOLING SEMICONDUCTOR AND MICROELECTRONIC ELECTRICAL VACUUM INSTRUMENTS
RU2603690C1 (en) * 2015-10-08 2016-11-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") Thermal stabilization system of the spacecraft instrument compartment
KR101958471B1 (en) * 2018-09-13 2019-03-15 엘아이지넥스원 주식회사 Heat-radiating structure with pyrolytic graphite sheet and manufacturing method thereof
CN217563976U (en) * 2022-04-15 2022-10-11 西安聚变材料科技有限公司 Radiator combining carbon-series high-heat-conduction material and phase-change material

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4832113A (en) * 1988-03-11 1989-05-23 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Survivable pulse power space radiator
RU110893U1 (en) * 2011-06-16 2011-11-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет" (СГТУ) RADIATOR FOR COOLING SEMICONDUCTOR AND MICROELECTRONIC ELECTRICAL VACUUM INSTRUMENTS
RU2603690C1 (en) * 2015-10-08 2016-11-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") Thermal stabilization system of the spacecraft instrument compartment
KR101958471B1 (en) * 2018-09-13 2019-03-15 엘아이지넥스원 주식회사 Heat-radiating structure with pyrolytic graphite sheet and manufacturing method thereof
CN217563976U (en) * 2022-04-15 2022-10-11 西安聚变材料科技有限公司 Radiator combining carbon-series high-heat-conduction material and phase-change material

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Rashidi et al. Potentials of porous materials for energy management in heat exchangers–A comprehensive review
Wadley et al. Thermal applications of cellular lattice structures
Tanaka et al. A vertical multiple-effect diffusion-type solar still coupled with a heat-pipe solar collector
US20100236759A1 (en) Heat-Managing Composite Structures
WO2017020629A1 (en) Phase transition suppression heat transfer plate-based heat exchanger
US20130167834A1 (en) Multi-section heat-pipe solar collector
CN210862334U (en) Aluminum-based soaking plate
CN110260697B (en) Aluminum-based soaking plate
CN110143294B (en) Thermal design structure of full-orbit full-attitude aircraft
JP2017075773A (en) Heat storage unit
RU2797894C1 (en) Radiant hybrid structure panel
CN111295082A (en) Phase change suppression heat transfer radiator and image display device
JP3184471U (en) Heat absorption assembly
CN103528410A (en) Gravity heat pipe type metal foam flat plate heat exchanger
CN109703788B (en) Isothermal thermal control device suitable for micro-nano satellite based on graphene and copper bars
CN111473670A (en) Heat superconducting heat transfer plate and heat sink
CN105627797A (en) Flat-plate micro heat pipe phase-change heat storage and release system
CN201106736Y (en) Heat-insulating layer capable of shielding radiating heat and convection heat
JP2016124535A (en) Spacecraft and radiator panel for spacecraft with composite face-sheet
CN207074024U (en) The phase transformation heat collector cavity heat pipe heat to increase the service life
US20130250519A1 (en) Structural Assembly for Cold Plate Cooling
Volodin et al. Heat Transfer Enhancement on Multilayer Wire Mesh Coatings and Wire Mesh Coatings Combined with Other Surface Modifications—A Review
RU2798644C1 (en) Hybrid design radiant heat exchanger
JPH0556672B2 (en)
CN109163588B (en) Small arc bending heat superconducting heat transfer plate structure and manufacturing method thereof