DE2933088C2 - Temperaturstabilisierung für ein wärmeabgebendes Bauteil eines Satelliten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Temperaturstabilisierung für ein wärmeabgebendes Bauteil eines Satelliten, insbesondere für auf einem Erdpanel befindliche Komponenten, das mit einem Wärmerohr und einem Radiator verbunden ist und wobei das mit dem Bauteil in Verbindung stehende Wärmerchr zwei Wärmesenken aufweist.

Aus dem Bericht über Heat Pipes for Spacecraft temperature control-an Assessment of the State-of-the-Art, veröffentlicht von der Nasa CR 1 37 778 im Okt. 1975 und der DE-OS 26 14 061 sind Wärmerohre dieser Art mit mehreren Wärmesenken bekannt.

Bei Satelliten sind oftmals elektrische Komponenten, die in hohem fv5aße Wärme abgcoen und die dabei gleichzeitig innerhalb enger Temperaturbereiche betrieben werden müssen, auf dem Erd|j.jnel montiert, das selbst keine Wärme abstrahlen kann. Die in diesen Bauteilen anfallende Wärme wird beim Stand der Technik mittels eines Wärmerohrs 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 erreicht 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 eine Wärmesenke :nit einem Süd-Radiator verbunden ist und die andere Wärmesenke mit einem Nord-Radiator verbunden ist, wobei die Radiatoren am Satelliten so angeordnet sind, daß die Summe ihrer thermischen Belastung aus Sonnenstrahlung und Verlustwärmen (Sonne + PVi + PVl + PV3) konstant ist.

Die Abfuhr einer Wärme PV I aus einer Komponente des Lrripanels erfolgt über eine oder mehrere Wärmerohre derart, daß die Verlustwärme entweder /.um 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 + PVi + PV2 + PV3), und die Verlustwärme PVi sich anteilig je nach Belastung und damit Temperaturniveau der beiden Radiatoren verteilt, wird die Temperaturstabilisierung der Komponente erfüllt, ohne daß ein Regelmechanismus oder eine Fremdheizung notwendig sind. Die Wärmeabfuhr wird mittels eines Wärvnerohres erreicht, das mindestens zwei

ίο Wärmesenken besitzt, wobei sich die Wärmesentcen am Nord- und Süd-Radiator befinden, und bei der die Wärmequelle PVi 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 Gewichtsersnarnis bedeutet:

— kleine Radiatorflächen (Gewichtsersparnis);

— hohe Zuverlässigkeit, da keine Reglerelektronik erforderlich;

— gute EMC-Verträglichkeit;

— variabler Anbringungsort der Komponente auf dem Erdpanel;

— gute Testbarkeit des Wärmerohr-Systems im Schwerefeld.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.

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 -on der äußeren Umgebung thermisch entkoppelt ist und beim Erfindungsgegenstand mit einer oder mehreren Wärmerohren 4 (heat-pipes) in Berührungskontakt steht. Das Wärmerohr 4 weist an seinen Enden zwei Wärmesenken 6, 8 auf, von denen die Wärmesenke 6 mit einem Nord-Radiator 10 und die Wärmesenke 8 mit einem Süd-Radiator 12 in Verbindung steht. Die Radiatoren 10, 12 bestehen aus einem Verbund mehrerer Wärmerohre 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 Figuren schematisch gezeigt sind. Sie werden aber auch zur Abfuhr der im Erdpanel 2 anfallenden Wärmeenergie PVi und darüber hinaus zur Temperaturstabilisierung der Komponenten auf dem Erdpanel verwendet.

Zur Verdeutlichung dieser Wirkungsweise sind in der F i g. 1 zwei Sonnenstände 16,18 eingezeichnet.

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

Es ist bekannt, daß sich bei einem Wärmerohr der Ort

der Wärmequellen und Wärmesenken über die Zeit ändern kann. Es ist weiter bekannt, daß ein Wärmerohr 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 PVX noch über den Radiator 12 abgeführt werden kann. Die Wärme PVX (und eventuell sogar ein Teil von PVl) fließen zum Nord-Radiator 10 ab.

Das zuvor gesagte gilt umgekehrt, wenn sich die Sonne in Position 18 befindet und nur der Nord-Radiator 10 bestrahlt wird und gleichzeitig PV2 einen maximalen Wert hat, während PV3 gering oder nahezu Null ist. Dann fließt die Wärme PVi (und eventuell sogar ein Teil der Wärme PV2) in den Süd-Radiator 12.

Zwischen den zuvor beschriebenen Extremfällen können sich beliebige Zwischenzustände einstellen, bei denen PVX anteilig in die Radiatoren 10, 12 fließt. Bei diesen Zwischenzuständen hat das Wärmerohr 4 an seinen Enden 6, 8 jeweils eine, also insgesamt zwei Wärmesenken.

Da nach dem Prinzip der Wärmerohre die Wärmeabgabe immer an der kältesten Stelle erfolgt, wird sich die Temperatur der Wärmesenken auf gleichem Niveau einspielen. Hierdurch ergibt sich auch, de3 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 PV1... 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 das wärmeabführende Wärmerohr 4 auf der einen Seite der Komponente PV1 zwei Wärmesenken besitzt, deren Temperaturen je nach den variablen Verlustleistungen PV3 und PVA und der Sonnenzustrahlung untereinander verschieden sind. Die Radiatoren 12 und 10 besitzen dabei verschiedene

ίο Winke! zur Sonnenstrahlung.

Die Wärmeabfuhr mit automatischer Temperaturstabilisierung arbeitet auch dann (Fig. 3), wenn ein Radiator durch eine 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 de* Nord-Radiators 10 ein Wärmetauscher 26 mit dem Wärmerohr 4 verbunden. Im Kühlkreislauf 22 befinden sich neben den schaltbaren Ventilen 24 noch eine Pumpe 28 sowie ein weiterer Wärmetauscher 30. der die Wärmesenke iur den Kühlkreislauf 22 bildet.

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

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1
Patentanspruch:

Temperaturstabilisierung für ein wärmeabgebendes Bauteil eines Satelliten, insbesondere für auf einem Erdpanel befindliche Komponenten, das mit einem Wärmerohr und einem Radiator verbunden ist und wobei das mit dem Bauteil in Verbindung stehende Wärmerohr zwei Wärmesenken aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Wärmesenke mit einem Süd-Radiator (12) verbunden ist und die andere Wärmesenke mit einem Nord-Radiator (10) verbunden ist, wobei die Radiatoren (10,12) am Satelliten so angeordnet sind, daß die Summe ihrer thermischen Belastung aus Sonnenstrahlung und Verlustwärmen (Sonne + PVl + PV 2 + PV3) konstant ist.