DE4344025C1

DE4344025C1 - Spacecraft with sample refrigerator

Info

Publication number: DE4344025C1
Application number: DE19934344025
Authority: DE
Inventors: Gernot Schmidt
Original assignee: Erno Raumfahrttechnik GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1993-12-23
Filing date: 1993-12-23
Publication date: 1995-06-08
Anticipated expiration: 2013-12-24

Abstract

The chamber (3) inside the spacecraft and accommodating the samples is enclosed in a housing (7), in which a heat-absorption component (9) is accommodated. This component is connected by a heat-conductive component (4) to a heat-dissipation component (5), which is outside the outer wall of the spacecraft. The chamber can be enclosed in heat-insulating material (8). The connecting component can consist of a heat-tube. The dissipation component can be rigidly secured to the absorption one, or hinge on it. One or more sample-holders (10) can be mounted inside the chamber, and there can be a heat-shield adjustable in position for the dissipation component.

Description

Die Erfindung betrifft ein Raumfahrzeug mit Kühleinheit für Proben, bei der eine Aufnahmekammer für die Proben sowie ein Wärmeaufnahmeelement vorgesehen sind.The invention relates to a spacecraft with a cooling unit for samples in which a receiving chamber for the samples and a heat absorption element are provided.

Insbesondere bei bemannten Raumfahrzeugen in Erdumlauf bahnen werden eine Vielzahl von wissenschaftlichen Versuchen unternommen, bei denen Reaktionen von Menschen, Tieren oder Pflanzen auf sich ändernde Umgebungsbedingungen untersucht werden. Darüber hinaus wird untersucht, welche Wirkungsmechanismen bei der Graviperzeption auftreten und welche zellphysiolo gischen Abläufe unter Bedingungen in der Schwerelosig keit zu beobachten sind. Während der Durchführung der Versuche werden beispielsweise Blutproben, Blutplasma, Urin oder Pflanzenteile präpariert und anschließend zur Stabilisierung gekühlt. Als Kühlvorrichtungen werden Kompressor- oder Absorberkühlschränke verwendet. Darüber hinaus sind Kühleinrichtungen auf der Basis von Wärmetauschern mit Peltierelementen bekannt. Allen bekannten Geräten gemeinsam ist ein relativ hoher Energiebedarf und ein ungenügender Wirkungsgrad bezüg lich der Umsetzung der elektrischen Eingangsleistung in Kühlleistung.Especially with manned spacecraft in orbit will be a variety of scientific Attempts made in which reactions from People, animals or plants on changing Environmental conditions are examined. Furthermore is investigated which mechanisms of action in the Grapes perception occur and which cellphysiolo processes under zero gravity conditions can be observed. While performing the Experiments are, for example, blood samples, blood plasma, Prepared urine or parts of plants and then for Stabilization cooled. As cooling devices Compressor or absorber refrigerators used. In addition, cooling devices are based on Heat exchangers with Peltier elements known. Everyone known devices together is a relatively high one Energy requirements and insufficient efficiency Lich the implementation of the electrical input power in Cooling capacity.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Raumfahrzeug der einleitend genannten Art derart zu konstruieren, daß eine zuverlässige Kühlung mit geringem Energiebedarf ermöglicht wird.The object of the invention is therefore a Spacecraft of the type mentioned in the introduction construct that reliable cooling with low energy consumption is made possible.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die innerhalb des Raumfahrzeuges angeordnete Aufnahme kammer von einem Gehäuse umschlossen ist, in dem das Wärmeaufnahmeelement angeordnet ist und daß das Wärme aufnahmeelement über ein wärmeleitfähiges Kopplungs element an ein Wärmeabgabeelement angeschlossen ist, das außerhalb einer äußeren Wandung des Raumfahrzeuges angeordnet ist und die Wärmeenergie als Strahlung an den kalten Weltraum abgibt.This object is achieved in that the recording arranged inside the spacecraft chamber is enclosed by a housing in which the Heat absorption element is arranged and that the heat receiving element via a thermally conductive coupling element is connected to a heat emission element, the outside of an outer wall of the spacecraft is arranged and the thermal energy as radiation gives off the cold space.

Durch die Kopplung des Wärmeaufnahmeelementes mit einem Wärmeabgabeelement, das außerhalb des Raumfahrzeuges angeordnet ist, ist es möglich, einen relativ geringen Energiebedarf zu realisieren. Es wird lediglich dann Energie benötigt, wenn die Wärmeableitung beispiels weise durch ein umlaufendes Wärmeleitmedium unterstützt werden soll. Bei entsprechender Isolierung der wärme leitenden Bauelemente ist grundsätzlich aber auch eine passive Ausbildung ohne Förderelemente denkbar.By coupling the heat absorption element with a Heat emission element that is outside the spacecraft is arranged, it is possible to have a relatively small Realize energy needs. It will only then Energy required when heat dissipation, for example supported by a circulating heat conducting medium shall be. With appropriate insulation of the heat conductive components is basically also a passive training possible without funding elements.

Zur Vermeidung einer unbeabsichtigten Wärmeaufnahme wird vorgeschlagen, daß die Aufnahmekammer von einer Wärmeisolierung umgeben ist. To avoid accidental heat absorption it is proposed that the receiving chamber be from a Thermal insulation is surrounded.

Die Verwendung eines zirkulierenden Wärmetransport mediums wird dadurch unterstützt, daß das Kopplungs element mindestens bereichsweise als ein Wärmerohr aus gebildet ist.The use of a circulating heat transfer mediums is supported in that the coupling element at least in some areas as a heat pipe is formed.

Ein einfacher Aufbau kann dadurch bereitgestellt werden, daß das Wärmeabgabeelement starr mit dem Wärme aufnahmeelement verbunden ist.This can provide a simple structure be that the heat emission element rigid with the heat receiving element is connected.

Zur Verbesserung eines Wirkungsgrades bei der Wärme abgabe wird vorgeschlagen, daß das Wärmeabgabeelement verschwenkbar mit dem Wärmeaufnahmeelement verbunden ist.To improve heat efficiency It is proposed that the heat emission element pivotally connected to the heat absorbing element is.

Die Ausbildung eines positionierbaren Wärmeabgabeelementes wird dadurch unterstützt, daß das Kopplungselement aus mindestens zwei Kopplungssegmenten ausgebildet ist, die über eine Drehkopplung miteinander verbunden sind und daß für eine thermische Verbindung der Kopplungssegmente ein Wärmetauscher vorgesehen ist.Training a positionable Heat emission element is supported in that the Coupling element from at least two coupling segments is formed with each other via a rotary coupling are connected and that for a thermal connection a heat exchanger is provided in the coupling segments.

Eine definierte Kühlung von Proben kann dadurch erfolgen, daß innerhalb der Aufnahmekammer mindestens ein Probenhalter angeordnet ist.This allows a defined cooling of samples take place within the receiving chamber at least a sample holder is arranged.

Zur Erhöhung der Kühlkapazität wird vorgeschlagen, daß mehrere Kopplungselemente parallel zueinander angeord net sind.To increase the cooling capacity, it is proposed that several coupling elements arranged parallel to each other are not.

Eine parasitäre Wärmeeinstrahlung in das Wärmeabgabe element kann dadurch reduziert werden, daß im Bereich des Wärmeabgabeelementes eine positionierbare thermi sche Abschirmung angeordnet ist.A parasitic heat radiation in the heat emission element can be reduced in that in the area the heat emission element a positionable thermi shielding is arranged.

In der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen: In the drawing, embodiments of the Invention shown schematically. Show it:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer im Bereich des Raumfahrzeuges angeordneten Kühlein heit mit starrer Verbindung zwischen der Aufnahmekammer und dem Wärmeabgabeelement und Fig. 1 is a schematic diagram of a cooling unit arranged in the area of the spacecraft with a rigid connection between the receiving chamber and the heat emission element and

Fig. 2 eine teilweise Darstellung der Vorrichtung gemäß Fig. 1 mit schwenkbarer Anordnung des Wärmeabgabeelementes. Fig. 2 is a partial representation of the device of FIG. 1 with a pivotable arrangement of the heat emission element.

Gemäß der Ausführungsform in Fig. 1 ist im Bereich eines Raumfahrzeuges 1 eine Kühleinheit 2 angeordnet, die im wesentlichen aus einer Aufnahmekammer 3, einem wärmeleitfähigen Kopplungselement 4 sowie einem Wärme abgabeelement 5 ausgebildet ist. Die Aufnahmekammer 3 ist im Bereich eines Arbeitsraumes 6 innerhalb des Raumfahrzeuges 1 angeordnet. Das Wärmeabgabeelement 5 ist außerhalb des Raumfahrzeuges 1 im Weltraumbereich angeordnet.According to the embodiment in Fig. 1, a cooling unit 2 is arranged in the region of a spacecraft 1 , which is essentially formed from a receiving chamber 3 , a thermally conductive coupling element 4 and a heat emission element 5 . The receiving chamber 3 is arranged in the area of a work space 6 within the spacecraft 1 . The heat emission element 5 is arranged outside the spacecraft 1 in space.

Die Aufnahmekammer 3 ist von einem Gehäuse 7 umschlos sen, das mit einer Wärmeisolierung 8 versehen ist. Innerhalb der Aufnahmekammer 3 ist ein Wärmeaufnahme element 9 angeordnet, das mit dem Kopplungselement 5 verbunden ist. Innerhalb der Aufnahmekammer 3 sind darüber hinaus Probenhalter 10 angeordnet.The receiving chamber 3 is enclosed by a housing 7 , which is provided with thermal insulation 8 . Within the receiving chamber 3 , a heat absorption element 9 is arranged, which is connected to the coupling element 5 . Sample holders 10 are also arranged inside the receiving chamber 3 .

Gemäß der Ausführungsform in Fig. 1 ist eine starre Verbindung zwischen dem Wärmeaufnahmeelement 9 und dem Wärmeabgabeelement 5 vorgesehen. Das Wärmeabgabeelement 5 kann als ein Radiator ausgebildet sein. Als Kopp lungselement 4 ist ein Wärmerohrsystem geeignet, in dem eine Flüssigkeit zum Wärmetransport zirkuliert. Das Wärmeaufnahmeelement 9 kann ebenfalls als Radiator oder als Platte ausgebildet sein. According to the embodiment in FIG. 1, a rigid connection between the heat absorption element 9 and the heat emission element 5 is provided. The heat emission element 5 can be designed as a radiator. As a coupling element 4 , a heat pipe system is suitable in which a liquid circulates for heat transfer. The heat absorption element 9 can also be designed as a radiator or as a plate.

Bei einer derartigen starren Ankopplung des Wärmeab gabeelementes 5 erfolgt eine Ausrichtung des Wärmeab gabeelementes 5 zum kalten Weltraum hin durch ent sprechende Lageänderungen des Raumfahrzeuges 1. Durch diese Ausrichtung wird vermieden, daß das Wärmeabgabe element 5 beispielsweise direkt von der Sonne be schienen wird oder Wärmestrahlung aus dem Bereich der Erdoberfläche aufnehmen kann.With such a rigid coupling of the Wärmeab display element 5 is an alignment is the Wärmeab display element 5 to the cold space out through ent speaking changes in position of the spacecraft. 1 This alignment avoids that the heat emission element 5, for example, will be shone directly from the sun or can absorb heat radiation from the area of the earth's surface.

Zur Erhöhung der Kühlleistung ist es möglich, das Wärmeaufnahmeelement 9 und das Wärmeabgabeelement 5 durch eine Mehrzahl von Kopplungselementen 4 zu ver binden. Insbesondere ist hier an eine Mehrzahl parallel verlegter Wärmerohre gedacht. Insbesondere ist es dabei auch möglich, die thermische Kopplung von mindestens einem der Kopplungselemente 4 an das Wärmeabgabeelement 5 bzw. an das Wärmeaufnahmeelement 9 mechanisch variierbar zu machen. Hierdurch ist es möglich, eine Steuerung der Kühlleistung vorzunehmen.To increase the cooling capacity, it is possible to connect the heat absorption element 9 and the heat emission element 5 by a plurality of coupling elements 4 . In particular, a plurality of heat pipes laid in parallel is intended here. In particular, it is also possible to make the thermal coupling of at least one of the coupling elements 4 to the heat emission element 5 or to the heat absorption element 9 mechanically variable. This makes it possible to control the cooling capacity.

Gemäß der Ausführungsform in Fig. 2 ist das Kopplungs element 4 in Kopplungssegmente 11, 12 unterteilt. Das Kopplungssegment 11 ist mit dem Wärmeabgabeelement 5 und das Kopplungselement 12 mit dem Wärmeaufnahme element 9 verbunden. Die Kopplungssegmente 11, 12 sind durch eine Drehkopplung 13 miteinander verbunden. Die Drehkopplung 13 ermöglicht es, das Wärmeabgabeelement 5 in mindesten einer räumlichen Dimension relativ zum Raumfahrzeug 1 zu positionieren. Hierfür ist ein Stell antrieb 14 vorgesehen. Gemäß der Ausführungsform in Fig. 2 ist zur thermischen Verbindung der Kopplungs segmente 11 ein Wärmetauscher 15 vorgesehen. Die Dreh kopplung 13 kann im Bereich einer äußeren Wandung 16 des Raumfahrzeuges 1 angeordnet sein. According to the embodiment in Fig. 2, the coupling element 4 is divided into coupling segments 11 , 12 . The coupling segment 11 is connected to the heat emission element 5 and the coupling element 12 to the heat absorption element 9 . The coupling segments 11 , 12 are connected to one another by a rotary coupling 13 . The rotary coupling 13 makes it possible to position the heat emission element 5 in at least one spatial dimension relative to the spacecraft 1 . For this purpose, an actuator 14 is provided. According to the embodiment in Fig. 2, a heat exchanger 15 is provided for the thermal connection of the coupling segments 11 . The rotary coupling 13 can be arranged in the region of an outer wall 16 of the spacecraft 1 .

Eine Steuerung des Stellantriebes 14 kann derart er folgen, daß unter Berücksichtigung der Navigations- und Fluglagedaten des Raumfahrzeuges 1 eine optimale Ausleuchtung des Wärmeabgabeelementes 5 erfolgt.Control of the actuator 14 can follow such that, taking into account the navigation and attitude data of the spacecraft 1, an optimal illumination of the heat emission element 5 takes place.

Bei Flugsituationen, in denen keine permanente Wärme abgabe über das Wärmeabgabeelement 5 erfolgen kann, da eine geeignete Ausrichtung nicht möglich ist, können durch die Kühleinheit 2 passive Kühlblöcke aus Phasen wechselmaterial gekühlt werden. Diese werden nach Erreichen einer vorgegebenen Temperatur aus der Kühl einheit 2 entnommen und in eine weitere hochisolierte passive Kühlkammer verbracht. Im Bereich dieser passiven weiteren Kühlkammer können dort eingelagerte Proben mit einem vorgegebenen Temperaturprofil ohne kurzzeitige Temperaturschwankungen stabilisiert werden. Eine derartige Verfahrensweise ist insbesondere bei lang andauernden Raumflügen zweckmäßig.In flight situations in which no permanent heat emission can take place via the heat emission element 5 , since a suitable alignment is not possible, the cooling unit can cool 2 passive cooling blocks from phase change material. After reaching a predetermined temperature, these are removed from the cooling unit 2 and placed in a further highly insulated passive cooling chamber. In the area of this passive further cooling chamber, samples stored there can be stabilized with a predetermined temperature profile without brief temperature fluctuations. Such a procedure is particularly useful for long flights.

Zur Verhinderung einer unerwünschten Aufwärmung der Kühleinheit 2 bei einer Ausrichtung des Wärmeabgabe elementes 5 in Richtung der Sonne oder der Erdalbedos bzw. durch Reflexionsstrahlung, die vom Raumfahrzeug 1 selbst zurückgeworfen wird, ist es möglich, das Wärme abgabeelement 5 mit einer Abschirmungseinrichtung zur Abschirmung von thermischer Strahlung zu versehen. Die Steuerung und damit die Wirkung dieser Abschirmungseinrichtung kann beispielsweise durch thermische Sensordaten oder durch Navigations- und Fluglagedaten des Raumfahrzeuges 1 erfolgen. Ebenfalls ist es möglich, zur Steuerung eine Kombination dieser Daten zu verwenden. Die Abschirmungseinrichtung kann beispielsweise als Klappe oder als Lamellensystem mit regelbarem Anstellwinkel realisiert sein. To prevent undesirable heating of the cooling unit 2 when the heat emission element 5 is oriented in the direction of the sun or the earth albedos or by reflection radiation which is reflected by the spacecraft 1 itself, it is possible to provide the heat emission element 5 with a shielding device for shielding from thermal To provide radiation. The control and thus the effect of this shielding device can be carried out, for example, by thermal sensor data or by navigation and attitude data of the spacecraft 1 . It is also possible to use a combination of these data for control purposes. The shielding device can be implemented, for example, as a flap or as a lamella system with an adjustable angle of attack.

Durch die konstruktive Auslegung und die Kühlleistung des Systems wird ein Grenzbereich für sich grundsätz lich einstellende Temperaturschwankungen vorgegeben. Bei der Einlagerung von typischen Proben sind Tempera turschwankungen unkritisch, solange eine Grenztempe ratur nicht überschritten wird. Eine zweckmäßige konstruktive Auslegung geschieht derart, daß auftreten de Temperaturschwankungen unterhalb von -20°C liegen.Due to the design and the cooling capacity of the system basically becomes a border area presetting temperature fluctuations. When storing typical samples are tempera door fluctuations not critical as long as a limit temp temperature is not exceeded. A practical one constructive interpretation happens in such a way that occur en Temperature fluctuations are below -20 ° C.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 kommt grundsätzlich ohne Fremdenergie aus. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 wird nur eine elektrische Energie für den stellantrieb 14 benötigt. Ebenfalls liegt ein zusätzlicher Energie verbrauch für eine analoge Steuerung bzw. eine Mikro rechnersteuerung vor. Mit Hilfe dieser Steuerung können Telemetriedaten bzw. Anzeigen zur Temperatur und Funktion unterstützt werden.The device according to FIG. 1 basically manages without external energy. In the embodiment according to FIG. 2, only electrical energy is required for the actuator 14. There is also an additional energy consumption for an analog control or a micro computer control. This control can be used to support telemetry data or displays relating to temperature and function.

Zur Gewährleistung einer ausreichenden Abdichtung der Durchführung des Kopplungselementes 5 durch die äußere Wandung 16 ist ein Flansch vorgesehen, der eine aus reichende mechanische Festigkeit aufweist. Darüber hinaus führt dieser Flansch eine thermische Isolation zur aus Metall ausgebildeten äußeren Wandung 16 durch. Eine weitere Eigenschaft des Flansches besteht in einer ausreichenden Druckdichtigkeit. Geeignete Materialien für einen derartigen Flansch sind Keramikwerkstoffe oder Kapton. Die erforderliche Abdichtung läßt sich über Dichtringe erreichen.To ensure adequate sealing of the implementation of the coupling element 5 through the outer wall 16 , a flange is provided which has a mechanical strength from reaching. In addition, this flange provides thermal insulation to the outer wall 16 made of metal. Another property of the flange is sufficient pressure tightness. Suitable materials for such a flange are ceramic materials or Kapton. The required sealing can be achieved using sealing rings.

Claims

1. Raumfahrzeug mit einer Kühleinheit für Proben, bei der eine Aufnahmekammer für die Proben sowie ein Wärmeaufnahmeelement vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die innerhalb des Raumfahr zeuges angeordnete Aufnahmekammer (3) von einem Gehäuse (7) umschlossen ist, in dem das Wärmeauf nahmeelement (9) angeordnet ist und daß das Wärme aufnahmeelement (9) über ein wärmeleitfähiges Kopplungselement (4) an ein Wärmeabgabeelement (5) angeschlossen ist, das außerhalb einer äußeren Wandung (16) des Raumfahrzeuges (1) angeordnet ist. 1. Spacecraft with a cooling unit for samples in which a receiving chamber for the samples and a heat absorbing element are provided, characterized in that the receiving chamber arranged within the spacecraft tool ( 3 ) is enclosed by a housing ( 7 ) in which the heat receiving element ( 9 ) is arranged and that the heat absorption element ( 9 ) via a thermally conductive coupling element ( 4 ) to a heat emission element ( 5 ) is connected, which is arranged outside an outer wall ( 16 ) of the spacecraft ( 1 ).

2. Raumfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Aufnahmekammer (3) von einer Wärme isolierung (8) umgeben ist.2. Spacecraft according to claim 1, characterized in that the receiving chamber ( 3 ) is surrounded by thermal insulation ( 8 ).

3. Raumfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß das Kopplungselement (4) minde stens bereichsweise als ein Wärmerohr ausgebildet ist.3. Spacecraft according to claim 1 or 2, characterized in that the coupling element ( 4 ) at least in some areas is designed as a heat pipe.

4. Raumfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeabgabeelement (5) starr mit dem Wärmeaufnahmeelement (9) ver bunden ist.4. Spacecraft according to one of claims 1 to 3, characterized in that the heat emission element ( 5 ) is rigidly connected to the heat absorbing element ( 9 ).

5. Raumfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeabgabeelement (5) verschwenkbar mit dem Wärmeaufnahmeelement (9) verbunden ist.5. Spacecraft according to one of claims 1 to 3, characterized in that the heat emission element ( 5 ) is pivotally connected to the heat absorption element ( 9 ).

6. Raumfahrzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß das Kopplungselement (4) aus mindestens zwei Kopplungssegmenten (11, 12) ausgebildet ist, die über eine Drehkopplung (13) miteinander ver bunden sind und daß für eine thermische Verbindung der Kopplungssegmente (11, 12) ein Wärmetauscher (15) vorgesehen ist.6. Spacecraft according to claim 5, characterized in that the coupling element ( 4 ) from at least two coupling segments ( 11 , 12 ) is formed, which are connected via a rotary coupling ( 13 ) to each other and that for a thermal connection of the coupling segments ( 11 , 12 ) a heat exchanger ( 15 ) is provided.

7. Raumfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Aufnahme kammer (3) mindestens ein Probenhalter (10) ange ordnet ist.7. Spacecraft according to one of claims 1 to 6, characterized in that within the receiving chamber ( 3 ) at least one sample holder ( 10 ) is arranged.

8. Raumfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kopplungs elemente (4) parallel zueinander angeordnet sind. 8. Spacecraft according to one of claims 1 to 7, characterized in that a plurality of coupling elements ( 4 ) are arranged parallel to each other.

9. Raumfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Wärme abgabeelementes (9) eine positionierbare thermische Abschirmung angeordnet ist.9. Spacecraft according to one of claims 1 to 8, characterized in that a positionable thermal shield is arranged in the region of the heat emission element ( 9 ).