DE68911406T2

DE68911406T2 - Kondensator-/Verdampfer-Wärmeaustauscher mit Pumpwirkung und niedrigem Druckverlust.

Info

Publication number: DE68911406T2
Application number: DE68911406T
Authority: DE
Inventors: Joseph Edward Fredley
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1988-07-15
Filing date: 1989-07-10
Publication date: 1994-07-07
Anticipated expiration: 2009-07-11
Also published as: EP0351163A1; EP0351163B1; DE68911406D1; US4869313A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Wärmetauscher und insbesondere auf Wärmetauscher, die Kapillar-Verdampferpumpen in einer Mikroerdschwere (Mikrogravitäts)-Umgebung verwenden.
Zukünftige Raumfahrzeuge werden höhere Leistungen in ihren Betriebssystemen verwenden und erfordern deshalb mehr Wärmeabführungsvermögen und werden strengere Wärmeübertragungserfordernisse als gegenwärtige Raumfahrzeuge haben. Eine Erfüllung dieser Anforderungen macht die Entwicklung von thermischen Steuerungstechniken mit Leistungsfähigkeiten notwendig, die diejenigen bei der derzeitigen Anwendung weit überschreiten. Ein Grunderfordernis ist ein System zur Gewinnung, Transport und Abweisung von Wärme, das in der Lage ist, gleichzeitig große Wärmelasten, Quellen hoher Wärmedichte, lange Transportstrecken und sich verändernde Betriebsparameter aufzunehmen. Die Wärmelasten und die Wärmeflußdichten, die in der Zukunft erwartet werden, werden eine Größenordnung höher liegen als diejenigen, die in gegenwärtigen Raumfahrzeugen verwendet werden. Ein wünschenswerter Systemtyp ist der Typ, der ein zweiphasiges thermisches Steuersystem verwendet. Zweiphasig bedeutet denjenigen Typ eines thermischen Steuersystems, bei dem ein Wärmeübertragungsfluid in einen Kondensor in der Form von Dampf eintritt und nach der Kondensation in der Form einer Flüssigkeit austritt.
Ökonomische Überlegungen machen es erforderlich, daß die Missionsdauer von Raumfahrzeugen länger als 10 Jahre ist. Es entstehen deshalb Raumfahrzeugkonstruktionen, die die Wartung von defekten Teilen, die Hinzufügung von Wachstumssegmenten und/oder die Auswechslung von verbrauchter oder veralteter Hardware gestatten. Diese gesteigerten Betriebsmerkmale können am besten durch modularisierte Raumfahrzeuge erfüllt werden. Ein modularisierter Aufbau sorgt für neue Konstruktionsüberlegungen und fordert die Konstrukteure von thermischen Steuer-Subsystemen heraus.
Modulare Konstruktionen erfordern verbindbare/lösbare Vorrichtungen, durch die thermische Energie transportiert werden kann. Weiterhin muß in einem modularen Raumfahrzeug das thermische Steuer-Subsystem an Änderungen der mechanischen Konfiguration und zusätzlicher oder geänderter Wärmelasten angepaßt sein. Insbesondere muß möglicherweise die in dem einen Modul erzeugte Wärme zu einer Abweisungssplatte transportiert werden, die auf einem anderen Modul in einem wesentlichen Abstand davon angeordnet ist.
Es ist bei der Konstruktion von Wärmetauschern und anderen Teilen von thermischen Steuer-Subsystemen vorteilhaft, nicht nur diejenigen zu wählen, die in einer schwerelosen oder Mikroerdschwere-Umgebung arbeiten und praktisch sind, sondern die zusätzlich in einer Erdschwere-Umgebung getestet werden und in einer Mikroerdschwere-Umgebung etwa in gleicher Weise arbeiten.
Es ist bekannt, mechanisch gepumpte Systeme zu schaffen, in denen gekühlte Flüssigkeit von einem Kondensor über eine Versorgungsleitung zu kalten Platten geleitet wird, wo die Flüssigkeit Wärme absorbiert und verdampft. Dabei sind mechanisch gepumpte Schleifen, kapillar-gepumpte Schleifen, oder Hybrid-Vorrichtungen von mechanisch gepumpten und Kapillar-Schleifen bekannt. Es ist weiterhin in einigen Fällen wünschenswert, die Verwendung einer mechanischen Pumpe, um die Flüssigkeit umzuwälzen, zu vermeiden. Das Kapillar- Pumpsystem ist vorteilhaft, weil es keine bewegten Teile erfordert, aber es hat den Nachteil, daß es ein Druckpotential oder eine Säule von nur etwa 3.200 Pa (etwa 1/2 kg pro Quadratzoll, 1/2 PSI) erzeugt, und dies erfordert ein System, in dem die Systemkomponenten und insbesondere der Kondensator oder die Kondensatoren einen sehr kleinen Druckabfall haben.
Wärmeleitungen (Heat Pipes) sind geschlossene langgestreckte Röhren, die einen Kapillar-Docht enthalten, der sich von dem einen Ende der Leitung zu dem anderen erstrecken und die Wärme durch Kapillarwirkung des Dochtes auf eine flüssige Komponente des Arbeitsfluids transportieren. Die US. Patentanmeldung Nr. 111 333, angemeldet am 22. Oktober 1987 im Namen des gleichen Erfinders, beschreibt einen Wärmetauscher, der mehrere Kondensorröhren aufweist, die wendelförmig um eine Wärmeleitung angeordnet und thermisch mit dieser gekoppelt sind. Die Kondensorröhren sind in der Lage, an dem einen Ende Arbeitsmitteldampf aufzunehmen und Wärme zu der Wärmeleitung zu transportieren, um an dem anderen Ende der Kondensorröhren Flüssigkeit zu erzeugen.
Wenn die Wärmeübertragungserfordernisse groß sind oder Arbeitsmittel über relativ lange Distanzen transportiert werden muß, ist die Wärmeleitung möglicherweise nicht vorteilhaft, weil der Docht sich über die Länge des Systems erstrecken muß und weil das Wärmeübertragungsvermögen auf diejenige begrenzt ist, die durch die maximale Strömungsgeschwindigkeit der flüssigen Phase des Strömungsmittels durch den Docht gestattet wird.
Weiterhin beschreibt die EP-A-0 210 337 einen Verdampfer 1, der aus einer inneren Rohrleitung 2, die mit einer Kapillarstruktur um Perforationen 5 herum versehen ist, einer äußeren Rohrleitung 3, die koaxial zu der inneren Rohrleitung angeordnet und mit Dampfkanälen 7 versehen ist, und einer Wärmequelle um die äußere Rohrleitung herum besteht. Ein flüssiges Medium 11 wird axial in die innere Rohrleitung eingeführt und strömt wendelförmig durch die Kapillarstruktur und wird durch die Wärme in Dampf transformiert und strömt aus den Dampfkanälen 7 in eine Sammelleitung 10.
Somit wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Wärmeübertragungsanordnung geschaffen, die enthält:
eine langgestreckte poröse Rohrleitung mit einer langgestreckten Bohrung und einer zylindrischen Außenfläche, die auf einer Achse zentriert ist, wobei die Bohrung nahe dem ersten Ende der Rohrleitung geschlossen und an einem zweiten Ende der Rohrleitung offen ist,
ein thermisch leitfähiges Gehäuse, das die poröse Rohrleitung umgibt und eine Innenfläche aufweist, die nach innen gerichtete vorspringende Abschnitte und erste Kanäle bildet für die Strömung von Fluid um die Vorsprünge, wobei das Gehäuse weiterhin eine zylindrische Außenfläche aufweist und so dimensioniert ist, daß die innersten Enden der Vorsprünge gegen die Außenfläche der porösen Rohrleitung drücken bzw. anliegen,
mehrere zweite Kanäle, die wendelförmig um die Außenfläche des Gehäuses herum angeordnet und mit dieser in thermischen Kontakt ist, wobei jeder der zweiten Kanäle so dimensioniert ist, daß die Oberflächenspannungskräfte, die auf eine Wärmeübertragungsflüssigkeit darin einwirken, in der gleichen Größenordnung liegen, wie die Gravitationskräfte, wenn die Wärmeübertragungsanordnung in einer 1G-Umgebung ist,
eine erste Kammer, die mit einem ersten Ende der zweiten Kanäle verbunden ist und zum Zuführen von Wärmeübertragungsdampf geeignet ist, um Wärme auf das Gehäuse zu übertragen und dadurch den Wärmeübertragungsdampf in die Wärmeübertragungsflüssigkeit zu kondensieren,
eine zweite Kammer, die mit einem zweiten Ende der zweiten Kanäle verbunden ist und die Wärmeübertragungsflüssigkeit sammeln kann für eine Rückleitung zu einer Wärmequelle,
Verbindungsmittel zum Verbinden einer Quelle von Arbeitsflüssigkeit mit der Bohrung an dem zweiten Ende der Rohrleitung, wodurch die Flüssigkeit die poröse Rohrleitung durchdringt und die auf das Gehäuse übertragene Wärme mit dem Vorsprüngen in Verbindung bringbar ist, um die Arbeitsflüssigkeit zu verdampfen zur Erzeugung von Arbeitsdampf, der in die ersten Kanäle strömt, und
eine dritte Kammer, die mit den ersten Kanälen verbunden ist, zum Sammeln des Arbeitsdampfes für eine Rückleitung zu einem Kondensor.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Wärmetauscher geschaffen, der zum Testen in einer 1G Gravitäts-Umgebung und einem Betrieb in einer Mikrogravitäts-Umgebung geeignet ist, enthaltend:
eine langgestreckte thermisch leitfähige Rohrleitung, die eine langgestreckte zylindrische Außenfläche und eine Innenfläche aufweist, die nach innengerichtete Vorsprünge und Dampfkanäle bildet, die um die Vorsprünge herum verlaufen,
eine langgestreckte poröse Hülse, die in der Rohrleitung angeordnet ist und die eine Außenfläche in thermischem Kontakt mit den Enden der Vorsprünge aufweist,
eine Verbindungseinrichtung, die der porösen Hülse zugeordnet und mit einer Quelle eines ersten Fluids in flüssiger Form verbindbar ist, damit das erste Fluid in flüssiger Form die Poren der porösen Hülse durchdringt,
eine mit den Dampfkanälen verbundene Kammer zum Sammeln von Arbeitsfluid in Dampfform,
eine langgestreckte Wärmeleitung, die einen Abschnitt, der mit einer wärmeableitenden Vorrichtung für eine Wärmeableitung verbindbar ist, und weiterhin einen langgestreckten zylindrischen Abschnitt aufweist, der zur Aufnahme von Wärme geeignet ist, die abgeleitet werden soll,
eine Quelle für eine Strömung eines zweiten Fluids, das, wenn es wärmebeladen ist, gekühlt werden soll,
mehrere Kanäle, die wendelförmig um den langgestreckten zylindrischen Abschnitt der Wärmeleitung herum angeordnet und thermisch mit diesem gekoppelt sind, wobei die mehreren Kanäle das zweite Fluid aufnehmen können, die Kanäle durch die flüssige Form des zweiten Fluids benetzt werden und so gewählte Querschnittsabmessungen haben, daß die Oberflächenspannungskräfte der flüssigen Form des zweiten Fluids vorherrschen relativ zu den Gravitationskräften auf das zweite Fluid in einer Referenz-Gravitätsumgebung, und die Wendelabmessungen so gewählt sind, daß Zentrifugalkräfte, die aus der Strömung der flüssigen Form des zweiten Fluids durch die wendelförmigen Kanäle resultieren, wenigstens signifikant sind relativ zu den Gravitationskräften in der Referenz-Gravitätsumgebung, wodurch Wärme von dem zweiten Fluid in den Kanälen auf die Rohrleitung und von der Rohrleitung auf die Flüssigkeit übertragen wird, die aus der porösen Hülse verdampft und in die Dampfkanäle eintritt in einer weitgehend gleichen Weise in einer Mikrogravitätsumgebung wie in einer Gravitätsumgebung, und eine Prüfung deshalb in einer Gravitätsumgebung erfolgen und ein Betrieb in einer Mikrogravitätsumgebung erfolgen kann.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Kombination von einem ersten und einem zweiten Raumfahrtmodul geschaffen, wobei der erste Modul einen Wärmetauscher und eine Wärmeabweisungsanordnung aufweist zum Ableiten von Wärme, die von dem Wärmetauscher empfangen wurde durch eine erste Rohrleitung in der Form von wärmebeladenem ersten Dampf und zum Kondensieren des Dampfes in eine erste Flüssigkeit, die durch eine zweite Rohrleitung zu dem Wärmetauscher zurückgeleitet wird, wobei der erste Raumfahrtmodul an den zweiten Raumfahrtmodul anpaßbar ist, der Mittel aufweist zum Absorbieren von Wärme aus einer Quelle und zum Übertragen der Wärme auf eine zweite Flüssigkeit, die über eine dritte Rohrleitung empfangen wird, um wärmebeladenen zweiten Dampf der zweiten Flüssigkeit zu erzeugen, und zu dem Wärmetauscher in einer vierten Rohrleitung zurückgeleitet wird, wobei der Wärmetauscher enthält:
eine poröse Hülse, die eine zylindrische Außenfläche und eine Mittelbohrung bildet, die an einem ersten Ende geschlossen und an einem zweiten Ende offen ist, wobei das zweite Ende die erste Flüssigkeit aus der Rohrleitung empfangen kann, wodurch die erste Flüssigkeit die Hülse durchdringt,
eine thermisch leitfähige, langgestreckte fünfte Rohrleitung, die eine zylindrische Außenfläche, zentriert auf eine Achse, und eine Innenfläche aufweist, die Vorsprünge, die in Richtung auf die Achse vorstehen, und auch Dampfkanäle um die Vorsprünge bilden, wobei die Vorsprünge gegen die Außenfläche der Hülse drücken, die Dampfkanäle in einem Bereich nahe dem ersten Ende der Hülse geschlossen und nahe dem zweiten Ende der Hülse offen sind, und
mehrere Kanäle, die wendelförmig um die Außenfläche der fünften Rohrleitung herum angeordnet und in thermischem Kontakt mit dieser sind, wobei die Kanäle mit einer gemeinsamen ersten Verbindungsstelle nahe dem ersten Ende der Hülse verbunden und mit einer gemeinsamen zweiten Verbindungsstelle nahe dem zweiten Ende der Hülse verbunden sind, wobei die erste Verbindungsstelle mit der vierten Rohrleitung verbindbar ist zum Empfangen des wärmebeladenen zweiten Dampfes aus dieser zum Einführen des zweiten Dampfes in die mehreren Kanäle zum Kondensieren des zweiten Dampfes in die zweite Flüssigkeit durch Übertragen von Wärme auf die fünfte Rohrleitung, wobei die zweite Verbindungsstelle geeignet ist zum Sammeln der zweiten Flüssigkeit und zum Einführen der zweiten Flüssigkeit in die dritte Rohrleitung, wodurch die auf die fünfte Rohrleitung übertragene Wärme bewirkt, daß die die poröse Hülse durchdringende Flüssigkeit in Dampf übergeht und in den Kanälen zur ersten Rohrleitung strömt.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Figur 1 stellt die thermischen Elemente von einem modularen Raumfahrtzeug in einer vereinfachten schematischen Form dar;
Figuren 2a und 2b, die gemeinsam als Figur 2 bezeichnet sind, sind aufgeschnittene perspektivische oder isometrische Ansichten beziehungsweise Querschnitte von einem Wärmetauscher gemäß der Erfindung, der für eine Verwendung in der Anordnung von Figur 1 geeignet ist,
Figuren 3a, b und c, die gemeinsam als Figur 3 bezeichnet sind, stellen die Verteilung von Dampf und flüssigem Kühlmittel in einem geraden nicht-wendelförmigen Fluidkanal von einem Wärmetauscher ähnlich demjenigen, der in Figur 2 gezeigt ist, an verschiedenen Stellen entlang dem Fluidkanal in einer Mikrogravitätsumgebung dar,
Figuren 4a, b und c, die gemeinsam als Figur 4 bezeichnet sind, stellen die Verteilung von Dampf und flüssigen Kühlmittel in einer Mikrogravitätsumgebung an verschiedenen Stellen innerhalb eines Fluidkanals dar, der wendelförmig um eine Wärmeleitung angeordnet ist, wie es in Figur 2 dargestellt ist,
Figuren 5a, b und c, die gemeinsam als Figur 5 bezeichnet sind, stellen die Dampf- und Flüssigkeitsverteilung innerhalb eines Teils von einem geraden Fluidkanal in einer Erdschwere-Umgebung (1G) dar, wenn der Fluidkanal aufrecht ist,
Figuren 6a, b und c, die gemeinsam als Figur 6 bezeichnet sind, stellen die Fluidverteilung in einem aufrechten Teil von einem wendelförmig angeordneten Fluidkanal in einer 1G-Umgebung dar;
Figuren 7a, b und c, die gemeinsam als Figur 7 bezeichnet sind, stellen die Fluidverteilung in einem invertierten Teil von dem wendelförmigen Fluidkanal gemäß Figur 6 in einer Umgebung von eins g dar,
Figur 8a ist eine Ansicht von einem anderen Ausführungsbeispiel von einem Kondensor und Figur 8b ist ein Schnitt dieses Kondensors in der Ebene von Figur 8a,
Figur 9 stellt schematisch dar, wie Wärme die Flüssigkeit verdampft, die die poröse Hülse durchdringt, und
Figur 10 stellt eine auseinandergezogene perspektivische oder isometrische Ansicht von einem anderen Ausführungsbeispiel des Wärmetauschers gemäß der Erfindung dar.
Figur 1 ist ein Systemblockdiagramm von einer thermischen Steuereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. In Figur 1 enthält das thermische Steuersystem 3 einen Wärmeerzeugungsabschnitt 10 von einem Raumfahrzeugmodul dar, der als 1 bezeichnet ist, der elektronische Pakete und Verstärker und andere wärmeerzeugende Quellen enthalten kann. Mit dem wärmeerzeugenden Abschnitt 10 ist thermisch ein Docht-Verdampfer oder eine Kapillar-Pumpe 12 gekoppelt, die ein Gehäuse mit einem Flüssigkeitskanal 14 aufweist, der mit einem Docht 16 in Verbindung steht. Wärme aus der Quelle 10 bewirkt, daß Arbeitsmittel in flüssiger Form (Kühlmittel) in dem Kanal 14 in den Docht 16 strömt und verdampft wird, um Kühlmitteldampf zu bilden. Der Kühlmitteldampf strömt von dem Verdampfer 12 durch eine Dampfleitung 18 in eine Kammer oder einen Verteiler 20. Der Verteiler 20 verteilt den wärmebeladenen Kühlmitteldampf auf mehrere Kondensatoren 22a, 22b 22n. Die Wärmeleitung 18 und der Verteiler 20 von einer durch Kapillarkräfte gepumpten Schleife sollten isoliert sein, um den Verlust von Wärme zu vermeiden, der eine Kondensation von Kühlmitteldampf in die flüssige Form zur Folge haben könnte, bevor die Verteilung des Dampfes auf die Kondensätoren durch den Verteiler 20 erfolgt, was seinerseits bewirken könnte, daß Flüssigkeit bevorzugt auf einige der Kondensatoren verteilt wird und dadurch ein System-Ungleichgewicht entsteht. Der Kühlmitteldampf wird in den Kondensatoren 22 auf eine unterkühlte Flüssigkeit kondensiert, die in einer Flüssigkeitskammer 24 gesammelt wird. Das flüssige Kühlmittel wird zu dem Verdampfer 12 durch eine Rückleitung 26 und durch einen Docht-Isolator 28 zurückgeleitet, der verhindert, daß irgendwelcher Wärmeleitungsdampf in den Flüssigkeitskanal 14 eintritt und das System entleert. Ein Kühlmittel-Reservoir 30 ist mit dem Isolator 28 und die Flüssigkeitsleitung 26 verbunden für eine Systemdruck- und Strömungsmittelbestandssteuerung.
Wie nachfolgend beschrieben wird, enthält jeder der Kondensatoren 22a, 22b .... 22n einen Wärmetauscher, der mit einer Wärmeleitung (Heat Pipe) verbunden ist zum Abführen latenter und sensibler Wärme, die von dem Kühlmittelfluid abgeleitet ist, und eine Radiatorplatte oder -platten, die mit einem Ende der Wärmeleitung verbunden sind zum Abweisen der Wärme durch Strahlung in den Raum. In Figur 1 ist der Kondensor 22a mit einer Wärmeleitung 32a verbunden, ein Kondensor 22b ist mit der Wärmeleitung 32b verbunden usw. Derartige Wärmeleitungen transportieren Wärme von einem Verdampferabschnitt zu einem Kondensorabschnitt der Wärmeleitung, während eine im wesentlichen konstante Temperatur auf der Länge der Wärmeleitung aufrechterhalten wird. Das von dem Kondensor 22a entfernte Ende der Wärmeleitung 32a ist mit einer Radiatorplatte 34a verbunden, und die übrigen Wärmeleitungen 32b .... 32n sind jeweils einer entsprechenden Radiatorplatte 34 zugeordnet.
Figur 1 stellt auch einen zweiten Raumfahrtmodul 2 mit wärmeerzeugenden Abschnitten 50 dar, die mit einem weiteren Docht-Verdampfer oder einer Kapillar-Pumpe 52 ähnlich dem Docht-Verdampfer 12 verbunden sind. Der Docht-Verdampfer 52 kühlt den wärmeerzeugenden Abschnitt 50, indem er flüssiges Kühlmittel über eine Leitung 56 aufnimmt und das Kühlmittel verdampft, um Dampf zu bilden, der durch eine Rohrleitung 58 abgeführt wird.
Der Raumfahrtmodul 2, wie er dargestellt ist, enthält keine eigene Wärmeabweisungseinrichtung, oder wenn er eine Wärmeabweisungsanordnung an Bord hat, überschreitet die erzeugte Wärme, wenn der Modul 2 in Betrieb ist, die Leistungsfähigkeit der an Bord befindlichen Anordnung. Infolgedessen muß der wärmebeladene Dampf der von dem Verdampfer 52 abgeführt wird, in einer Außenbordanordnung kondensiert werden. Die Rohrleitungen 56 und 58 enden in selbstdichtenden Fluidtrennteilen 60 beziehungsweise 62. Jedes Trennteil enthält eine Hälfte von einem passenden Verbinder, die an jeweils zwei zusammenpassenden Rohrleitungen befestigt sind. Derartige Trennstellen sind bekannt und können von irgendeinem konventionellen Typ sein, wie beispielsweise Typ RSO, der von der Moog Corp. gefertigt wird, deren Adresse East Auroro, New York, 14052 ist. Wenn die Raumfahrt-Modulen zusammengepaßt sind, verbinden Trennpaare 60 und 62 die Rohrleitungen 56 und 58 mit den Rohrleitungen 64 beziehungsweise 66, die auf dem Raumfahrtmodul 1 angebracht sind.
Die Rohrleitungen 64 und 66 verbunden gekühltes flüssiges Arbeitsmittel oder Kühlmittel von, und wärmebeladenen Dampf mit, einem Wärmetauscher 70. Der Wärmetauscher 70 kühlt den Dampf, der von der Rohrleitung 66 empfangen wird, um die Flüssigkeit zu erzeugen, die zu dem Modul 2 über die Rohrleitung 64 zurückgeleitet wird. Die so entzogene Wärme wird verwendet, um flüssiges Arbeitsmittel oder Kühlmittel zu verdampfen, das von der Rohrleitung 26 aufgenommen wird, um dadurch Dampf zu erzeugen, der mit der Rohrleitung 18 in Verbindung gebracht wird, wo der Dampf sich mit demjenigen vereinigt, der durch den Verdampfer 12 erzeugt ist, und strömt zur Kammer 20 und den Kondensatoren 22. Die Wärme, die auf beiden Modulen 1 und 2 erzeugt wird, wird durch die Kondensatoren 22 abgeführt.
Wärmeleitungen, die geschlossene Leitungen aus thermisch leitfähigem Material mit einem Docht sind, der in thermischem Kontakt mit den leitfähigen Wänden ist, können verwendet werden, um Wärme von einer Stelle zur anderen zu transportieren. Das Wärmetransportvermögen von einer Wärmeleitung ist durch die Geschwindigkeit begrenzt, mit der Kühlflüssigkeit von dem kalten Ende durch den Docht in Folge von Kapillarwirkung zurückkehren kann. Im allgemeinen kann eine Leitung mit einem gegebenen Durchmesser mehr Wärme führen, wenn sie mit einer gepumpten Flüssigkeit gefüllt ist, als wenn sie einen die Strömung einschränkenden Docht und Raum für die Rückführung von Dampf enthalten muß. Wo lange Distanzen auftreten oder die Rohrleitung verschlungene Biegungen aufweisen muß, stellt der Docht von einer Wärmeleitung zusätzliche Gewichts- und Montageprobleme dar. Einfache Leitungen, die in einer gepumpten Schleife verbunden sind, können deshalb besser sein als Wärmeleitungen für eine große Wärmedichte und lange Wärmetransportstrecken.
Bekanntlich erzeugen derzeitige durch Kapillareffekt gepumpte Schleifen, die Ammoniak verwenden, ein Druckpotential von etwa 3.200 Pa (1/2 PSI). Dieses relativ kleine Druckpotential muß eine ausreichende Kühlmittelströmung in der durch Kapillarwirkung gepumpten Schleife unterhalten, um die Wärme zu führen, die durch Wärmequellen 10 oder 50 erzeugt sind. Es ist deshalb wichtig, daß die Elemente der Schleife, wie beispielsweise die Leitungen und der Kondensor, einen sehr kleinen Druckabfall bei der gewünschten Kühlmittelströmungsgeschwindigkeit haben. Die Rohrleitungen, die für eine Strömung des Strömungsmittels sorgen, können mit glatten Innenwänden versehen sein und können groß genug gemacht sein, um für einen sehr kleinen Druckabfall zu sorgen. Es ist deshalb auch wichtig, daß der Kondensor einen kleinen Druckabfall hat.
Der Wärmetauscher 70 muß auch einen kleinen Druckabfall für das Arbeitsmittel haben, das zwischen den Rohrleitungen 64 und 66 ausgetauscht wird, weil das Strömungsmittel durch die Kapillarpumpe 52 gepumpt wird. Er muß ferner einen ausreichenden Druck erzeugen, um Arbeitsmittel von der Rohrleitung 26 zur Rohrleitung 18 zu pumpen, sollte aber keinen "Kurzschluß" für den mit einem Docht versehenen Verdampfer 12 während derjenigen Zeiten bilden, wenn der Raumfahrzeugmodul 2 getrennt ist. In diesem Zusammenhang bedeutet der Begriff Kurzschluß, daß das Strömungsmittel zwischen den Leitungen 18 und 26 strömen kann, wie es mit einer einfachen geraden Durchgangsverbindung der Fall sein würde.
Figur 2a stellt in einer perspektivischen oder isometrischen Ansicht, die teilweise aufgeschnitten und auseinandergezogen dargestellt ist, einen Teil des Wärmetauschers 70 gemäß Figur 1 dar. Der dargestellte Abschnitt des Wärmetauschers 70 enthält eine thermisch leitfähige Rohrleitung 232 mit einer zylindrischen Außenfläche 233, zentriert auf einer Achse 200, und einer Innenfläche, die Vorsprünge 234 und Dampfkanäle 236 bildet, die deutlicher aus Figur 2b ersichtlich sind. Die Kanäle 236 verlaufen in Längsrichtung (parallel zur Achse 200) und parallel zueinander. Die innersten Oberflächen der Vorsprünge 234 sind gekrümmt und drücken beziehungsweise liegen gegen die zylindrische Außenfläche einer porösen Hülse 240 an. Die poröse Hülse 240 bildet eine Bohrung 242, die sich zu einer Endwand 244 erstreckt, die die Bohrung verschließt und die poröse Hülse 240 abschließt. Die Endwand 244 der porösen Hülse 240 drückt beziehungsweise liegt gegen eine Innenwand 248 an, die die Rohrleitung 232 abschließt, abgesehen von Öffnungen 250, die sich in Dampfkanäle 236 öffnen.
Die Bohrung 242 der porösen Hülse 240 ist an ihrem offenen Ende (das entfernte Ende in Figur 2a) mit der Rohrleitung 26 gemäß Figur 1 verbunden, um von dieser flüssiges Kühlmittel aufzunehmen. Das flüssige Kühlmittel füllt die Bohrung 242 und durchdringt die poröse Struktur aufgrund von Oberflächenspannungseffekten. Ohne die Beaufschlagung von Wärme verhindern jedoch die Oberflächenspannungseffekte, daß flüssiges Kühlmittel die Außenfläche der porösen Hülse 240 verläßt, um in die Dampfkanäle 236 einzutreten.
Der Wärmetauscher 70 enthält ein zylindrisches äußeres Gehäuse 222, das im Abstand von der Außenfläche 233 der Rohrleitung 232 angeordnet und auf der Achse 200 zentriert ist. Der Bereich zwischen dem äußeren Gehäuse 222 des Wärmetauscher 70 und der Außenfläche 233 der Rohrleitung 232 wird von mehreren zueinander parallelen Rippen oder Trennschaufeln eingenommen, die mit 201 bezeichnet sind. Die Schaufeln 201 sind relativ dünn und sind mit ihren ebenen Hauptflächen parallel zu radialen Linien orientiert, die senkrecht durch die gemeinsame Achse 200 der Rohrleitung 232 und des Gehäuses 222 führen. Somit unterteilen die Schaufeln 201 den Bereich zwischen dem äußeren Gehäuse 222 und der Außenfläche 233 der Rohrleitung 232 in mehrere Fluidkanäle 202. Diese Fluidkanäle haben, grob gesprochen, eine rechteckige Form, wie es in Figur 2b und in den Figuren 3-7 dargestellt ist. Die Fluidkanäle 202, die durch die Schaufeln 201, das Gehäuse 222 und die Außenfläche 232 gebildet sind, sind so dimensioniert, daß Oberflächenspannungskräfte von einem flüssigen Kühlmittel, das die Wände benetzt, wenigstens signifikant ist im Vergleich zu der Schwerkraft, die auf die Kühlflüssigkeit in einer Schwerkraft- bzw. Gravitäts-Umgebung (1G) wirkt, d. h. in der üblichen Schwerkraft an der Oberfläche der Erde. Der durchschnittliche Durchmesser oder die Seite von einem Fluidkanal ist so gewählt, daß er etwa 2,5 mm (1/10 Zoll) beträgt, wenn das Kühlmittel Ammoniak (NH&sub4;) ist. Bei einer derartigen Dimensionierung sind die Oberflächenspannungskräfte im wesentlichen gleich den 1G Schwerkräften, so daß die Form der Flüssigkeitsströmung vom kondensierten Kühlmittel durch die Kanäle die Tendenz hat, sowohl in einer 1G Gravitäts- -als auch in einer Mikrogravitäts-Umgebung ähnlich zu sein.
Die Rippen oder Schaufeln 201 nehmen eine wendelförmige Bahn um die Achse 200 ein. Das heißt, obwohl alle Rippen oder Schaufeln an allen Hauptquerschnitten des Wärmetauschers 70 radial sind, wie es in dem Querschnitt von Figur 2b gezeigt ist, sind die Fluidkanäle, wie beispielsweise der Fluidkanal 202a, wendelförmig geformt oder spiralförmig um die Außenseite 233 der Rohrleitung 232.
Relativ dünne Schaufeln 201 stellen einen relativ kleinen Anteil der gesamten Querschnittsfläche des Bereiches zwischen dem äußeren Gehäuse 222 und der Wand 233 dar. Infolgedessen tritt die Fluidströmung in einer axialen Richtung durch die vielen parallelen Fluidpfade mit einem relativ kleinen Widerstand für die Fluidströmung auf und infolgedessen mit einem relativ kleinen Druckabfall. Der Spiralpfad der Fluidkanäle erteilt der hindurchströmenden Kühlmittelströmung eine "drehende" Bewegung, die eine Zentrifugalkraft zur Folge hat, die Flüssigkeit in Richtung auf denjenigen Teil von jedem Fluidkanal neben dem äußeren Gehäuse 222 zu bewegen versucht. Diese Zentrifugalkraft hat zusammen mit den Oberflächenspannungskräften die Tendenz, daß die Strömung des Kühlmittels durch die Kanäle 202 in einer Mikrogravitätsumgebung etwa die gleiche ist wie die Strömung von Kühlmittel in einer 1G-Gravitäts-Umgebung, wie es nachfolgend näher erläutert wird.
Die nahegelegenen und entfernten Enden der Fluidkanäle 202 sind in Dampf- und Flüssigkeitskammern eingeführt, die in Figur 2 nicht dargestellt sind, die aber in Figur 8 bei 820 und 824 dargestellt sind. Die Dampfkammer 820 empfängt Dampf durch eine Leitung 58 und verbindet diesen mit den nahegelegenen Enden von allen Kanälen 202. An den entfernten Enden der Kanäle wird kondensierte Flüssigkeit durch die Kammer 824 gesammelt und durch die Rohrleitung 64 der Rohrleitung 56 zugeführt. In Figur 8 sind die den Kanal bildenden Schaufeln mit 801a, 801n .... 801p bezeichnet, weil es zahlenmäßig deutlich weniger sind als die Schaufeln 201 in Figur 2, aber sie sind ansonsten gleich.
Figur 3 stellt verschiedene Querschnitte von einem Fluidkanal 302, der dem in Figur 2 dargestellten Fluidkanal 202 ähnlich ist, an verschiedenen Punkten zwischen der Dampfeinlaßseite und der Dampfauslaßseite dar, aber für einen geradlinig durchgeführten, nicht-spiralförmigen oder nicht-wendelförmig angeordneten Durchgang. Die Dampf- und Flüssigkeitsverteilungen gemäß Figur 3 stellen diejenigen dar, die in einer Mikrogravitätsumgebung auftreten. Figur 3a stellt einen Bereich des Fluidkanals 302 nahe dem Dampfverteiler dar, in dem eine kleine Menge des Dampfes 310 zu flüssiger Form 312 kondensiert ist. Die Kondensation hat die Tendenz, auf der Oberfläche 233 der Wand der Rohrleitung 232 aufzutreten, die latent Wärme herauszieht, so daß die Flüssigkeit auf der Oberfläche der Rohrleitung 232 kondensieren will. Zur Erläuterung sei gesagt, daß die Rohrleitung 232 äquivalent der Wand von einer Schaufel-tragenden Hülse 1033 betrachtet werden kann, die eng um die Rohrleitung 1032 herumpaßt, wie es in Figur 10 dargestellt ist. Wie in Figur 3a dargestellt ist, versuchen Oberflächenspannungskräfte, die kondensierte Flüssigkeit 312 teilweise um den inneren Umfang des Fluidkanals zu ziehen. Figur 3b stellt einen Zustand weiter entlang dem Kanal 302 dar und zeigt den Fortgang des Kühlmittels in Richtung auf einen vollständiger kondensierten Zustand, in dem ein größerer Teil des Fluids zu eier flüssigen Form kondensiert worden ist. Die Oberfläche des äußeren Gehäuses 222 ist immer noch wärmer als die übrigen Wände, so daß eine Kondensation vorzugsweise auf der Oberfläche 233 der Rohrleitung 232 und auf den Seitenwänden erfolgt, und Oberflächenspannungskräfte haben die Tendenz, die Umfangsfläche des Dampfabschnittes zu verkleinern oder den verbleibenden Dampf in eine blasenähnliche Form zu bringen.
Figur 3c stellt einen Zustand noch weiter entlang dem Fluidkanal 302 näher an dem Flüssigkeitsauslaß neben dem Verteiler 24 in Figur 1 dar. Oberflächenspannungskräfte haben den Dampfanteil gezwungen, eine Rohrform im Abstand von den Wänden des Kanals anzunehmen, die im Querschnitt als eine Blase erscheint. Der Dampf bewegt sich durch den mittleren, Dampf enthaltenden Abschnitt des Kanals 302, der in den Figuren 3a, b und c dargestellt ist, und kann Wellen in einer Längsrichtung erzeugen, wenn die Dampfströmungsgeschwindigkeit ausreichend ist. Wenn die Höhe der Welle ausreicht, um den verbleibenden Dampfkanal zu verschließen, wird die Strömung in Sektionen unterteilt, an dem abgeschlossenen Punkt scheint überall Flüssigkeit in den Querschnitten zu sein, wie an denjenigen von Figur 3, und andere Punkte zwischen verschlossenen Punkten haben das Aussehen von Figur 3c. Die nachfolgenden Dampfmengen haben eine verminderter Größe, wenn sich das Kühlmittel dem Flüssigkeitsauslaß nähert, und verschwinden schließlich. Diese Erzeugung von Longitudinalwellen in der Flüssigkeit und die dabei entstehenden Dampfmassen treten auch in den Strömungen auf, die in den nachfolgend beschriebenen Figuren 4 - 7 dargestellt sind.
Figuren 4a, 4b und 4c stellen die Zustände innerhalb eines wendelförmig angeordneten Fluidkanals 202, wie er in Figur 2 dargestellt ist, unter Mikrogravitätszuständen dar. In Figur 4a bewirken zusätzlich zu den Wirkungen der Oberflächenspannung, daß Flüssigkeit die untere Oberfläche 233 der Rohrwand 232 verläßt, die auf der Strömungsmittel ausgeübten Zentrifugalkräfte, daß ein Teil der Flüssigkeit sich zu den Ecken und zu der Mitte der Oberfläche des äußeren Gehäuses 222 bewegt, wie es durch Flüssigkeitsteile 314 und 316 dargestellt ist. An einer Stelle entlang des wendelförmigen Kanals 202, wo die Kondensation grob derjenigen von Figur 3b entspricht, ist die Wirkung der wendelförmigen Anordnung des Fluidkanals 202 in Figur 4b dargestellt. Wie dort gezeigt ist, bewirken Zentrifugalkräfte das Auftreten von Flüssigkeit über nahezu dem gesamten Umfang der Innenfläche des Fluidkanals. Figur 4c stellt die Wirkung der wendelförmigen Anordnung des Fluidkanals an einem vollständiger kondensierten Zustand dar, der demjenigen in Figur 3c entspricht. Die wendelförmige Anordnung macht praktisch keinen Unterschied unter diesen Zuständen, und der Dampf ist in die Form einer Röhre konzentriert und erscheint als eine kreisförmige Blase (in Figur 4c). Wellen können in der Flüssigkeit auftreten und haben Massen von Strömungsmittel und Dampf zur Folge, wie es in Verbindung mit Figur 3 beschrieben wurde.
Figur 5 stellt die Verteilung von Dampf und flüssigem Kühlmittel in einem Abschnitt nahe dem Oberteil des Wärmetauschers 70 von einem Kanal 202 ähnlich dem Kanal 202 in Figur 2 dar, der aber gerade und nicht wendelförmig ist und der in einer 1G-Umgebung angeordnet ist. Die Bedeutung, daß er ein oberer Abschnitt ist, wird verständlich durch die Überlegung, daß es in der Mikrogravitäts-Umgebung kein "oben" oder "unten" gibt, so daß Figuren 3 und 4 für alle Abschnitte von allen Fluidkanälen des Wärmetauschers gilt, wogegen in einer 1G-Umgebung die Schwerkraft auf einen Abschnitt von einem Fluidkanal, der sich auf dem Oberteil des Kondensors befindet, in einer Weise wirkt, die die Umkehrung der Wirkung eines Abschnittes ist, der sich auf der Unterseite des Tauscher befindet. Figuren 5a und 5b stellen die Verteilung von Flüssigkeit 312 und Dampf 310 an Stellen relativ nahe der Dampfkammer dar, wo nur ein mäßiger Kondensationsgrad aufgetreten ist. Gravitationskräfte haben die Tendenz, den Oberflächenspannungskräften entgegenzuwirken, so daß relativ mehr Flüssigkeit neben der Bodenf läche sitzt, die die Oberfläche 233 der Leitung 232 ist, als in den Figuren 3a und 3b, die das Mikrogravitäts-Äquivalent darstellen. In Figur 5c, die einen Querschnitt des geraden Kanals näher zum Flüssigkeitsende des Wärmetauschers darstellt, bildet der verbleibende Dampf eine Röhre, die im Querschnitt als eine Blase erscheint, die zum Oberteil des Kanals steigt.
Figur 6 stellt die Verteilung von Dampf 310 und Flüssigkeit 312 in einem wendelförmig angeordneten Kanal an dem Oberteil des Wärmetauschers 70 in einer 1G-Umgebung dar. Die wendelförmige Bahn hat eine Zentrifugalkraft zur Folge, die die Gravitätswirkungen auf die Flüssigkeit auszugleichen versucht, und so haben Figuren 6a und 6b durch Vergleich mit den Verteilungen für einen geraden Kanal gemäß den Figuren 5a und 5b mehr Flüssigkeit, die an den Wänden emporsteigt. In Figur 6c ist die Dampfblase mehr zentral innerhalb des Kanals angeordnet als in dem Fall von Figur 5c.
Figur 7 stellt die Dampf- und Strömungsmittelverteilung in einem unteren Abschnitt von einem wendelförmig angeordneten Fluidkanal in einer 1G-Umgebung dar. In diesem Fall unterstützt die Schwerkraft die Zentrifugalkräfte, so daß die Flüssigkeit in Figur 7a höher an den Seitenwänden der Fluidkanäle emporsteigt als in dem Fall von Figur 6a (wendelförmig angeordnet, oberer Abschnitt) und sogar etwas Flüssigkeit, mit 314 bezeichnet, in die Ecken des Kanals bringt. In Figur 7b unterstützen sowohl Gravitäts- als auch Zentrifugalkräfte die Bewegung von Flüssigkeit gegen die Oberfläche des äußeren Gehäuses 222, wodurch gewissermaßen eine Blase aus Dampf gebildet wird, die in dem Fluidkanal zentriert ist. Dieser Effekt ist noch betonter in Figur 7c.
Bei einem Vergleich von geraden (nicht-wendelförmigen) Kanälen in einer Mikrogravitätsumgebung (Figur 3) mit geraden Kanälen in einer 1G-Umgebung (Figur 5) ist ersichtlich, daß die Fluidverteilungen über größeren Teilen der Kondensorlänge unähnlich sind. Ein Vergleich der Verteilungen von bei Mikrogravität wendelförmig angeordneten Kanälen (Figur 4) mit bei 1G wendelförmig angeordneten oberen und unteren Kanälen (Figuren 6 und 7) zeigt eine wesentliche Ähnlichkeit an entsprechenden Querschnitten. Somit sollten die Wärmeströmungen für einen Wärmetauscher, wie den Wärmetauscher 70 gemäß Figur 2, mit wendelförmig angeordneten Kanälen, die in Mikrogravität arbeiten, ähnlich zu den Wärmeströmungen unter 1G Zuständen sein, so daß eine Prüfung auf der Erde vor einem Satellitenstart vorgenommen werden kann.
Figur 8a stellt eine Gesamtansicht von einem Wärmetauscher 70 mit Kammern 820 und 824 dar. Figur 8b ist eine Schnittansicht des Wärmetauschers 70, außer daß die wenigeren Schaufeln mit 801a, 801n, 801o und 801p bezeichnet sind anstatt mit 210a - n wie in Figur 2. In Figur 8b ist ersichtlich, daß das flüssige Arbeitsmittel, das von der Leitung 26 nach links strömt, in eine Öffnung oder Bohrung 242 der Hülse 240 eintritt, aber nicht in den Dampfkanal 236 eintreten kann wegen einer Wand 898, die das rechte Ende des Dampfkanals 236 verschließt. Alle Dampfkanäle sind an ihren rechten Enden in ähnlicher Weise verschlossen. Das flüssige Arbeitsmittel kann durch die Bohrung 242 zur Endwand 244 gelangen, aber nicht weiter. Die Flüssigkeit durchdringt die poröse Hülse 240, wie es bereits ausgeführt wurde, kann aber die äußeren Oberflächen der Hülse 240 nicht verlassen.
Figur 9 stellt in bildlicher oder schematischer Weise die Art und Weise dar, durch die Wärme von den Vorsprüngen oder Höckern 234 zu der Flüssigkeit übertragen wird, die die poröse Hülse 240 durchdringt. Wie in Figur 9 dargestellt ist, erstrecken sich Moleküle der Arbeitsflüssigkeit, die die Hülse 240 durchdringen, über die poröse Oberfläche hinaus, wie es durch kleine Kreise 910 angedeutet ist. Wärme fließt von der Außenseite der Leitung 232 (in Figur 9 nicht dargestellt) in Richtung auf das innere Ende der Vorsprünge 234, wie es durch den Pfeil 912 dargestellt ist. An einigen Punkten werden die Vorsprünge 234 mit Molekülen 910 in Kontakt sein, und Wärme wird auf die Moleküle übertragen, wodurch sie in Dampfform gebracht werden. Wenn dies nahe der Mitte von einem Vorsprung auftritt, werden sich die verdampften Moleküle als Blasen sammeln, wie es als große Kreise 914 dargestellt ist. Die Blasen sind mit Sicherheit in Kontakt mit einem Vorsprung 234, so daß sie nicht kondensieren werden. Wenn mehr Blasen nahe der Mitte des Vorsprung-Hülsen-Kontaktes erzeugt werden, werden die zuerst erzeugten Blasen entlang der Richtung der Pfeile 916 in Richtung auf die Dampfkanäle 236 gedrückt.
Die Anordnung gemäß Figur 1, die einen Wärmetauscher 70 enthält, wie er in den Figuren 2 und 8 dargestellt ist, bildet eine Bahn mit einem kleinen Druckabfall für die Strömung des Arbeitsmittels oder Kühlmittels von der Rohrleitung 58 zur Rohrleitung 56, wodurch ein guter Massefluß erwartet werden kann durch die Verwendung von einem oder mehreren mit einem Docht versehenen Verdampfern, die den Wärmequellen zugeordnet sind. Weiterhin gestattet der Wärmetauscher 70, wenn er nicht mit Wärme gespeist oder belastet ist, beispielsweise wenn der Modul 2 nicht an dem Modul 1 befestigt ist, keine Strömung zwischen der Flüssigkeitsleitung 26 und der Dampfleitung 18. In der Wirkung ist der Wärmetauscher 70, wenn er nicht in Betrieb ist, ein offener Kreis in bezug auf den mit einem Docht versehenen Verdampfer 12. Unter einem abnormalen Betriebszustand können die zusammenpassenden Fluidtrennpaare 60 und 64 eine Leckstelle bilden. Die Trennung der zwei Arbeitsmittelpfade in dem Wärmetauscher 70 verhindert einen Verlust an Fluid aus der thermischen Schleife auf dem Modul 1 beim Auftreten eines derartigen Lecks.
Ein Kondensor mit einem Wärmeübertragungsleitungsdurchmesser von 15 mm (0,6 Zoll), 11 Fluidkanälen mit Seiten oder Durchmessern von etwa 2,5 mm (1/10 Zoll) und einer Länge von jedem Kanal von etwa 1.050 mm (41 Zoll), die etwa 10 Biegungen auf einem mittleren Durchmesser von etwa 20 mm (0,8 Zoll) machen, zur Verwendung mit Ammoniak hat einen Druckabfall von etwa 280 Pa (0,04 PSI) und überträgt etwa 0,45 kW bei einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 3,1 x 10&supmin;&sup5; kg/s (0,25 lbm/Std) in jedem Flüssigkeitskanal mit einem Temperaturabfall von 5ºC zwischen dem kondensierenden Fluid und dem Wärmeleitungsfluid.
Figur 10 stellt eine andere Anordnung der Erfindung dar, bei der Schaufeln 1001a, 1001b .... maschinell aus einem monolithischen Block und einstückig mit einer Schaufelntragenden Hülse 1033 hergestellt sind. Der innere Durchmesser von einer Bohrung 1090 innerhalb der Schaufeln-tragenden Hülse 1033 ist so dimensioniert, daß die Hülse 1033 eng um die äußere Wand einer Rohrleitung 1032 paßt, deren innere Details nicht dargestellt sind. Die Hülse 1033 und die zugeordneten Schaufeln 1001 können durch Preßpassung auf der Rohrleitung 1032 angeordnet sein, beispielsweise durch Erwärmen der Schaufeln-tragenden Hülse 1033 während der Preßpassung. Eine äußere Wand 1022 in der Form von einer einfachen Hülse ist so bemessen, daß sie eng über das Äußere der Schaufeln 1001 paßt. Eine derartige Struktur ist äquivalent zu der in Figur 2 dargestellten Struktur, und die Arbeitsweise ist die gleiche, außer daß die Innenwand von jedem Fluidkanal durch einen Teil von der Oberfläche der Hülse 1033 gebildet wird anstatt der Wand der Rohrleitung. Dies hat wenig praktische Wirkung. Der thermische Kontakt zwischen der Wand der Rohrleitung 1032 und der Oberfläche der Bohrung 1090 der Hülse 1033 kann auf Wunsch verbessert werden durch Hartlöten, Weichlöten oder ähnliches, um für eine metallurgische Bindung zu sorgen. In ähnlicher Weise können die Spitzen der Schaufeln 1001 mit der inneren Oberfläche der Hülse 1022 verbunden werden.
Es sind jedoch noch weitere Ausführungsbeispiele möglich. Beispielsweise können die wendelförmigen Röhren, die um die Wärmeleitung gewickelt und thermisch mit dieser verbunden sind, die Form von Rohrleitungen haben, die mit der Außenfläche der Röhre verbunden sind, anstelle der Form von Rippen in dem Bereich zwischen einem zylindrischen Außengehäuse und der Rohrleitungsfläche, wie es in Figur 2 dargestellt ist, woraufhin kein äußeres Gehäuse, wie beispielsweise das Gehäuse 222, erforderlich ist. Weiterhin wurde zwar die durch Kapillarwirkung gepumpte Schleife dargestellt und erläutert, die einen einzelnen Verdampfer wie den Verdampfer 12 und einen einzelnen Wärmetauscher 70 gemäß Figur 1 enthält, es kann aber ein größerer Wärmefluß aufgenommen werden durch die Verwendung von zahlreichen parallel verbundenen Verdampfern oder Wärmetauschern. Es können auch andere Kühlmittel, wie beispielsweise Azeton, Dichlordifluormethan (Freon) oder Methanol, anstelle von Ammoniak verwendet werden. Die Rippen oder Schaufeln, wie die bei 201 in den Figuren 2a und 2b gezeigten, können metallurgisch oder auf andere Weise mit der benachbarten Rohrleitungswand, wie der Wand 232, und/oder dem Kondensor- Außengehäuse, wie dem Gehäuse 222, verbunden sein oder sie können einfach eine enge Passung bilden. Im Prinzip würde es wünschenswert sein, die Rippen oder Schaufeln als ein monolithisches Ganzes zusammen mit der Wand 232 der Rohrleitung und/oder dem Gehäuse 222 zu bilden, aber der Bearbeitungs- oder Formprozeß ist schwierig.

Claims

1. Wärmeübertragungsanordnung (70), enthaltend:

eine langgestreckte poröse Rohrleitung (240) mit einer langgestreckten Bohrung (242) und einer zylindrischen Außenfläche, die auf einer Achse zentriert ist, wobei die Bohrung nahe einem ersten Ende (244) der Rohrleitung geschlossen und an einem zweiten Ende der Rohrleitung offen ist,

ein thermisch leitfähiges Gehäuse (232), das die poröse Rohrleitung umgibt und eine Innenfläche aufweist, die nach innen gerichtete vorspringende Abschnitte (234) und erste Kanäle (236) bildet für die Strömung von Fluid um die Vorsprünge, wobei das Gehäuse weiterhin eine zylindrische Außenfläche (233) aufweist und so dimensioniert ist, daß die innersten Enden der Vorsprünge gegen die Außenfläche der porösen Rohrleitung drücken bzw. anliegen,

mehrere zweite Kanäle (202), die wendelförmig um die Außenfläche (233) des Gehäuses herum angeordnet und mit dieser in thermischen Kontakt sind, wobei jeder der zweiten Kanäle so dimensioniert ist, daß die Oberflächenspannungskräfte, die auf eine Wärmeübertragungsflüssigkeit darin einwirken, in der gleichen Größenordnung liegen, wie die Gravitationskräfte, wenn die Wärmeübertragungsanordnung in einer 1G-Umgebung ist,

eine erste Kammer (820), die mit einem ersten Ende der zweiten Kanäle (202) verbunden ist und zum Zuführen von Wärmeübertragungsdampf geeignet ist, um Wärme auf das Gehäuse zu übertragen und dadurch den Wärmeübertragungsdampf in die Wärmeübertragungsflüssigkeit zu kondensieren,

eine zweite Kammer (824), die mit einem zweiten Ende der zweiten Kanäle (202) verbunden ist und die Wärmeübertragungsflüssigkeit sammeln kann für eine Rückleitung zu einer Wärmequelle,

Verbindungsmittel zum Verbinden einer Quelle von Arbeitflüssigkeit mit der Bohrung (242) an dem zweiten Ende der Rohrleitung, wodurch die Flüssigkeit die poröse Rohrleitung durchdringt und die auf das Gehäuse übertragene Wärme mit den Vorsprüngen in Verbindung bringbar ist, um die Arbeitsflüssigkeit zu verdampfen zur Erzeugung von Arbeitsdampf, der in die ersten Kanäle strömt, und

eine dritte Kammer (832), die mit den ersten Kanälen (236) verbunden ist, zum Sammeln des Arbeitsdampfes für eine Rückleitung zu einem Kondensor (22).

2. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 1, wobei mehrere zweite Kanäle (202) einen genügend kleinen Durchmesser haben, damit eine wendelförmige Zirkulation entlang den Wänden primär aufgrund von Oberflächenspannungs- und Sekundärströmungseffekten erfolgt.

3. Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 2, wobei der Durchmesser der zweiten Kanäle (202) in der Größenordnung von 2,5 mm (1/10 Zoll) liegt.

4. Wärmetauscher (70), der zum Testen in einer 1G- Gravitätsumgebung und einen Betrieb in einer Mikrogravitäts-Umgebung geeignet ist, enthaltend:

eine langgestreckte thermisch leitfähige Rohrleitung (232), die eine langgestreckte zylindrische Außenfläche (233) und eine Innenfläche aufweist, die nach innen gerichtete Vorsprünge (234) und Dampfkanäle (236) bildet, die um die Vorsprünge verlaufen,

eine langgestreckte poröse Hüls (240), die in der Rohrleitung (232) angeordnet ist und die eine Außenfläche in thermischem Kontakt mit den Enden der Vorsprünge aufweist,

Verbindungseinrichtung (242), die der porösen Hülse (240) zugeordnet und mit einer Quelle eines ersten Fluids in flüssiger Form verbindbar ist, damit das erste Fluid in flüssiger Form die Poren der porösen Hülse durchdringt, eine mit den Dampfkanälen (236) verbundene Kammer zum Sammeln von Arbeitsfluid in Dampfform,

eine langgestreckte Wärmeleitung (222), die einen Abschnitt, der mit einer wärmeableitenden Vorrichtung für eine Wärmeableitung verbindbar ist, und weiterhin einen langgestreckten zylindrischen Abschnitt aufweist, der zur Aufnahme von Wärme geeignet ist, die abgeleitet werden soll,

eine Quelle (52) für eine Strömung eines zweiten Fluids, das, wenn es wärmegeladen ist, gekühlt werden soll,

mehrere Kanäle (202), die wendelförmig um den langgestreckten zylindrischen Abschnitt der Wärmeleitung (222) herum angeordnet und thermisch mit diesem gekoppelt ist, wobei die mehreren Kanäle das zweite Fluid aufnehmen können, die Kanäle durch die flüssige Form des zweiten Fluids benetzt werden und so gewählte Querschnittsabmessungen haben, daß die Oberflächenspannungskräfte der flüssigen Form des zweiten Fluids vorherrschen relativ zu den Gravitationskräften auf das zweite Fluid in einer Referenz-Gravitätsumgebung, und die Wendelabmessungen so gewählt sind, daß Zentrifugalkräfte, die aus der Strömung der flüssigen Form des zweiten Fluids durch die wendelförmigen Kanäle resultieren, wenigstens signifikant sind relativ zu den Gravitationskräften in der Referenz- Gravitätsumgebung, wodurch Wärme von dem zweiten Fluid in den Kanälen (202) auf die Rohrleitung (232) und von der Rohrleitung auf die Flüssigkeit übertragen wird, die aus der porösen Hülse verdampft und in die Dampfkanäle eintritt in einer weitgehend gleichen Weise in einer Mikrogravitätsumgebung wie in einer Gravitätsumgebung, und eine Prüfung deshalb in einer Gravitätsumgebung erfolgen und ein Betrieb in einer Mikrogravitätsumgebung erfolgen kann.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, wobei die Verbindungseinrichtung eine Bohrung (242) durch wenigstens einen Teil der Hülse (240) aufweist und die Bohrung mit einer Quelle des Fluids in flüssiger Form verbindbar ist.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 4, wobei die Bohrung (242) an dem einen Ende (244) der porösen Hülse geschlossen ist.

57. Wärmetauscher nach Anspruch 4, wobei sowohl das erste Fluid als auch das zweite Fluid Ammoniak sind.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, wobei die Querschnittsabmessungen etwa 2,5 mm (1/10 Zoll) betragen.

9. Wärmetauscher nach Anspruch 8, wobei der Druckabfall über den mehreren Kanälen (202) kleiner als etwa 280 Pa (0,04 psi) ist.

10. Wärmetauscher nach Anspruch 8, wobei die wendelförmig angeordneten Kanäle (202) einen durchschnittlichen Durchmesser von etwa 20 mm (0,8 Zoll) für eine lineare Strömungsgeschwindigkeit in jedem der Kanäle von etwa 3,1 x 10&supmin;&sup5; (0,25 US-Pfund/Std) aufweisen.

11. Kombination von einem ersten und einem zweiten Raumfahrtmodul (1 und 2), wobei der erste Modul (1) einen Wärmetauscher (70) und eine Wärmeableitungsanordnung aufweist zum Ableiten von Wärme, die von den Wärmetauscher empfangen wurde durch eine erste Rohrleitung (18) in der Form von wärmebeladenem ersten Dampf und zum Kondensieren des Dampfes in eine erste Flüssigkeit, die durch eine zweite Rohrleitung (26) zu dem Wärmetauscher zurückgeleitet wird, wobei der erste Raumfahrtmodul geeignet ist, an den zweiten Raumfahrtmodul (2) anpassbar ist, der Mittel aufweist zum Absorbieren von Wärme aus einer Quelle (50) und zum Übertragen der Wärme auf eine zweite Flüssigkeit, die über eine dritte Rohrleitung (56) empfangen wird, um wärmebeladenen zweiten Dampf der zweiten Flüssigkeit zu erzeugen, und zu dem Wärmetauscher in einer vierten Rohrleitung (58) zurückgeleitet wird, wobei der Wärmetauscher enthält:

eine poröse Hülse (240), die eine zylindrische Außenfläche und auch eine Mittelbohrung (242) bildet, die an einem ersten Ende (244) geschlossen und an einem zweiten Ende offen ist, wobei das zweite Ende die erste Flüssigkeit aus der Rohrleitung empfangen kann, wodurch die erste Flüssigkeit die Hülse durchdringt,

eine thermisch leitfähige, langgestreckte fünfte Rohrleitung (232), die eine zylindrische Außenfläche (233), zentriert auf einer Achse (200), und eine Innenfläche aufweist, die Vorsprünge (234), die in Richtung auf die Achse vorstehen, und auch Dampfkanäle (236) um die Vorsprünge bilden, wobei die Vorsprünge gegen die Außenfläche der Hülse (240) drücken, die Dampfkanäle in einem Bereich nahe dem ersten Ende (244) der Hülse geschlossen und nahe dem zweiten Ende der Hülse offen sind, und

mehrere Kanäle (202), die wendelförmig um die Außenfläche der fünften Rohrleitung (232) herum angeordnet und in thermischem Kontakt mit dieser sind, wobei die Kanäle mit einer gemeinsamen ersten Verbindungsstelle (820) nahe dem ersten Ende der Hülse verbunden und mit einer gemeinsamen zweiten Verbindungsstelle (824) nahe dem zweiten Ende der Hülse verbunden sind, wobei die erste Verbindungsstelle (820) mit der vierten Rohrleitung (58) verbindbar ist zum Empfangen des wärmebeladenen zweiten Dampfes aus dieser zum Einführen des zweiten Dampfes in die mehreren Kanäle (202) zum Kondensieren des zweiten Dampfes in die zweite Flüssigkeit durch Übertragen von Wärme auf die fünfte Rohrleitun (232), wobei die zweite Verbindungsstelle (824) geeignet ist zum Sammeln der zweiten Flüssigkeit und zum Einführen der zweiten Flüssigkeit in die dritte Rohrleitung (56), wodurch die auf die fünfte Rohrleitung (232) übertragene Wärme bewirkt, daß die die poröse Hülse durchdringende Flüssigkeit in Dampf übergeht und in den Dampfkanälen (236) zur ersten Rohrleitung (18) strömt.