способ автоматического регулирования теплопровода радиатора на базе контурной тепловой трубы

Формула изобретения

1. Способ автоматического регулирования температуры тепловыделяющего оборудования космического аппарата посредством регулирования теплового потока в теплопроводе радиатора на базе контурной тепловой трубы, содержащей испаритель, транспортные трубопроводы и конденсатор, интегрированный в радиатор, а также оснащенной контактирующим с компенсационной полостью и с испарителем термоэлектрическим микрохолодильником, при котором обеспечивают тепловой контакт тепловыделяющего оборудования с испарителем, а включение и выключение микрохолодильника осуществляют по показаниям температурных датчиков, установленных на испарителе и радиаторе, при этом для запуска контурной тепловой трубы термоэлектрический микрохолодильник включают в прямой полярности, обеспечивающей охлаждение компенсационной полости, а для останова циркуляции теплоносителя или увеличения термического сопротивления контурной тепловой трубы термоэлектрический микрохолодильник включают в обратной полярности, обеспечивающей нагрев компенсационной полости,

отличающийся тем, что рядом с радиатором устанавливают излучающую контрольную площадку, снабженную температурным датчиком, изолированную от радиатора в тепловом отношении и установленную в той же плоскости, а также имеющую такие же термооптические характеристики, удельную теплоемкость, отнесенную к излучающей поверхности, удельное термическое сопротивление теплоизоляции и элементов крепления, что и радиатор, причем при выдаче команд на включение или выключение термоэлектрического микрохолодильника для запуска или останова циркуляции теплоносителя или увеличения термического сопротивления контурной тепловой трубы дополнительно анализируют температуру свободно излучающей контрольной площадки, по значению которой судят о наличии циркуляции теплоносителя в контурной тепловой трубе.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что управление термоэлектрическим микрохолодильником осуществляют следующим образом:

если Т_И>Т _В2, Т₁> Т_1-1 и Т₂< Т_2-2 - включают термоэлектрический микрохолодильник в прямой полярности,

если Т_И<Т_В1 , или Т₁< Т_1-2 и Т₂> Т_2-1 - выключают термоэлектрический микрохолодильник из прямой полярности,

если Т_И<Т_Н1 , и Т₁> Т_2-2 - включают термоэлектрический микрохолодильник в обратной полярности,

если Т_И>Т_Н2 , или Т₂< Т_2-1 - выключают термоэлектрический микрохолодильник из обратной полярности,

где Т₁=Т_И-Т_Р - разность температур испарителя и радиатора, град,

Т₂=Т_Р-Т_КП - разность температур радиатора и контрольной площадки, град;

Т_И - температура испарителя, град;

Т_Р - температура радиатора, град;

Т_КП - температура контрольной площадки, град;

Т_В2 - верхний предел температуры испарителя, при достижении которого «снизу» может быть подана команда на включение термоэлектрического микрохолодильника в прямой полярности (т.е. на запуск теплопровода), град;

Т_В1 - нижний предел температуры испарителя, при достижения которого «сверху» может быть подана команда на выключение термоэлектрического микрохолодильника из режима работы в прямой полярности (т.е. снятие команды на запуск теплопровода), град;

при этом «снизу» - это при повышении температуры испарителя, «сверху» - при снижении температуры испарителя;

Т_Н1 - нижний предел температуры испарителя, при достижении которого «сверху» может быть подана команда на включение термоэлектрического микрохолодильника в обратной полярности (т.е. для полной остановки циркуляции в контуре), град;

Т_Н2 - верхний предел температуры испарителя, при достижении которого «снизу» может быть подана команда на выключение термоэлектрического микрохолодильника из режима работы в обратной полярности (т.е. снятие команды на останов теплопровода), град;

Т_2-1 - максимально допустимое значение Т₂, показывающее наличие некоторой циркуляции в контурной тепловой трубе, т.е. подвод тепла от испарителя к радиатору, град;

Т_2-2 - минимально допустимое значение Т₂, соответствующее условному равенству температур радиатора и контрольной площадки, с учетом погрешностей измерения температур термодатчиками, град;

Т_1-1 - значение Т₁, при котором КнТТ обеспечивает отвод заданного теплового потока от испарителя, в случае, если КнТТ работает, град;

Т_1-2 - значение Т₁, ( Т_1-1> Т_1-2), соответствующее номинальному рабочему перепаду КнТТ, град.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют несколько термодатчиков радиатора и несколько контрольных площадок, размещенных попарно равномерно по поверхности радиатора, а показания их температур осредняют.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что регулирование температуры тепловыделяющего оборудования космического аппарата осуществляют с использованием нескольких радиаторов на базе контурных тепловых труб.

5. Способ по п.3 или 4, отличающийся тем, что показания термодатчиков радиатора и контрольных площадок используются для определения величины передаваемого контурной тепловой трубой потока по формуле:

,

где Q_КнТТ - величина передаваемого контурной тепловой трубой потока, [Вт];

Т_Р.ср - средняя абсолютная температура радиатора, [К];

Т _КП.ср - средняя абсолютная температура контрольных площадок, [К];

- постоянная Стефана-Больцмана, [Вт/(м²·К ⁴)];

- степень черноты радиатора, [-];

F_P - площадь радиатора, [м²];

а затем полученное значение Q_КнТТ используется для выдачи следующих команд управления:

если Т_И>Т_В2, и Q _КнТТ<Q_зад2 - включают термоэлектрический микрохолодильник в прямой полярности,

если Т_И <T_B1 или Q_КнТТ>Q_зад1 - выключают термоэлектрический микрохолодильник из прямой полярности,

если Т_И<T_H1 и Q_КнТТ>Q _зад2 - включают термоэлектрический микрохолодильник в обратной полярности,

если Т_И>Т_Н2 или Q_КнТТ<Q_зад2 - выключают термоэлектрический микрохолодильник из обратной полярности,

где Q_зад1 - заданный номинальный тепловой поток по контурной тепловой трубе (который соответствует рабочему состоянию контурной тепловой трубы и определяется из испытаний или расчетным путем),

Q_зад2 - заданная минимальная тепловая нагрузка контурной тепловой трубы (соответствующая нулевому потоку по контурной тепловой трубе).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области теплотехники, в частности, к контурным тепловым трубам и может быть использовано при создании регулируемых радиационных теплообменников космических аппаратов.

Известен способ автоматического регулирования теплопровода на базе контурной тепловой трубы (КнТТ), предназначенный для решения одной из частных задач терморегулирования: подержания температуры охлаждаемого объекта в заданном диапазоне температур [1]. В данном устройстве используется термодатчик, установленный на паропроводе или на стенке испарителя, по показаниям которого блок автоматического управления изменяет мощность электронагревателя, установленного на компенсационной полости КнТТ. Увеличение подводимого к компенсационной полости теплового потока приводит к дополнительному блокированию конденсатора КнТТ жидким теплоносителем и, соответственно, снижению эффективности отвода тепла от охлаждаемого объекта к конденсатору КнТТ.

Данный способ имеет существенное ограничение, выраженное в том, что температура стока, куда отводится тепло от конденсатора КнТТ, должна быть постоянно ниже заданной температуры охлаждаемого объекта, а, кроме того, в указанном в [1] решении отсутствуют специальные средства, обеспечивающие гарантированный запуск КнТТ из положения покоя.

Известен способ принудительного запуска и остановки циркуляции теплоносителя в контурной тепловой трубе, предложенный в [2] с целью использования КнТТ в качестве теплового выключателя. Отрицательный тепловой импульс, создаваемый холодным спаем термоэлектрического микрохолодильника, контактирующим с компенсационной полостью, позволяет инициализировать циркуляцию теплоносителя в двухфазном контуре. При этом тепло, рассеиваемое горячим спаем термоэлектрического холодильника (ТЭМХ), можно отвести непосредственно в испаритель, что позволяет замкнуть тепловой баланс ТЭМХ в пределах теплопередающего устройства, сконструированного на базе КнТТ.

Недостатком или существенным ограничением решения [2] является отсутствие разработанного алгоритма автоматического управления ТЭМХ. Данным теплопередающим устройством фактически должен управлять оператор.

Достаточно большой опыт эксплуатации КнТТ в различных системах терморегулирования, в том числе в космосе, показал, что реальные условия эксплуатации таких устройств могут изменяться в широких пределах. Система терморегулирования может включать в себя несколько регулируемых теплопроводов переменной проводимости, радиаторы которых размещены на разных сторонах космического аппарата (КА) и находятся в различных тепловых условиях. Температура стока каких-то из них может превышать заданную температуру охлаждаемого оборудования из-за воздействия внешних тепловых потоков на радиатор, а температура испарителя отдельно взятого теплопровода может снижаться как в результате существования тепловой проводимости между испарителем и конденсатором, так и в силу наличия у охлаждаемого объекта других путей стока тепла, как регулируемых (входящих в ту же систему параллельно работающих аналогичных теплопроводов), так и нерегулируемых (теплоизоляция, элементы конструкции). Кроме того, для эффективного управления КА часто требуется иметь информацию не только о температуре охлаждаемого объекта, но и о режиме работы агрегатов системы терморегулирования, в частности - о передаваемых теплопроводами тепловых потоках и реальной хладопроизводительности радиаторов (на которую оказывают влияние теплопритоки, внешние потоки и тепловая инерция).

Анализ проблемы автоматического управления агрегатами системы терморегулирования работающими в переменных условиях приводит к выводу, что теплопровод радиатора на базе КнТТ должен иметь не только средства запуска и останова контура, но и средства, позволяющие однозначно определять реальное температурное состояния контура, в частности, существование (или отсутствие) циркуляции теплоносителя в контуре в каждый конкретный момент времени.

Кроме этого, необходимо учитывать специфику оснащения систем терморегулирования (например, в космических аппаратах) различными датчиками, показания которых могут быть использованы для решения этой задачи. Как правило, для применения в рассматриваемой задаче могут быть использованы только датчики температуры с относительно невысокой точностью измерения (порядка от +/-1 и до +/-3 град).

Пример системы терморегулирования, содержащей несколько по-разному ориентированных теплопроводов радиаторов на базе КнТТ, с помощью которых охлаждается один объект (термостатируемая платформа с приборами), рассмотрен в [3].

Близким по технической сущности решением, обеспечивающим отвод тепла от тепловыделяющего оборудования в окружающее пространство, является рассмотренный в [4] способ автоматического регулирования КнТТ с помощью ТЭМХ по показаниям температурного датчика. Здесь, для того чтобы поддерживать заданную температуру испарителя, ТЭМХ включают в обратной полярности, что позволяет нагревать компенсационную полость и, следовательно, увеличивать термическое сопротивление КнТТ, хотя причина по которой устанавливают ТЭМХ на КнТТ, прежде всего, связана с обеспечением принудительного запуска циркуляции теплоносителя (из состояния покоя).

Описанные в [2] и в [4] способы управления КнТТ при совместном их использовании уже нашли широкое применение для обеспечения теплового режима оборудования различных современных космических аппаратов.

Наиболее близким аналогом к заявленному способу автоматического регулирования, выбранным в качестве прототипа, является способ регулирования теплопровода радиатора на базе КнТТ, используемый в системе системы терморегулирования, которая описана в [3].

На Фиг.1 схематично показан теплопровод радиатора сконструированный на базе КнТТ, основными элементами которого являются: испаритель (1), радиатор (радиатор-конденсатор) (2), транспортные трубопроводы (3), ТЭМХ (4), компенсационная полость (5), температурные датчики (6), установленные на испарителе (Т_И) и радиаторе (ТР).

В показанном на Фиг.1 теплопроводе с помощью ТЭМХ может производиться как отрицательное, так и положительное тепловое воздействие на компенсационную полость испарителя, причем отрицательное воздействие применяется для принудительного старта циркуляции теплоносителя в контуре, а положительное - для замедления либо полной остановки циркуляции.

Такой теплопровод может решать задачу автоматического поддержания заданного температурного режима охлаждаемого оборудования в относительно простых условиях, при которых радиатор данного теплопровода всегда будет иметь необходимые условия для стока тепла (другими словами, радиатор должен быть способен сбросить максимально возможное тепловыделение оборудования плюс максимально возможные внешние теплопотоки, падающие на него, при условии непревышения испарителем заданного верхнего предела температуры). Для радиатора, отводящего тепло излучением в окружающее пространство, это означает следующее:

1) ,

2) ,

где:

- постоянная Стефана-Больцмана, [Вт/(м²*К ⁴)];

- степень черноты радиатора;

- эффективность радиатора;

F_P - площадь радиатора, [м];

Т_ф - абсолютная температура фона, [К];

Т_И - температура испарителя, [°С];

Т_Р - температура радиатора, [°С];

T_max - максимально допустимая температура испарителя, [°С];

Q_oб.max - максимальное тепловыделение охлаждаемого оборудования, [Вт],

Q_внеш.max - максимальный внешний тепловой поток на радиатор, [Вт];

К _КнТТ.max - максимальная проводимость КнТТ, [Вт].

Для теплопровода радиатора на базе КТТ, если температура его испарителя Т_И превысит заданный верхний предел Т _В2 (например 35°С), а разность температур между испарителем и радиатором (Т_И-Т_Р), при этом, превышает некоторое заданное значение Т₁ (например 25 К), считается, что циркуляция в контуре отсутствует, и в этом случае подается автоматическая команда на запуск КнТТ путем включения ТЭМХ в прямой полярности (отрицательное тепловое воздействие на компенсационную полость).

Если же температура испарителя Т_И опустится ниже некоторого заданного значения T_B1 (например 25°С), либо разность температур (Т_И-Т_Р) станет меньше некоторого заданного минимального значения Т₂ (например 15 К), это означает, что циркуляция теплоносителя уже началась, проводимость КнТТ увеличилась, и ТЭМХ можно выключить.

Если температура испарителя Т_И опустится ниже некоторого заданного значения Т _Н2, считается, что необходимо уменьшить тепловую приводимость КнТТ путем включения ТЭМХ в обратной полярности (дав некоторое начальное положительное тепловое воздействие на компенсационную полость). При дальнейшем понижении температуры испарителя Т _И до некоторого заданного значения Т_Н1, это положительное тепловое воздействие должно увеличиваться до максимального, что должно привести к полному прекращению циркуляции в контуре.

Недостатком описанного выше решения является то, что в более сложных условиях, т.е. при наличии у охлаждаемого объекта других путей стока тепла и/или при воздействии произвольных внешних тепловых потоков на радиатор/радиаторы, по температуре испарителя Т_И и разности температур между испарителем и конденсатором (Т_И-Т_Р) уже нельзя однозначно судить о наличии или отсутствии циркуляции в данном контуре, в результате чего могут выдаваться несоответствующие ситуации команды автоматического регулирования, которые приведут к неправильной работе системы терморегулирования.

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение качества регулирования температуры и надежности системы, а также увеличения срока службы активных элементов регулирования теплопровода (ТЭМХ, реле и т.п.) посредством обеспечения определения существования циркуляции теплоносителя в регулируемом теплопроводе радиатора на базе КнТТ (например, при работе его в сложной системе терморегулирования, где имеется несколько теплопроводов радиаторов) в условиях переменных внешних тепловых воздействий на радиатор/радиаторы и оценки передаваемый данным теплопроводом теплового потока.

Указанные задачи обеспечиваются тем, что в известном способе автоматического регулирования температуры тепловыделяющего оборудования космического аппарата посредством регулирования теплового потока в теплопроводе радиатора на базе контурной тепловой трубы, содержащей испаритель, транспортные трубопроводы и конденсатор, интегрированный в радиатор, а также оснащенной контактирующим с компенсационной полостью и с испарителем термоэлектрическим микрохолодильником, при котором обеспечивают тепловой контакт тепловыделяющего оборудования с испарителем, а включение и выключение микрохолодильника осуществляют по показаниям температурных датчиков, установленных на испарителе и радиаторе, при этом для запуска контурной тепловой трубы термоэлектрический микрохолодильник включают в прямой полярности, обеспечивающей охлаждение компенсационной полости, а для останова циркуляции теплоносителя или увеличения термического сопротивления контурной тепловой трубы термоэлектрический микрохолодильник включают в обратной полярности, обеспечивающей нагрев компенсационной полости, новым является то, что рядом с радиатором устанавливают излучающую контрольную площадку, снабженную температурным датчиком, изолированную от радиатора в тепловом отношении и установленную в той же плоскости, а также имеющую такие же термооптические характеристики, удельную теплоемкость, отнесенную к излучающей поверхности, удельное термическое сопротивление теплоизоляции и элементов крепления, что и радиатор, причем при выдаче команд на включение или выключение термоэлектрического микрохолодильника для запуска или останова циркуляции теплоносителя или увеличения термического сопротивления контурной тепловой трубы дополнительно анализируют температуру свободно излучающей контрольной площадки, по значению которой судят о наличии циркуляции теплоносителя в контурной тепловой трубе.

Кроме того, управление ТЭМХ при наличии в системе излучающей контрольной площадки можно осуществлять следующим образом: если Т_И >Т_В2, Т₁> Т_1-1 и Т₂< Т_2-2 - включают термоэлектрический микрохолодильник в прямой полярности,

(данное условие означает, что испаритель перегрет, радиатор холодный, контрольная площадка холодная как радиатор, т.е. труба не работает и надо включить ТЭМХ для охлаждения компенсационной полости)

если Т_И<Т_В1 или Т₁< Т_1-2 или Т₂> Т_2-1 - выключают термоэлектрический микрохолодильник из прямой полярности,

(здесь температура испарителя в норме, радиатор, по температуре, приблизился к испарителю, контрольная площадка осталась холодной, т.е. труба запустилась и ТЭМХ можно выключить)

если Т_И<T _H1 и Т₂> Т_2-2 - включают термоэлектрическим микрохолодильник в обратной полярности,

(в этом условии испаритель становится холоднее, чем надо, а радиатор теплее контрольной площадки, т.е. труба работает, но ее надо «затормозить», для чего нагревать компенсационную полость с помощью ТЭМХ)

если Т_И> Т₂ или Т₂< Т_2-1 - выключают термоэлектрический микрохолодильник из обратной полярности,

(здесь температура испарителя пришла в норму, либо радиатор и контрольная площадка имеют близкие температуры - труба снизила циркуляцию или прекратила совсем, т.е. ТЭМХ нагревавший компенсационную полость можно выключить) где:

Т₁=Т_И-Т_Р - разность температур испарителя и радиатора, град,

Т₂=Т_Р-Т_КП - разность температур радиатора и контрольной площадки, град;

Т _И - температура испарителя, град.;

Т _Р - температура радиатора, град.;

Т _КП - температура контрольной площадки, град.;

Т_В2 - верхний предел температуры испарителя, при достижении которого «снизу» может быть подана команда на включение термоэлектрического микрохолодильника в прямой полярности (т.е. на запуск теплопровода), град.;

Т_В1 - нижний предел температуры испарителя, при достижения которого «сверху» может быть подана команда на выключение термоэлектрического микрохолодильника из режима работы в прямой полярности (т.е. снятие команды на запуск теплопровода), град.;

при этом «снизу» - это при повышении температуры испарителя, «сверху» - при снижении температуры испарителя;

T_H1 - нижний предел температуры испарителя, при достижении которого «сверху» может быть подана команда на включение термоэлектрического микрохолодильника в обратной полярности (т.е. для полной остановки циркуляции в контуре), град.;

Т_Н2 - верхний предел температуры испарителя, при достижении которого «снизу» может быть подана команда на выключение термоэлектрического микрохолодильника из режима работы в обратной полярности (т.е. снятие команды на останов теплопровода), град.;

Т_2-1 - максимально допустимое значение Т₂, показывающее наличие некоторой циркуляции в контурной тепловой трубе, т.е. подвод тепла от испарителя к радиатору, град.;

Т_2-2 - минимально допустимое значение Т₂, соответствующее условному равенству температур радиатора и контрольной площадки, с учетом погрешностей измерения температур термодатчиками, град.;

Т_1-1 - значение Т₁ при котором КнТТ обеспечивает отвод заданного теплового потока от испарителя, в случае если КнТТ работает, град;

(если перепад выше Т_1-1 очевидно КнТТ не работает)

Т_1-2 - значение Т₁, ( Т_1-1> Т_1-2) соответствующее номинальному рабочему перепаду КнТТ, град;

(если перепад меньше Т_1-2 очевидно КнТТ работает)

Кроме того, используют несколько термодатчиков радиатора и несколько контрольных площадок, размещенных попарно равномерно по поверхности радиатора, а показания их температур осредняют.

Кроме того, регулирование температуры тепловыделяющего оборудования космического аппарата осуществляют с использованием нескольких радиаторов на базе контурных тепловых труб.

Кроме того, показания термодатчиков радиатора и контрольных площадок используются для определения величины передаваемого контурной тепловой трубой потока по формуле:

,

где: Q_KнTT - величина передаваемого контурной тепловой трубой потока, [Вт]

Т_Р.ср - средняя абсолютная температура радиатора, [К]

Т_КП.ср - средняя абсолютная температура контрольных площадок, [К]

- постоянная Стефана-Больцмана, [Вт/(м²*К ⁴)]

- степень черноты радиатора, [-]

F _P - площадь радиатора, [м²]

а затем полученное значение Q_KнTT используется для выдачи следующих команд управления:

если Т_И >Т_В2, и Q_КнТТ<Q_зад2 - включают термоэлектрический микрохолодильник в прямой полярности,

если Т_И<T_B1 или Q_КнТТ <Q_зад1 - выключают термоэлектрический микрохолодильник из прямой полярности,

если Т_И<T _H1 и Q_КнТТ<Q_зад2 включают термоэлектрический микрохолодильник в обратной полярности,

если Т _И>Т_Н2 или Q_КнТТ<Q_зад2 - выключают термоэлектрический микрохолодильник из обратной полярности,

где:

Q_зад1 - заданный номинальный тепловой поток по контурной тепловой трубы (который соответствует рабочему состоянию контурной тепловой трубы и определяется из испытаний или расчетным путем).

Q_зад2 - заданная минимальная тепловая нагрузка контурной тепловой трубы (соответствующая нулевому потоку по контурной тепловой трубе).

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами:

Фиг.1 - принципиальная схема теплопровода радиатора на базе одной контрольной площадкой;

Фиг.2 - принципиальная схема теплопровода радиатора на базе КнТТ с несколькими контрольными площадками;

Фиг.3 - температурная диаграмма функционирования теплопровода радиатора на базе КнТТ

Согласно предлагаемому изобретению для подачи команд на включение/выключение ТЭМХ анализируется не только температура испарителя и перепад температуры между испарителем и конденсатором, но и перепад температуры между радиатором и специальной контрольной площадкой (см. поз.7 Фиг.1). Дополнительные пояснения к определению и применению температурных перепадов дает Фиг.3

Контрольная площадка показывает, какую температуру в каждый момент должен иметь радиатор в случае отсутствия подвода к нему полезного теплового потока, т.е. при отсутствии циркуляции в контуре.

Чтобы температуры контрольной площадки и радиатора без нагрузки имели максимально близкие температуры при произвольно меняющихся внешних тепловых потоках, в том числе и в динамических режимах, контрольная площадка должна иметь те же термооптические характеристики, ту же удельную теплоемкость (отношение площади излучающей поверхности к теплоемкости) и то же удельное термическое сопротивление теплоизоляции (с внутренней стороны) и элементов крепления к космическому аппарату, что и радиатор, и не иметь с последним никаких тепловых связей.

В идеальном случае температуры радиатора и контрольной площадки равны при любом внешнем тепловом потоке, если по КнТТ к радиатору не поступает тепла, т.е. нет циркуляции в контуре. Для максимально оперативного управления, с целью снижения времени работы ТЭМХ в прямой полярности при запуске контура и повышения ресурса его работы, управляющий термодатчик на радиаторе и контрольную площадку необходимо располагать вблизи входа в радиатор паропровода КнТТ. Как только пар начнет поступать в конденсатор, увеличившаяся разность температур Т₂ покажет начало циркуляции и выключит ТЭМХ. В случае, если температура испарителя превысит верхний допустимый предел Т_В2, но разность температур Т₁ будет меньше Т_1-1, вторая разность температур Т₂ покажет, является ли она следствием наличия циркуляции теплоносителя в данном контуре или следствием действия на радиатор внешних потоков. В первом случае подавать команду на включение ТЭМХ в прямой полярности не требуется, так как контур уже работает, а дополнительная мощность от включенного ТЭМХ только увеличит и так высокую температуру испарителя. Во втором же случае ТЭМХ должен быть включен в прямой полярности для запуска теплопровода с целью отвода от испарителя некоторого количества тепла, соответствующего текущей располагаемой хладопроизводи-тельности радиатора.

В случае, если ТЭМХ работает в обратной полярности с целью уменьшения тепловой проводимости КнТТ, возможна ситуация, когда циркуляция в КнТТ уже прекратилась, а температура испарителя по-прежнему низка (например, при наличии у охлаждаемого объекта других путей отвода тепла). В этом случае определить момент полного прекращения циркуляции в КнТТ возможно только по снижению разности температур Т₂ ниже некоторого минимального значения. Если циркуляция остановлена - ТЭМХ необходимо выключить с целью сохранения его ресурса, а также предотвращения перегрева и осушения компенсационной полости.

Данный принцип управления ТЭМХ наиболее простой и универсальный, т.к. позволяет управлять работой КнТТ с минимально возможным и необходимым временем работы ТЭМХ (и его электропотреблением), вне зависимости от наличия в системе терморегулирования других путей отвода тепла от охлаждаемого объекта.

В ряде случаев может быть целесообразно плавное уменьшение проводимости КнТТ при снижении температуры испарителя, например, с целью уменьшения числа включений/выключений ТЭМХ. В этом случае принцип управления ТЭМХ при работе в обратной полярности может быть несколько видоизменен:

если Т_И<Т_Н2 и Т₂> Т_2.-2 - включить ТЭМХ в обратной полярности,

если Т_И>Т_Н2 или Т₂< Т_2-1 - выключить ТЭМХ из обратной полярности,

если Т_Н1<Т_И<Т_Н2 и Т₂> Т_2-2 - мощность ТЭМХ, работающего в обратной полярности, корректируют до достижения стабильной (постоянной) температуры Т_И внутри означенного диапазона.

(В дополнительном, третьем условии, температура испарителя находится внутри заданного диапазона Т_Н1<Т_И<Т _Н2, а радиатор - теплее контрольной площадки, т.е. КнТТ еще работает, но циркуляция уже снизилась. Теперь надо подобрать такую мощность нагрева компенсационной полости, чтобы оставаться внутри диапазона).

Подбор мощности ТЭМХ внутри указанного диапазона можно производить, автоматически, например, с помощью следующей зависимости:

где:

Q_ТЭМХ - текущая мощность ТЭМХ [Вт],

Т - текущая температура испарителя [°С],

Q_ТЭМХ.max - максимальная мощность ТЭМХ при работе в обратной полярности [Вт],

Т_H2 - верхний предел температуры испарителя, при достижении которого «сверху» необходимо подать команду на «торможение» циркуляции в теплопроводе по соответствующему закону, а при достижении «снизу» - на снятие указанной команды [°С],

Т_H1 - нижний предел температуры испарителя, при достижении которого «сверху» регулятор КнТТ включается на полную мощность для полной остановки циркуляции в контуре [°С].

Могут быть применены и другие известные законы управления, зависящие, например, от скорости изменения температур и/или иных параметров.

На практике, даже в неработающем радиаторе могут существовать определенные температурные градиенты, например из-за неравномерности распределения по его поверхности внешних теплопритоков или теплопритоков через внутреннюю теплоизоляцию, поэтому, в качестве критерия отсутствия циркуляции, вместо равенства температур следует принимать некоторую минимальную разность температур между радиатором и контрольной площадкой.

В самых трудных случаях (например, когда разные участки радиатора подвергаются локальному затенению соседними конструктивными элементами КА и/или воздействию локальных теплопритоков от них же), для повышения надежности необходимо использовать более одного термодатчика на радиаторе и более одной контрольной площадки, а показания установленных на них температурных датчиков осреднять (см. Фиг.2).

Размещение термодатчиков на радиаторе и на контрольных площадках следует производить попарно вблизи друг друга и, по возможности, равномерно по поверхности радиатора, чтобы получить максимально достоверную среднеинтегральную температуру радиатора и «фона».

Показания термодатчиков радиатора и контрольных площадок могут быть использованы для определения величины передаваемого контурной тепловой трубой потока по формуле:

,

где: Q_KнTT - величина передаваемого контурной тепловой трубой потока, [Вт]

Т _Р.ср - средняя абсолютная температура радиатора, [К]

Т_КП.ср - средняя абсолютная температура контрольных площадок, [К]

- постоянная Стефана-Больцмана, [Вт/м²/К ⁴]

- степень черноты радиатора, [-]

FP - площадь радиатора, [м²]

Применительно к управлению системой терморегулирования полученное значение Q_KнТТ можно использовать для выдачи следующих команд управления:

если Т_И>Т_В2 , и Q_КнТТ<Q_зад2 - включают термоэлектрический микрохолодильник в прямой полярности,

если Т _И<T_B1 или Q_КнТТ<Q_зад1 - выключают термоэлектрический микрохолодильник из прямой полярности,

если Т_И<T_H1 и Q_КнТТ <Q_зад2 включают термоэлектрический микрохолодильник в обратной полярности,

если Т_И>Т _Н2 или Q_КнТТ<Q_зад2 - выключают термоэлектрический микрохолодильник из обратной полярности,

где:

Q_зад1 - заданный номинальный тепловой поток по контурной тепловой трубы (который соответствует рабочему состоянию контурной тепловой трубы и определяется из испытаний или расчетным путем).

Q_зад2 - заданная минимальная тепловая нагрузка контурной тепловой трубы (соответствующая нулевому потоку по контурной тепловой трубе).

Предлагаемое изобретение позволит обеспечить рациональное, надежное и предсказуемое управление теплопроводами радиаторов на базе КнТТ, а также достаточно точно оценивать текущий тепловой поток, отводимый от оборудования по каждой КнТТ.

Полученное значение проходящего по каждой КнТТ теплового потока может быть использовано для выработки соответствующих команд управления не только в системе терморегулирования, но и в системе управления космическим аппаратом в целом (например, на включение или выключение бортового оборудования, изменения режима его работы, изменение ориентации в пространстве и т.д.).

Источники информации:

1. Патент на изобретение РФ № 2062970 C1, F28D 15/06, 1993.

2. Авторское свидетельство СССР № 1834470 A1, F28D 15/02, 1990.

3. D. Tulin, E. Kotlyarov, G. Serov and I. Tulin, The 4000W hybrid single - and two-phase thermal control system for payload and equipment of geostationary communication satellite. AIAA #772668, ICES-40, Barcelona, 2010.

4. M. Nikitkin, E. Kotlyarov, G. Serov, Basics of Loop Heat Pipe Temperature Control, ICES-1999, Denver, SAE paper 1999-01-2012.