DE60033165T2

DE60033165T2 - Vorrichtung zum kühlen mit speichermaterial und wärmeröhren

Info

Publication number: DE60033165T2
Application number: DE60033165T
Authority: DE
Inventors: L. James McKinney HAWS; Elliott Byron Fairview SHORT
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1999-09-16
Filing date: 2000-09-14
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2020-09-15
Also published as: JP4357780B2; WO2001020713A1; US7416017B2; EP1218965A1; CA2383703A1; DE60033165D1; EP1218965B1; US20060293086A1; US7069975B1; AU7582300A; JP2003509870A; CA2383703C

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Vorrichtung zum Kühlen und, im Besonderen auf eine Vorrichtung zum Kühlen, die ein Phasenänderungsmaterial enthält und geeignet ist zur Verwendung mit einer Phased Array Antennenanlage.
Hintergrund der Erfindung
Phased Array Antennenanlagen werden häufig in Satelliten verwendet, um zum Beispiel die Kommunikation zwischen einem Satelliten und einer Bodenstation auf der Erde zur Verfügung zu stellen. Während der Satellit durch seine Umlaufbahn läuft, gibt es Teile der Umlaufbahn, in der die Satellitenantennenanlage mit der Bodenstation kommunizieren kann, und Teile der Umlaufbahn, in der die Krümmung der Erde eine solche Kommunikation verhindert. Folglich wird die Antennenanlage während Teilen der Umlaufbahn betrieben und wird während anderer Teile der Umlaufbahn nicht betrieben.
Entwürfe für Phased Array Antennenanlagen nach dem Stand der Technik umfassen die Verwendung von Miniature Microwave Integrated Circuits (MMICs), die in enger Nachbarschaft zu den Antennenelementen angeordnet sind. Die enge Nachbarschaft der MMICs und Antennenelemente hilft, Phasenverzögerung in den Radiofrequenzsignalen innerhalb der Antennenanlage zu reduzieren. Andererseits erzeugen die MMIC Komponenten ein wesentliches Maß an Wärme. Wenn sie nicht geeignet gekühlt werden, kann dies den Antennenbetrieb behindern. Im Besonderen müssen Temperaturgefälle über das Antennenarray hinweg reduziert werden, weil signifikante Temperaturgefälle Phasenfehler in elektrische Radiofrequenzsignale im Inneren der Antennenanlage einbringen, die wiederum zu Fehlern und/oder Ungenauigkeiten während des Antennenbetriebs führen.
In dieser Hinsicht nimmt das maximal zulässige Temperaturgefälle über das Array in dem Maße ab, wie die Betriebsgeschwindigkeit des Arrays erhöht wird. Wenn zum Beispiel das Phased Array bei einer Frequenz von etwa 5 GHz läuft, beträgt das maximal zulässige Temperaturgefälle über das Array hinweg etwa 20°C. Im Gegensatz dazu beträgt das maximal zulässige Temperaturgefälle über das Array hinweg, wenn das Array bei einer Frequenz von etwa 80 GHz läuft, nur etwa 1,3°C. Wenn das maximale Temperaturgefälle über das Array hinweg nicht innerhalb der entsprechenden Grenze gehalten werden kann, dann ist es notwendig, zusätzliche Schaltkreise in der Antennenanlage zur Verfügung zu stellen, um eine dynamische Phasenfehlerausgleichssteuerung zu bewirken. Natürlich steigern diese zusätzlichen Ausgleichsschaltkreise die Komplexität, die Kosten und das Gewicht des Phased Array. Es ist daher wünschenswert, eine Vorrichtung zum Kühlen zur Verfügung zu haben, die sowohl effizient wie auch wirkungsvoll ist.
Solch eine Vorrichtung zum Kühlen in der spezifischen Umgebung eines Satelliten zur Verfügung zu stellen, schließt einige relative strenge Entwurfskriterien ein. Die Vorrichtung zum Kühlen muss relativ kompakt und leicht an Gewicht sein. Weiter muss sie hoch zuverlässig sein und relativ wartungsfrei. Ein vorheriger Ansatz war, eine Vorrichtung zum Kühlen zur Verfügung zu stellen, die ein Gehäuse mit einer Kammer darin umfasste, wobei die Kammer sowohl ein Phasenänderungsmaterial als auch ein thermisch leitfähiges poröses Material enthielt. Obwohl solch eine Vorrichtung zum Kühlen im Allgemeinen für ihren beabsichtigten Zweck angemessen gewesen ist, war sie nicht in jeder Hinsicht zufrieden stellend gewesen.
Genauer gesagt ist es nicht immer möglich, Kühlung in einem Grad zu erreichen, der ausreichend ist, das Temperaturgefälle über die Oberfläche einer Antennenanlage hinweg innerhalb einer gewünschten Grenze zu halten, besonders dann, wenn die Betriebsfrequenzen zunehmen. Als ein Ergebnis und wie oben erwähnt, kann es notwendig sein, spezielle zusätzli che Schaltkreise in der Antennenanlage zur Verfügung zu stellen, um einen dynamischen Phasenausgleich zu bewirken, wodurch die Komplexität, die Kosten und das Gewicht der Antennenanlage gesteigert werden. Weiterhin ist die bekannte Vorrichtung zum Kühlen in Bezug auf Antennenanlagen, die ein entweder großes und/oder Hochleistungssysteme sind, nicht immer dazu in der Lage, eine ausreichend effiziente Kühlung zur Verfügung zu stellen, um Verbindungen der elektrischen Vorrichtungen bei Temperaturen aufrecht zu erhalten, die niedrig genug sind, um einen exakten und zuverlässigen Betrieb sicher zu stellen. Ein Ergebnis ist eine Verminderung der Genauigkeit und/oder Zuverlässigkeit der gesamten Antennenanlage. Ein Beispiel für ein Kühlsystem nach dem Stand der Technik, das ein Phasenänderungsmaterial und Wärmeröhren verwendet, kann in US 5386701 gefunden werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Aus dem Vorangestellten kann erkannt werden, dass sich ein Bedarf für ein Verfahren und ein Vorrichtung für das Bereitstellen einer wirkungsvollen und effizienten Kühlung mit einer Vorrichtung zum Kühlen ergeben hat, die kompakt, leicht und zuverlässig ist, und die über eine Vorrichtung hinweg, die gekühlt wird, konsistent und exakt Temperaturgefälle reduzieren kann, während sie eine größere Kühlkapazität zur Verfügung stellt, als bereits existierende Vorrichtungen zum Kühlen. Entsprechend der vorliegenden Erfindung werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, um diesen Bedarf zu adressieren, und diese umfassen: das Übertragen von Wärme auf ein Gehäuse, das in diesem eine Kammer aufweist, die ein Wärme absorbierendes Material enthält, wobei das Wärme absorbierende Material ein poröses Material und ein Phasenänderungsmaterial umfasst; das Verteilen der Wärme im Inneren des Wärme absorbierenden Materials, umfassend die Verwendung einer Wärmeröhre in dem Gehäuse, um die Verteilung der Wärme zu erleichtern; und zu bewirken, dass das Wärme absorbierende Material die Wärme absorbiert.
Kurze Beschreibung der Figuren
Ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung wird durch die nachfolgende detaillierte Beschreibung erzielt, die in Verbindung mit den begleitenden Figuren ausgeführt wird, in denen:
1 eine diagrammatische perspektivische Einzelteildarstellung auf eine Vorrichtung zum Kühlen ist, die die vorliegende Erfindung verkörpert;
2 eine diagrammatische Seitenansicht der Vorrichtung zum Kühlen gemäß 1 in einer nicht explodierten Ausführungsform ist;
3 eine Vorderansicht der Vorrichtung zum Kühlen ist, ausgeführt im Schnitt entlang der Linie 3-3 gemäß 2;
4 eine rückseitige Ansicht auf die Vorrichtung zum Kühlen ist, ausgeführt im Schnitt entlang der Linie 4-4 gemäß 2;
5 eine Seitenansicht der Vorrichtung zum Kühlen ist, ausgeführt im Schnitt entlang der Linie 5-5 gemäß 3;
6 eine perspektivische Ansicht eines Ausdehnungsspeichers ist, der eine Komponente der Vorrichtung zum Kühlen gemäß den 1-5 ist;
7 eine Ansicht des Endes des Ausdehnungsspeichers gemäß 6 ist;
8 eine diagrammatische seitliche Ansicht des Ausdehnungsspeichers gemäß 6 ist, ausgeführt im Schnitt entlang der Linie 8-8 gemäß 6;
9 eine diagrammatische perspektivische Einzelteilansicht auf die Vorderseite einer Antennenanlage ist, die die Vorrichtung zum Kühlen gemäß den 1-8 umfasst; und
10 eine diagrammatische perspektivische Einzelteilansicht auf die Rückseite der Antennenanlage gemäß 5 ist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 ist eine diagrammatische perspektivische Einzelteilansicht auf eine Vorrichtung zum Kühlen 10, die die vorliegende Erfindung verkörpert. Die Vorrichtung zum Kühlen 10 umfasst ein durch zwei Gehäuseteile 12 und 13 definiertes Gehäuse. Die Vorrichtung zum Kühlen 10 umfasst weiterhin eine Vielzahl von in dem Gehäuse angeordneten sektorförmigen porösen Elementen, wovon zwei durch die Bezugszeichen 17 und 18 in 1 gekennzeichnet sind. Die Gehäuseteile 12-13 und die porösen Teile 17-18 werden alle später detaillierter beschrieben. Die Vorrichtung zum Kühlen 10 umfasst auch ein Phasenänderungsmaterial, das in den Aussparungen im Inneren der porösen Elemente 17-18 angeordnet ist und in 1 auf diese Weise nicht gesondert sichtbar ist. Die Vorrichtung zum Kühlen 10 umfasst auch drei Ausdehnungsspeicher, die nicht in 1 beschrieben werden, die aber später detaillierter beschrieben werden.
In der offenbarten Ausführungsform werden die Gehäuseteile 12 und 13 jedes aus einem thermisch leitfähigen Material hergestellt. Das thermisch leitfähige Material der Gehäuseteile 12 und 13 ist so gewählt, dass es einen Koeffizienten der thermischen Ausdehnung aufweist, der im Wesentlichen dem von einer Anordnung oder einer Vorrichtung gleicht, die von der Vorrichtung zum Kühlen 10 gekühlt werden soll. In der offenbarten Ausführungsform werden die Gehäuseteile 12 und 13 jeweils aus Aluminium hergestellt. Jedoch könnten alternativ andere thermisch leitfähige Materialien verwendet werden, zum Beispiel so, dass das Gehäuse einen Koeffizienten der thermischen Ausdehnung aufweist, der sich von dem von Aluminium unterscheidet. Zum Beispiel könnten die Gehäuseteile alternativ aus Aluminiumsiliziumkarbid (AlSiC) hergestellt werden.
2 ist eine Seitenansicht der Vorrichtung zum Kühlen 10 in einem zusammengesetzten Zustand. Die 3 und 4 sind diagrammatische vorder- und rückseitige Sichten im Schnitt auf die Vorrichtung zum Kühlen 10, ausgeführt entlang der Schnittlinien 3-3 beziehungsweise 4-4 gemäß 2. 3 ist in Wirklichkeit eine Ansicht der Vorrichtung zum Kühlen 10 ohne den Gehäuseteil 13.
Sich auf 3 beziehend, ist der Gehäuseteil 12 ein einzelnes festes Stück Aluminium, das ungefähr die Form einer Scheibe aufweist. Der Gehäuseteil 12 weist acht sektorförmige Aussparungen 21-28 auf, die maschinell in einer Seite davon ausgearbeitet sind, die dem Gehäuseteil 13 gegenüber liegt. Die Aussparungen 21-28 gehen nicht durch die gegenüberliegende Seite des Gehäuses hindurch. Ein zylindrischer Nabenteil 31 ist koaxial im Zentrum des scheibenförmigen Gehäuseteils 12 angeordnet, wobei Aussparungen 21-28 in gleichförmig verteilten Intervallen um den Nabenteil 31 herum umlaufend sind. Der Gehäuseteil 12 weist ebenfalls einen ringförmigen Randteil 32 auf, die sich umlaufend um die Außenseite der Aussparungen 21-28 herum erstreckt. Der Gehäuseteil 12 weist weiterhin acht Rippen 41-48 auf, die sich radial nach außen hin von der Nabe 31 zu dem Randteil 32 zwischen einem entsprechenden Paar der Aussparungen 21-28 erstrecken. Jede der Rippen 41-48 weist zwei Auskehlungen oder Nute 52-53 auf, die an gegenüber liegenden Enden der Rippe auf der Seite von dieser zur Verfügung gestellt werden und dem Gehäuseteil 13 gegenüber liegen. Die Nute 52-53 stellen einen Flüssigkeitsaustausch zwischen einem entsprechenden Paar der Aussparungen 21-28 zur Verfügung, welche auf gegenüber liegenden Seiten dieser bestimmten Rippe angeordnet sind. Die Auskehlung 52 wird angrenzend zur Nabe 31 in jeder Rippe an dem radialen Ende von dieser zur Verfügung gestellt, und die Auskehlung 53 wird in jeder Rippe an dem radialen Ende von dieser benachbart zum Randteil 32 zur Verfügung gestellt. Die Aussparungen 21-28 und die Auskehlungen 52-53 definieren zusammen eine Kammer im Inneren des Gehäuses.
Auf der Innenseite des Randteils 32 sind auf diametral gegenüberliegenden Seiten des Gehäuseteils 12 zwei nach innen vorspringende, halbzylindrische Grate angeordnet, die eine sich axial erstreckende Öffnung darin aufweisen, die einen entsprechenden Ausrichtungsstift 56 oder 57 aufnimmt. Die Ausrichtungsstifte 56 und 57 werden auf dem Gehäuseteil 13 zur Verfügung gestellt, wie später beschrieben.
Auf der äußeren Seite des Randteils 32 befinden sich acht radial sich nach außen hin erstreckende Auskragungen 61-68, jede umlaufend ausgerichtet auf eine entsprechende der Rippen 41-48. Die äußere Seite des Randteils 32 weist auch drei nach außen hin vorspringende Ansätze 72-74 auf, den Ansatz 72, der zwischen den Auskragungen 62 und 63 angeordnet ist, den Ansatz 73, der zwischen den Auskragungen 64 und 65 angeordnet ist, und den Ansatz 74, der zwischen den Auskragungen 66 und 67 angeordnet ist. Die Ansätze 72-74 weisen darauf je eine entsprechende nach außen hin liegende flache Oberfläche 76-78 auf. Zwei Auskragungen 81 und 82 ragen radial nach außen hin vom Randteil 32 hervor und sind zwischen den Auskragungen 61 und 68 angeordnet. Außerdem weist der Randteil 32 vier radial nach außen hin vorspringende Laschen 86-89 auf, welche in gleichförmigen Intervallen umlaufend verteilt sind, und welche jeweils eine axiale Öffnung durch diese hindurch aufweisen.
5 ist eine entlang der Linie 5-5 gemäß 3 abgenommene Seitenansicht im Schnitt. Sich auf die 4 und 5 beziehend, erstreckt sich ein zentraler axialer Durchgang 92 von einer Seite des Gehäuseteils 12 gegenüber dem Gehäuseteil 13 koaxial in die zylindrische Nabe 31. Der Durchgang 92 erstreckt sich zu einem Ort nahe dem Gehäuseteil 13, führt aber keine Öffnung durch die Seite des Gehäuseteils 12 aus, der dem Gehäuseteil 13 gegenüber liegt.
Jede der sich radial erstreckenden Rippen 41-48 weist eine sich durch diese hindurch erstreckende entsprechende radiale Öffnung 101-108 auf. Die Öffnungen 101-108 stehen je weils an irrem radialen inneren Ende mit dem Durchgang 92 und jeder Öffnung durch das radiale äußere Ende einer entsprechenden der Auskragungen 61-68 in Verbindung. Ein Teil jeder Öffnung 101-108, die im Inneren der zugehörigen Auskragung 61-68 ist, ist von leicht größerem Durchmesser als der Rest dieser Öffnung und ist innerlich mit einem Gewinde versehen. Ein nicht veranschaulichter Gewindestehbolzen kann im äußeren Ende von jeder der Öffnungen 101-108 zur Verfügung gestellt werden, wie zum Beispiel an 112 gezeigt. Der Stehbolzen 112 ist jedoch optional. Der Stehbolzen 112 liegt in der offenbarten Ausführungsform nicht vor und wird deshalb in 4 nur in gestrichelten Linien gezeigt.
Mit Bezug auf die 2 und 4, erstrecken sich drei Öffnungen 116-118 jeweils zentral durch einen entsprechenden der Ansätze 72-74 und auch durch den Randteil 32. Die Öffnungen 116-118 öffnen sich jede durch eine entsprechende der Oberflächen 76-78, die an den äußeren Enden der Ansätze 72-74 zur Verfügung gestellt sind. Weiterhin öffnen sich die Öffnungen 116-118 jede in eine entsprechende der Aussparungen 23, 25 und 27 an einem radialen äußeren Ende der Aussparung. Wie am besten aus 2 zu ersehen ist, sind vier Gewindelöcher 121-124 umlaufend um jede der Öffnungen 116-118 herum verteilt. Die Gewindelöcher 121-124 sind Blindlöcher, die nicht mit dem Inneren des Gehäuseteil 12 in Verbindung stehen. Wie am besten aus 2 zu ersehen ist, weist jede der Auskragungen 81-82 eine entsprechende Füllöffnung 127-128 auf, die sich radial dort hindurch erstrecken, wobei jede der Füllöffnungen 127-128 an ihrem radial inneren Ende mit der Aussparung 21 im Gehäuseteil in Verbindung steht und öffnen sich an ihrem radial äußeren Ende durch eine Oberfläche am radial äußeren Ende der zugehörigen Auskragung 81 oder 82. Die Füllöffnungen 127 und 128 sind mit einem Gewinde versehen, so dass sie jeweils von einem entsprechenden Bolzen oder Stehbolzen verschlossen werden können, der nicht veranschaulicht wird. Alternativ dazu können sie je durch einen Einpressstopfen eines Typs verschlossen werden, wie er jenen, die in der Technik ausgebildet sind, bekannt ist.
Mit Bezug auf 3, weisen die Aussparungen 21, 23-25 und 27-28 jede ein entsprechendes der sektorförmigen porösen Elemente 17 darin auf, und die Aussparungen 22 und 26 weisen jede ein entsprechendes der sektorförmigen porösen Elemente 18 darin auf. Der einzige Unterschied zwischen den porösen Elementen 17 und 18 ist, dass die porösen Elemente 17 jeweils in der radial äußeren Oberfläche davon eine quer laufende Auskehlung 132 aufweisen, die breit und seicht ist. Wie weiter oben erwähnt, werden die porösen Elemente 17 und 18 jeweils aus einem Aluminiumschaum hergestellt. In der offenbarten Ausführungsform ist das von jedem der porösen Elemente 17 und 18 eingenommene effektive Volumen 15% Aluminium und 85% leerer Raum. Ein geeignetes Material für die porösen Elemente 17 und 18 ist aus ERG Materialien und von der Aerospace Corporation, Oakland, Kalifornien unter dem Handelsnamen DUOCEL kommerziell verfügbar. Die porösen Elemente 17 und 18 sind jedes so in einer Größe ausgeführt, dass alle äußeren Oberflächen davon in Eingriff mit entweder dem Gehäuseteil 12 oder dem Gehäuseteil 13 sind, außer dass Oberflächen im Inneren der Auskehlungen 132 der porösen Elemente 17 mit keinem der Gehäuseteile in Verbindung stehen.
Wie am besten aus den 1 und 4 zu ersehen ist, ist der Gehäuseteil 13 eine Aluminiumplatte. Eine Vielzahl von Öffnungen 133 erstreckt sich quer durch den Gehäuseteil 13 an verteilten Orten davon und entlang der peripheren Kante davon. Weiterhin umfasst der Gehäuseteil 13 die zwei oben erwähnten Ausrichtungsstifte 56 und 57, die nahe zu gegenüber liegenden Seiten der Aluminiumplatte 13 angeordnet sind, die jeder ein starr in der Platte 13 befestigtes Ende aufweisen, und die jeder in Richtung des Gehäusteils 12 vorspringen. Im Besonderen, wie am besten aus den 3 und 5 zu ersehen ist, erstrecken sich die Stifte 56 und 57 jeweils in eine in den Graten auf den inneren Oberflächen des Randteils zur Verfügung gestellte entsprechende Öffnung 32 des Gehäuseteils 12. In der offenbarten Ausführungsform sind die Gehäuseteile 12 und 13 in Vakuum mit einander hartverlötet, um die Gehäuseteile abdichtend mit einander zu befestigen. Die Stifte 56 und 57 halten die Gehäuseteile 12 und 13 zu einander ausgerichtet, bis diese mit einander hartverlötet worden sind. Während des Hartlötprozesses werden äußere Oberflächen von jedem der porösen Elemente 17 und 18 an die Oberflächen des Gehäuses, einschließlich Oberflächen auf der Metallplatte 13, Oberflächen auf den radialen Rippen 41-48 und der rückseitigen Oberfläche von jeder der Aussparungen 21-28 hartgelötet.
Jede der radialen Öffnungen 101-108 weist eine entsprechende Wärmeröhre darin auf, von denen eine bei 141 in 4 gezeigt wird. Geeignete Wärmeröhren 141 sind kommerziell verfügbar, ein geeignetes Beispiel dafür sind die von der Dynatherm Corporation aus Hunt Valley, Maryland, als Dynatherm 0476-1000 kommerziell verfügbaren Wärmeröhren. Die Wärmeröhren 141 in der offenbarten Ausführungsform weisen jede eine Hülle aus Aluminium auf und sind mit Ammoniak oder Pentan gefüllt. 4 weist gestrichelte Linien auf, die die Wärmeröhre 141 in ihrer eingesetzten Position zeigen. Das radial äußere Ende der Wärmeröhre 141 ist bei 142 gebördelt. Die Bördelung 142 ist ein inhärenter Teil der Anordnung der Wärmeröhre 141, die während ihrer Herstellung erzeugt wird, im Besonderen um die Wärmeröhre 141 abzudichten, nachdem sie befüllt worden ist.
Jede der Rippen 41-48 in der offenbarten Ausführungsform weist eine radiale Öffnung 101-108 durch diese hindurch auf und weist eine Wärmeröhre 141 in der radialen Öffnung auf. Es wird jedoch anerkannt werden, dass mehr als eine radiale Öffnung und eine Wärmeröhre in jeder der Rippen 41-48 zur Verfügung gestellt werden könnten.
In der offenbarten Ausführungsform wird jede der Wärmeröhren 141 durch ein thermisch leitfähiges Epoxidhaftmittel an Ort und Stelle im Inneren der zugehörigen Öffnung 101-108 befestigt, das nicht veranschaulicht wird. Zusätzlich zu dem Befestigen der Wärmeröhre 141 an Ort und Stelle erleichtert das thermisch leitfähige Haftmittel die Wärmeableitung zwischen der Hülle der Wärmeröhre 141 und den zugehörigen Alumi niumrippen 41-48, in deren Inneren die Wärmeröhre angeordnet ist. Zum Zweck der offenbarten Ausführungsform ist ein geeignetes thermisch leitfähiges Epoxidhaftmittel ein nicht entgasendes oder gering entgasendes Epoxid, wie zum Beispiel MILA-46146 RTV Beschichtung, die kommerziell von der Dow Corning Corporation aus Midland, Michigan, verfügbar ist.
Es ist alternativ dazu möglich, ein bekanntes thermisches Fett gegen das thermisch leitfähige Epoxid zu ersetzen. Ein geeignetes thermisches Fett ist kommerziell verfügbar von der Wakefield Engineering aus Beverly, Massachusetts, als Wakefield 120 thermisches Fett. In bestimmten Anwendungsfällen, zum Beispiel im Vakuum des Weltraums, kann ein thermisches Fett eine Tendenz aufweisen, zu fließen oder zu verdunsten. Deshalb verwendet die offenbarte Ausführungsform ein thermisch leitfähiges Epoxidhaftmittel statt einem thermischen Fett. Jedoch kann es für einige Anwendungen der Fall sein, dass ein thermisches Fett zufrieden stellend ist, weil es den Vorteil aufweist, den Wärmeröhren 141 zu ermöglichen sich auszudehnen. Im Fall dass ein thermisches Fett statt eines thermisch leitfähigen Epoxidhaftmittels verwendet wird, würde ein entsprechender Gewindestehbolzen 112 in das äußere Ende von jeder der Öffnungen 101-108 geschraubt, um die zugehörige Wärmeröhre 141 und ihr thermisches Fett in der richtigen Position zu halten.
Der Durchgang 92 in der Nabe 31 des Gehäuseteils 12 erlaubt es Luft, aus jeder der Öffnungen 101-108 zu entweichen, wenn die zugehörige Wärmeröhre 141 dort eingesetzt wird. Das Epoxidhaftmittel führt im Wesentlichen eine luftdichte Abdichtung um die Wärmeröhre 141 herum aus und in Abwesenheit des Durchgangs 92 würde Luft am inneren Ende von jeder der Öffnungen 101-108 eingeschlossen und verdichtet und würde auf diese Weise dazu tendieren, die Wärmeröhre 141 radial nach außen hin zu drängen, ganz wie der Kolben von einem hydraulischen Zylinder. Der Durchgang 92 erlaubt es Luft, aus den Öffnungen 101-108 zu entweichen, um dieses Problem zu vermeiden. Sobald die Wärmeröhren 141 installiert worden sind, wird der Durchgang 92 auf eine entsprechende Art abgedichtet. Zum Beispiel kann der Durchgang 92 mit einem Gewinde versehen sein, und ein (nicht veranschaulichter) Gewindestehbolzen kann in den Durchgang 92 eingefügt werden. Alternativ dazu kann ein Einpressstopfen einer den Personen aus der Technik bekannten Art in den Durchgang 92 eingesetzt werden.
Die 6-8 zeigen einen Ausdehnungsspeicher 151, der eine handelsübliche Vorrichtung ist. Der Ausdehnungsspeicher 151, der bei der offenbarten Ausführungsform verwendet wird, kann zum Beispiel von EG&G aus Daytona Beach, Florida, als Teilenummer 59450 bezogen werden. Der Ausdehnungsspeicher 151 umfasst eine rechteckige Platte 152 und ein zylindrisches Rohr 153, welches sich senkrecht erstreckt zu und befestigt ist an einer Seite der Platte 152. Die Platte 152 weist eine zentrale Öffnung 156 dort hindurch auf, welche mit dem Inneren des Rohrs 153 in Verbindung steht. Die Platte 152 weist auf einer Seite davon gegenüber dem Rohr 153 eine ringförmige Auskehlung 157 auf, die sich konzentrisch um die Öffnung 156 herum erstreckt. Die Auskehlung 157 weist einen Standard O Ring aus Silikongummi darin auf, der aus den 7 und 8 zum Zweck der Übersichtlichkeit weggelassen worden ist. Die Platte 152 weist vier Löcher 161-164 durch diese hindurch auf, die an umlaufend verteilten Orten um die Öffnung 156 herum zur Verfügung gestellt werden.
Mit Bezug auf die 6 und 8 umfasst das Rohr 153 an seinem von der Platte 152 entfernten Ende einen radial nach innen vorspringenden ringförmigen Flansch 167. Der Ausdehnungsspeicher 151 umfasst im Inneren des Rohrs 153 ein rohrförmiges Dehngefäß 168, von dem ein Ende abdichtend mit dem Flansch 167 verbunden ist. Eine Platte 169 ist abdichtend mit dem gegenüber liegenden Ende des Dehngefäßes 168 verbunden, und kann sich axial im Inneren des Rohrs 153 bewegen. Das Dehngefäß dehnt sich aus und zieht sich zusammen, wenn sich die Platte 169 axial im Inneren des Rohrs 153 bewegt.
Drei der Ausdehnungsspeicher 151 sind an dem Gehäuseteil 12 befestigt. In größerem Detail weist 3 gestrichelte Linien auf, die zeigen, wie einer der Ausdehnungsspeicher 151 mit dem Ansatz 73 verbunden ist. In dieser Hinsicht ist die Platte 152 benachbart zu der Oberfläche 77 auf dem Ansatz 73 angeordnet. Vier nicht veranschaulichte Schrauben erstrecken sich jeweils durch ein entsprechendes der Löcher 161-164 in der Platte und greifen verschraubt in ein entsprechendes der in dem Ansatz 73 zur Verfügung gestellten Gewindelöcher 121-124 ein. (2). Der nicht veranschaulichte O Ring, der in der ringförmigen Auskehlung 157 zur Verfügung gestellt wird, greift in die Oberfläche 77 auf dem Ansatz 73 ein, um eine Dichtung zwischen dem Speicher 151 und dem Gehäuseteil 12 zu erzeugen. Die anderen zwei Ausdehnungsspeicher 151 sind an den Ansätze 72 und 74 auf eine ähnliche Weise befestigt.
Wie weiter oben erwähnt, weist das Gehäuse 12-13 ein darin enthaltenes Phasenänderungsmaterial von einer bekannten Art auf. Genauer gesagt, nachfolgend dem Zusammenbau der verschiedenen Komponenten der Vorrichtung 10, die weiter oben beschrieben wurden, wird das Phasenänderungsmaterial in einer im Allgemeinen flüssigen Form durch die Füllöffnungen 127 und 128, die in den Auskragungen 81 und 82 gemäß 2 zur Verfügung gestellt sind, in das Gehäuse eingebracht. Wie weiter oben erwähnt, definieren die Aussparungen 21-28 und die Nute 52-53 eine Kammer im Inneren des Gehäuses, und etwa 15% des gesamten Raumes in der Kammer wird von Material der porösen Elemente 17-18 eingenommen. Auf diese Weise fließt das Phasenänderungsmaterial, da es durch eine oder beide der Füllöffnungen 127-128 eingebracht wird, durch die Aussparungen 21-28 und die Nute 52-53, bis es im Wesentlichen den ganzen Raum im Inneren der Aussparungen und Nute füllt, außer dem schon von den porösen Elementen 17-18 eingenommenen. Während dieses geschieht, entweicht Luft aus dem Inneren der Kammer durch die Öffnungen 127 und 128, da diese von dem Phasenänderungsmaterial verschoben wird. Wenn im Wesentlichen die ganze Luft im Inneren der Kammer durch ein Phasenänderungsmaterial ersetzt worden ist, werden die Öffnungen 127 und 128 zum Beispiel durch Einsetzen eines entsprechenden Gewindestehbolzens oder einer Schraube abgedichtet.
Das Phasenänderungsmaterial absorbiert Wärme leicht, aber ist selbst kein guter thermischer Leiter. Dementsprechend erleichtert der Aluminiumschaum die Verteilung der Wärme im Inneren des in der Kammer des Gehäuses angeordneten Phasenänderungsmaterials. Geeignete Phasenänderungsmaterialien sind kommerziell verfügbar. In der offenbarten Ausführungsform ist das Phasenänderungsmaterial n-Dotriacontan (A-32-99), das C₁₆H₃₄ umfasst, und kann kommerziell von der Humphrey Chemical Company aus North Haven, Connecticut, bezogen werden.
Die 9 und 10 sind diagrammatische perspektivische Einzelteilansichten auf eine Antennenanlage 179, die zwei Kühlsysteme der bei 10 in den 1-8 offenbarten und weiter oben beschriebenen Art umfassen. Ausdrücklicher umfasst die Antennenanlage 179 zwei Gehäuseteile 181 und 182, die jedes dem Gehäuseteil 12 in der Struktur ähnlich sind. Weiterhin weist die Antennenanlage 179 eine einzelne Platte 183 auf, die angeordnet ist zwischen und hartverlötet mit jedem der Gehäuseteile 181-182, und die dem Gehäuseteil 13 in der Ausführungsform gemäß den 1-8 entspricht. Ein erster Satz von porösen Elementen 186 wird im Gehäuseteil 181 zur Verfügung gestellt, und ein zweiter Satz von porösen Elementen 187 wird im Gehäuseteil 182 zur Verfügung gestellt. Abgesehen von der Tatsache, dass die Platte 183 von diesen zwei Kühlsystemen geteilt wird, können die Kühlsysteme jedes effektiv äquivalent der oben in Verbindung mit den 1-8 beschriebenen Vorrichtung zum Kühlen 10 sein. Eine Phased Array Antennenanlage 189 ist gegenüber dem Gehäuseteil 182 auf die Seite des Gehäuseteils 181 montiert. Die Antenne 189 umfasst eine Vielzahl von Antennenelementen, wie auch nicht veranschaulichte Schaltungskomponenten, die elektrisch mit den Antennenelementen zusammenarbeiten. Die nicht veranschaulichten Schaltungskomponenten können Miniature Microwave In tegrated Circuits (MMICs) umfassen, die während des Betriebs ein wesentliches Maß an Wärme erzeugen. Die in den 9-10 gezeigten zweifachen Kühlsysteme werden zur Verfügung gestellt, um diese Wärme während des Betriebs der Antennenanlage 179 zu absorbieren. Zum Zweck der Übersichtlichkeit zeigen die 9 und 10 nicht alle Komponenten der zwei zweifachen Kühlsysteme. Jedoch kann es abgesehen von der Tatsache, dass eine gemeinsame Platte 183 zwischen den zwei Kühlsystemen geteilt wird, sein, dass jedes der Kühlsystems der oben in Verbindung mit den 1-8 offenbarten Vorrichtung zum Kühlen 10 effektiv äquivalent ist.
Der Betrieb der Vorrichtung zum Kühlen 10 gemäß den 1-8 ist wie folgt. Wärme wird in die Vorrichtung zum Kühlen 10 typischerweise durch Anwenden der Wärme auf die Oberfläche des Gehäuseteils 13 eingebracht, der gegenüber liegend von Gehäuseteil 12 ist, oder auf die Oberfläche des Gehäuseteils 12, der gegenüber liegend von Gehäuseteil 13 ist. Da die Gehäuseteile 12 und 13 mit einander und mit den porösen Elementen 17-18 hartverlötet sind und da diese Teile alle aus Aluminium hergestellt sind, tendiert die Wärme dazu, sich im Inneren dieser Teile zu verteilen. Die Wärmeröhren im Inneren der Rippen 41-48 helfen, eine relativ gleichförmige Verteilung der Wärme entlang jeder der Rippen zu ermöglichen.
Auf Grund des Kontakts mit den Gehäuseteilen 12 und 13 und den porösen Elementen 17-18 darin absorbiert das Phasenänderungsmaterial im Inneren des Gehäuses die Wärme. Im Besonderen absorbiert, wie weiter oben beschrieben, das Phasenänderungsmaterial die Wärme, aber ist selbst kein besonders guter thermischer Leiter. Die porösen Elemente 17-18 erleichtern die Verteilung der Wärme überall in dem Phasenänderungsmaterial, ohne zu erfordern, dass die Wärme zu weit durch das Phasenänderungsmaterial selbst fließt. Während das Phasenänderungsmaterial Wärme absorbiert, ändert es seinen Phasenzustand.
Die Vorrichtung zum Kühlen 10 ist zur Verwendung in Anwendungen bestimmt, in denen Wärme von der Antennenanlage in intermittierenden Intervallen erzeugt wird. Zum Beispiel kann eine durch die Vorrichtung zum Kühlen 10 gekühlte Antennenanlage in einem Satelliten nur während ausgewählter Teile der Umlaufbahn dazu in der Lage sein zu arbeiten, nämlich während Teilen, während derer die Antenne eine ganz gerade Linie der Kommunikation an eine Bodenstation aufweist. Auf diese Weise erzeugt die Antennenanlage während bestimmter Teile der Umlaufbahn Wärme, die von der Vorrichtung zum Kühlen 10 absorbiert wird, und während anderer Teile der Umlaufbahn ist die Antennenanlage im Leerlauf, und die Vorrichtung zum Kühlen 10 leitet die Wärme langsam ab, die sie zuvor absorbiert hat.
Wenn das Phasenänderungsmaterial fortfährt, Wärme zu absorbieren, nachdem es den Phasenzustand ändert, beginnt es schließlich, sich im Volumen auszudehnen. Die Vorrichtung zum Kühlen 10 ist so gestaltet, dass es unter erwarteten Betriebsbedingungen wenig oder keine signifikante volumetrische Expansion des Phasenänderungsmaterial geben sollte. Jedoch kann es in ungewöhnlichen Umständen notwendig sein, dass die Vorrichtung zum Kühlen 10 mehr Wärme absorbiert, als wofür sie normalerweise entworfen wurde zu absorbieren. Dies ist der Grund, warum die drei Speicher 151 zur Verfügung gestellt werden. Im Besonderen wenn die Vorrichtung zum Kühlen 10 ausreichende Wärme absorbiert, dass das Phasenänderungsmaterial beginnt, sich im Volumen bedeutend auszudehnen, dann kann das Phasenänderungsmaterial in die Speicher 151 fließen, im Besonderen durch radial nach außen hin Drücken der Platte 169 von jedem der Speicher 151, dadurch bewirkend, dass die zugehörigen rohrförmigen Dehngefäße 168 verdichtet werden. Dies vermeidet Schaden an der Vorrichtung zum Kühlen 10 durch Vermeiden eines Aufbaus von internem Druck. Wenn die Vorrichtung zum Kühlen schließlich wieder abkühlt, wird das Phasenänderungsmaterial, das in die Speicher 151 geflossen ist, von den Federkräften des rohrförmigen Dehngefäßes 168 zurück in das Gehäuse gedrängt.
Mit Bezug auf 4 und wie oben erwähnt, weisen die porösen Elemente 17 in den Aussparungen 21, 23, 25 und 27 dort jeweils eine Auskehlung 132 auf. Die Auskehlungen 132 in diesen porösen Elementen erleichtern den Fluss des Phasenänderungsmaterials durch die Öffnungen 116-118 und durch die Füllöffnungen 127-128. Die porösen Elemente 17 in den Aussparungen 24 und 28 weisen ebenfalls die Auskehlungen 132 auf, aber für den Zweck der Aufnahme der halbzylindrischen Grate, die auf der inneren Oberfläche des Randteils 32 des Gehäuses zur Verfügung gestellt sind. Die porösen Elemente 18 in den Aussparungen 22 und 26 weisen die Auskehlungen 132 nicht auf. Dies soll den Oberflächenbereich der porösen Elemente 18 maximieren, der in Kontakt mit dem Randteil 32 des Gehäuseteils 12 und mit dem Phasenänderungsmaterial ist, um die Wärmeverteilung im Inneren des Gehäuses und des Phasenänderungsmaterials zu erleichtern.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Anzahl von technischen Vorteilen zur Verfügung. Im Besonderen werden thermische Gefälle über den vom offenbarten Kühlsystem gekühlten Bereich durch strukturelle Merkmalen wie zum Beispiel Wärmeröhren reduziert. Wenn das System spezifisch verwendet wird, um eine Phased Array Antennenanlage zu kühlen, stellt die Verminderung von thermischen Gefällen eine Verminderung von Phasenfehlern in den Radiofrequenzsignalen innerhalb der Antennenanlage zur Verfügung, so dass kein dynamischer Phasenausgleich in den Schaltkreisen selbst erforderlich ist, was wiederum die Komplexität und die Kosten der Schaltkreise der Antennenanlage reduziert. Eine weitere Erwägung ist, dass das offenbarte Kühlsystem kompakt und leicht im Gewicht ist und zur Verwendung in Anwendungen wie zum Beispiel einem Satelliten deshalb hoch geeignet ist, dennoch eine bessere Kühlung zur Verfügung stellt als zuvor bekannte Satellitenkühlanordnungen von vergleichbarer Größe und Gewicht.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die offenbarte Vorrichtung zum Kühlen auf der rückwärtigen Seite einer Phased Array Antennenanlage angeordnet werden kann und auf diese Weise er laubt, das thermische Design des Kühlsystems unabhängig von dem elektrischen und Radiofrequenzdesign der Antennenanlage zu optimieren. Noch ein weiterer Vorteil ist, dass die Vorrichtung zum Kühlen dazu fähig ist, einen höheren Grad von Wärmeableitung zu kühlen als vergleichbare bereits existierende Anordnungen, wodurch übermäßige Übergangstemperaturen in gekühlten Schaltungsvorrichtungen vermieden werden, was wiederum in reduzierten Ausfällen und höherer Zuverlässigkeit von elektrischen Komponenten resultiert.
Obwohl eine Ausführungsform veranschaulicht und im Detail beschrieben worden ist, sollte es verstanden werden, dass verschiedene Ersetzungen und Veränderungen darin gemacht werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel umfassen die radialen Rippen in der offenbarten Ausführungsform je ein Wärmeröhre, aber es wäre möglich, in jeder Rippe mehrere Wärmeröhren zur Verfügung zu stellen. Ein weiteres Beispiel ist, dass die Wärmeröhren und ihre zugehörigen Rippen so angeordnet sind, dass sie sich in der offenbarten Ausführungsform radial zu erstrecken, aber es möglich wäre, eine andere Konfiguration von Rippen und/oder Wärmeröhren zur Verfügung zu stellen. Noch ein weiteres Beispiel ist, dass die Wärmeröhren in der offenbarten Ausführungsform innerhalb von Rippen zur Verfügung gestellt werden, aber es wäre möglich, sie auf irgendeine andere Art in das Gehäuse zu integrieren.
Noch ein weiteres Beispiel ist, dass die Kammer innerhalb des offenbarten Gehäuses in der Form von mehrerer Teilen oder Aussparungen ausgeführt ist, die im Wesentlichen von einander getrennt sind und mit einander durch mehrere Nute in Verbindung stehen, aber das Gehäuse könnte so ausgeführt werden, dass sich die Rippen im Inneren der Kammer erstrecken, ohne diese in im Wesentlichen getrennte Teilbereiche zu unterteilen. Als ein noch weiteres Beispiel umfasst die offenbarte Ausführungsform mehrere Ausdehnungsspeicher, aber es wäre möglich, eine andere Art von Vorrichtung zu verwenden, um die Ausdehnung unterzubringen oder die Ausdehnungsspeicher für bestimmte Anwendungen wegzulassen.

Claims

Vorrichtung zum Kühlen (10), die nachfolgendes umfasst: ein Gehäuse (12, 13), das eine Kammer (21-28) in diesem aufweist; ein im Inneren besagter Kammer in besagtem Gehäuse angeordnetes Wärme absorbierendes Material, wobei das Wärme absorbierende Material ein poröses Material (17, 18) umfasst und ein Phasenänderungsmaterial, das im Inneren von besagter Kammer und von besagtem porösen Material (17, 18) angeordnet ist; und ein Wärmerohr (141), das im Inneren besagten Gehäuses angeordnet ist und funktionsfähig ist, um die Wärmeverteilung im Inneren des besagten Wärme absorbierenden Materials zu erleichtern; einschließlich einer Vielzahl von weiteren Wärmerohren (141); wobei besagtes Gehäuse eine Vielzahl von thermisch leitfähigen Rippen (41-48) umfasst, die sich im Inneren besagter Kammer erstrecken; und jede Rippe eine Öffnung (101-108) aufweist; wobei jede besagte Öffnung in dieser ein entsprechendes der besagten Wärmerohre aufweist; wobei besagte Kammer eine Vielzahl von Teilen umfasst, die im Wesentlichen durch besagte Rippen von einander getrennt werden, und wobei besagte Kammer eine Vielzahl von Kanälen (52, 53) umfasst, die in besagtem Gehäuse zur Verfügung gestellt sind und die den Austausch von Flüssigkeit zwischen besagten Teilen besagter Kammer erleichtern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei besagtes Gehäuse einen ersten thermisch leitfähigen Teil umfasst, der eine Vielzahl von in einer Seite davon zur Verfügung gestellten Aussparungen aufweist, wobei sich jedes besagte Teil von besagter Kammer in einer entsprechenden der besagten Aussparung befindet; wobei besagte Rippen Teile des besagten ersten Teils sind, die zwischen besagten Aussparungen angeordnet sind; wobei besagtes Gehäuse weiterhin einen thermisch leitfähigen zweiten Teil umfasst, der entgegen besagte eine Seite des besagten ersten Teils angeordnet ist; und wobei besagte Kanäle jeder eine quer laufende Auskehlung sind, die in einer entsprechenden besagten Rippe auf einer zu besagtem zweiten Teil benachbarten Seite von dieser zur Verfügung gestellt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei sich besagte Rippen radial in entsprechenden verschiedenen Richtungen erstrecken; wobei sich besagte Öffnungen in besagten Rippen radial erstrecken; und wobei besagte Teile besagter Kammer jedes in der Form eines Sektors ist und jedes zwischen einem entsprechenden Paar besagter Rippen angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die einen Ausdehnungsspeicher umfasst, der in Flüssigkeitsaustausch mit besagter Kammer steht, der einen Teil des besagten Wärme absorbierenden Materials von besagter Kammer aufnimmt, wenn sich besagtes Wärme absorbierendes Material in Reaktion auf eine Zunahme der Temperatur ausdehnt, und der besagten Teil des besagten Wärme absorbierenden Materials in besagte Kammer zurückführt, wenn besagtes Wärme absorbierendes Material sich in Reaktion auf ein Abnahme der Temperatur zusammenzieht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die in jedem besagten Teil besagter Kammer ein aus einem porösen Material hergestelltes thermisch leitfähiges Element beinhaltet.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei besagtes Gehäuse und besagte thermisch leitfähige Elemente alle aus einem Metall hergestellt sind und wobei besagte thermisch leitfähige Elemente jedes hartgelötet ist auf Oberflächen des besagten Gehäuses, die die besagte Kammer definieren.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei besagtes Wärme absorbierendes Material ein Phasenänderungsmaterial ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die eine Antennenanlage umfasst, die mit besagtem Gehäuse verbunden ist, und die Wärme erzeugt, die auf besagtes Gehäuse übertragen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei besagtes Wärme absorbierendes Material ein Phasenänderungsmaterial ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede besagte Öffnung ein erstes Ende aufweist, das durch einen Durchgang in besagtem Gehäuse mit einem Ort außerhalb des besagten Gehäuses kommuniziert.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei jede besagte Öffnung ein zweites Ende aufweist, das entfernt von besagtem erstem Ende ist und das sich nach außen hin durch eine äußere Oberfläche des besagten Gehäuses öffnet.