Новое — хорошо забытое старое

В 1834 г. французский ученый Жан Шарль Пельтье решил определить, как изменяется температура вдоль однородного и вдоль разнородного проводников под влиянием электрического тока. Опыты принесли неожиданность: при протекании тока по разнородному проводнику в одном его спае тепло поглощалось, в то время как в другом выделялось. Другими словами, если температуру горячего спая поддерживать тем или иным способом на определенном уровне, то с помощью холодного спая можно охладить тело до более низких температур. В 1838 г. русскому ученому Э.X. Ленцу таким образом удалось заморозить каплю воды.

Чрезвычайно малая эффективность первых термоэлектрических холодильников, основанных на открытии Пельтье, стала основной причиной того, что они длительное время не находили практического применения. В конце 40-х годов XX в. этим явлением заинтересовался академик А.Ф.Иоффе — появившиеся новые полупроводниковые материалы позволяли надеяться на улучшение характеристик этих холодильников. Исследования вскоре подтвердили это, и у нас в стране началось широкое конструирование различных приборов, основанных на этом эффекте. Такие приборы начали применяться, например, в медицине; на основе этого эффекта создаются кондиционеры и даже (пока экспериментальные) холодильники.

В 60–70-е годы эффект Пельтье начал применяться и в космической технике для решения различных тепловых задач. Известно, что ряд элементов радиоэлектронной аппаратуры лучше работает при низких температурах. В то же время на борту космического аппарата могут находиться устройства, не допускающие сравнительно, большого охлаждения. В результате возникает противоречие между требуемым температурным режимом одних и других элементов, устройств и т.п. Для выхода из этого противоречия и используют в ряде случаев эффект Пельтье. При этом во всем гермоотсеке поддерживают сравнительно высокие значения температур, а элементы, требующие низких температур, дополнительно охлаждают с помощью этого эффекта.

Примером охлаждения с помощью термоэлектричества может служить охлаждение инфракрасных приемников оптических датчиков системы ориентации: На практике можно снизить температуру инфракрасного приемника на 60–65°С, но это не предел. При использовании нескольких термопар, специальным образом соединенных друг с другом (каскадное соединение), можно получить снижение температуры на 100°С и больше. На рис. 7 показана схема одного из таких соединений.

Рис. 7. Схема термоизоляционного холодильника:
1 — приемник лучистой энергии; 2 — медь; 3 — холодный спай; 4 — анодированный алюминий; 5 — теллурид висмута; 6 — источник электроэнергии; 7 — горячий спай.

Каждая термопара представляет собой небольшую пластинку полупроводника р— и n-типа, изготовленную, например; из теллурида висмута, соединенную с пластинками меди. Горячий спай каждой термопары соединяется с холодным спаем последующей так, чтобы в месте их стыка был хороший тепловой контакт. При прохождении по всей системе электрического тока холодный спай будет иметь температуру на 140°С ниже, чем горячий спай. Если на холодном спае разместить соответствующим образом оптический приемник, обеспечив по возможности минимальное тепловое сопротивление между спаем и приемником, то, очевидно, температура последнего будет существенно ниже температуры горячего спая. При этом, разумеется, от горячего спая тепло должно тем или иным способом отводиться для того, чтобы его температура (а, следовательно, и температура холодного спая) находилась на необходимом уровне.

К сожалению, сильное увеличение числа ступеней в каскаде невозможно из-за резкого падения эффективности их работы. Поэтому на практике обычно ограничиваются тремя-четырьмя каскадами.

Описанное термоэлектрическое устройство достаточно компактное: оно имеет площадь порядка 6 см2, потребляет ток 4 А при напряжении питания 6 В. Правда, из-за технологических трудностей изготовления теллурида висмута для работы при малых токовых нагрузках термоэлектрические устройства, выпускаемые промышленностью, используют ток большой силы (порядка 100 А) и малого напряжения (0,5 В).

В 1944 г. американцу Р.С. Гауглеру выдали патент на устройство для отвода тепла, получившее в последнее время название тепловой трубы. Идея, положенная в ее основу, настолько же проста, насколько оригинальна. Труба состоит из корпуса, на внутренней стороне которого располагаются продольные (или другие) микроканалы (капиллярная структура), с рабочим телом внутри трубы. Если один конец этого устройства нагревать, то жидкость может, разумеется, превращаться в пар, который заполнит трубу. Если же другой ее конец при этом охлаждать, то пар будет на нем конденсироваться и капельки жидкости под действием капиллярного напора будут двигаться по микроканалам к нагреваемому концу, где вновь происходит нагрев, испарение и т.д. Этот процесс непрерывный и сопровождается переносом тепла от горячего к холодному концу трубы. Идея тепловой трубы была забыта, и о ней вспомнили лишь в середине 60-х годов, когда она была вновь запатентована в США Т.Л. Уайтом, но уже как метод обеспечения теплового режима элементов космических аппаратов. Следует отметить, что применение этого метода в космической технике весьма привлекательно, так как он, во-первых, не требует затрат энергии для переноса тепла рабочим телом, во-вторых, достаточно прост и, в-третьих, позволяет обеспечить тепловой режим элементов, находящихся в местах, неудобных для охлаждения с помощью других методов. Кроме того, широкий ассортимент рабочих тел с различными температурами кипения позволяет обеспечить в принципе любую температуру охлаждаемых элементов.

К настоящему времени благодаря усилиям ученых различных стран появились тепловые трубы для решения широкого круга функциональных задач, весьма разнообразные по конструкции и своим характеристикам. Так, например, имеются трубы-диоды, передающие тепло только в одном направлении. Особенно целесообразно их применять в тех случаях, когда источник тепла 'Периодически отключается, а внешние фоновые потоки тепла сопоставимы с потоком от основного источника.

Если в паровой канал тепловой трубы ввести дополнительный газ, не конденсирующийся при условиях ее работы, то получится труба переменной проводимости. Этот неконденсирующийся газ вытесняется потоком пара в зону конденсации, где он, не участвуя в циркуляции, и скапливается. При определенных условиях между паром и газом устанавливается относительно резкая граница раздела: в той части охлаждаемой поверхности трубы, которая занята неконденсирующимся газом, теплоотвод будет практически отсутствовать. Длина блокированной газом части определяется в первую очередь температурой и давлением пара.

При повышении величины теплового потока, подводимого к нагреваемой части трубы, увеличиваются температура и, следовательно, давление пара, а значит, становится короче длина блокированной зоны, или, другими словами, увеличивается площадь теплоотвода. Уменьшение теплового потока, наоборот, уменьшает площадь съема тепла. Такая труба может обеспечить изменение передаваемой тепловой мощности более чем в 15 раз при незначительных изменениях температуры охлаждаемого ею элемента. Кроме того, ее использование позволяет также свести к минимуму колебания температуры этого элемента при изменении температуры холодильника.

С конца 60-х годов тепловые трубы на космических аппаратах применяются довольно часто. Так, например, на космическом аппарате "ГЕОС" (1968 г.) тепло от передатчика отводилось двумя алюминиевыми трубами, использовавшими в качестве рабочего тела аммиак, а на "ОАО-1" (1972 г.) бортовое вычислительное устройство охлаждалось с помощью стальной трубы переменной проводимости, работавшей на метиловом спирте. Зона конденсации в последнем случае представляла собой холодильник-излучатель; труба поддерживала температуру устройства на уровне 17±3°С. На некоторых космических аппаратах количество тепловых труб исчисляется десятками (так, на американской орбитальной станции "Скайлэб" их было 40, а на спутнике "АТС-6" — 55).

В конце 60-х — начале 70-х годов в разных странах проводились исследования, направленные на применение тепловых труб даже в таких теплонапряженных элементах космических аппаратов, как жидкостные ракетные двигатели (ЖРД). Весьма высокие температуры, характерные для этих двигателей, естественно, привели к попыткам использовать наиболее теплостойкие материалы для корпуса труб и высокотемпературные рабочие тела. Корпуса изготавливались, как правило, из пиролитического графита, велись исследования по применению для этих целей вольфрама. В качестве рабочего тела использовались литий и натрий, а также серебро.

B результате этих исследований были созданы трубы большой мощности — они снимали тепловые потоки, равные 7*10⁶ ккал/м²ч, что, вообще говоря, позволяло использовать их для охлаждения некоторых космических ЖРД: В начале 70-х годов фирмой "Тиокол" была разработана система охлаждения экспериментального ЖРД с использованием тепловых труб. Этот двигатель работал на окиси фтора и диборане и развивал тягу порядка 60 кгс при давлении в камере сгорания около 7 кгс/см². От горловины сверхзвукового сопла, где плотность теплового потока максимальна, тепло отводилось с помощью 8 радиально расположенных труб из пиролитического графита. Внешние (по отношению к двигателю), концы труб были соединены с кольцевым теплообменником, внутренняя стенка которого служила поверхностью конденсации паров рабочего тела; торцы труб, примыкавшие к горловине сопла, образовывали испарительную поверхность.

Несмотря на принципиальную пригодность использования тепловых труб в небольших ЖРД, пока не известно ни одного случая практического применения двигателя с такой системой охлаждения. Сколь ни эффективными кажутся рассмотренные в настоящем разделе методы отвода тепла от нагретых тел, все-таки следует признать, что и тепловые трубы, и устройства, основанные на явлении, открытом Пельтье, носят при решении, проблемы теплопередачи в космической технике лишь вспомогательный характер, позволяя решать сравнительно небольшой круг стоящих перед конструкторами задач.

Далее…