שימוש במדחסי טורבו לבניית לוויינים קלים יותר

קירור האלקטרוניקה בלוויני העתיד, יעשה כנראה על-ידי משאבות חום. הודות למדחסי הטורבו של Celeroton, משאבות החום יהיו יעילות יותר, קלות יותר וקומפקטיות יותר. השערה זו הוכחה באמצעות סדרה של ניסויים, אשר הניבו תוצאות חסרות תקדים.

האלקטרוניקה בלוויינים מייצרת חום עודף רב. על מנת למנוע מהמערכות חימום יתר, החום חייב להפלט לחלל על ידי רדיאטורים. כיום, הרדיאטור חייב להיות קר יותר מהמערכת כדי לאפשר הולכת חום החוצה. טמפרטורה ראדיאטור בסביבות 50 מעלות צלזיוס מחייבת רדיאטור כבד ומגושם.

כל עלייה של מעלה בטמפרטורת הרדיאטור מתבטאת בעלייה הגדולה פי 4 בכמות החום הנפלטת ממנו ליחידת שטח. כלומר, ככל שהראדיאטור חם יותר הוא יעיל יותר. על מנת לבנות לוויינים קלים וקומפקטים יותר, יש צורך להעלות את חום הראדיאטור. על-ידי העברת חום מהאלקטרוניקה לראדיאטור על-ידי משאבות חום, טמפרטורת הרדיאטור תגדל ומכאן גם יעילותו. מצב זה יוביל לחסכון במקום ומשקל. כאן חברת Celeroton השוויצרית נכנסת לתמונה. בעזרת מדחסי טורבו בעלי מהירות גבוהה, משאבות אלו יוכלו להיות קטנות, קומפקטיות ויעילות יותר, ובכך יחסכו אנרגיה.

המדחסים של חברת Celeroton הינם קטנים ובעלי יכולות גבוהות במיוחד. לדוגמא, מדחס טורבו במשקל של 500g מגיע ליחס לחצים של 1.3 וספיקה של 55g/s ביעילות של 90-95%. יכולות אלו הן תודות למנועי החברה מסוג Slot less permanent-magnet motors שמסוגלים להגיע למהירות שנעות בין 500,000 סל”ד ל-1,000,000 סל”ד. המנועים ממוסבים במיסבים מגנטיים או כדוריים בהתאם למהירות. על מנת להגיע לביצועים הללו חברת Celeroton משתמשת בבקרה ייעודית מתקדמת ועליה יורחב בהמשך.

ב-2012 מעבדת החלל הלאומית של הולנד,   (National Aerospace Laboratory) החלה בשיתוף פעולה עם חברת Celeroton  על מנת להפיק תועלת מפוטנציאל זה וסדרה של בדיקות וניסויים יצאה לדרך.

השימוש במוצרי Celeroton בלוויינים היה מותנה בדרישות סף הבאות:

משקל נמוך ונפח קטן

משקל הינו גורם קריטי כאשר בונים מוצרים לתעשיית החלל. לכן, על חלקי המערכת להיות קלים וקטנים ככל האפשר. המדחסים החדשים ביותר, מאפשרים יכולת קירור של 10 קילו-וואט, המשקל המקסימלי הוא 40 קילוגרמים, כאשר מדחסים מיועדים לתעשיית האוויר-חלל שוקלים כ-19 קילוגרמים. הדרישה של ה NLR עבור המדחסים והאלקטרוניקה יחד הייתה קטנה מ-2 קילוגרמים!

הבדלי טמפרטורה גדולים

על מנת להגיע ליכולת קירור מספקת, השימוש במשאבות החום חייב לאפשר לראדיטור להגיע לטמפרטורה של

45-100 מעלות צליזיוס. המדחסים הקיימים הטובים ביותר שניתן למצוא בשוק היום, תוכננו לטמפרטורה נמוכה הרבה יותר של כ-65 מעלות צליזיוס.

נצילות גבוהה

מלבד האנרגיה המשמשת להולכת החום לחלל, דגש ניכר הושם גם על צריכת האנרגיה של משאבות החום תוך כדי עבודתן, מכיוון ששטחם של הקולטים הסולארים של הלווין מוגבלים גם כן ויש חשיבות רבה לצריכה חסכונית של אנרגיה. NLR הציבו  (Coefficient Of Performance) של לפחות שתיים כמטרה, כלומר שהיחס בין החום היוצא לאנרגייה החשמלית הנצרכת ביחידות ג’אול הוא 2.

הפחתת רעידות

בתכנון המדחס יש לקחת בחשבון שלא יווצרו רעידות נוספות מעבר לרעידות שקיימות בלווין. המטרה הייתה רעידות חלשות מ-0.3 ניוטון. המדחסים שנמצאים היום בשימוש, מייצרים רעידות בעוצמה של כ-40 ניוטון.

בתחילת הפרוייקט, 12 סוגי מקררים אפשריים נבחנו. על מנת לעמוד בדרישות של ה-NLR, היה צורך בהפסדים קטנים. עובדה זו אפשרית רק בלחצים נמוכים, לכן גזים כגון CO2 לא היו יכולים לשמש למטרה זו והוחלט להשתמש בגז איזופנטאן (R601a). חישובים הראו שלחץ הגז היה צריך לעלות מ-1.76 אטמוספירות ל-7.2 אטמוספירות כלומר יחס לחצים של 4.1. להשגת מטרה זו, תוכננה מערכת עם שלושה מדחסי טורבו במהירות נומינלית של 190,000 סל”ד. מדחס הטורבו הראשון נבחר להיות

CT-17-700 עם טורבינה תלת-מימדית. עבור השני והשלישי נבחנו מדחסי טורבו עם טורבינה דו-מימדית. הבקרים אשר נבחרו היו שלושה CC-75-500.

בבקרים מתוצרתה, חברת Celeroton מיישמת שיטת בקרה ללא משוב Sensorless (בלי אנקודר ובלי חיישני הול) שפיתחה במיוחד. הבקרים הינם קלים לשימוש ומופעלים על-ידי תוכנה ייעודית בעלת ממשק משתמש נח וידידותי, שמאפשר כיול וקביעת פרמטרי בקרה אוטומטים. כל בקר ניתן לתפעל ב-PWM, ב-PWAM או ב-PAM.

המערכת הכוללת נבחנה בסדרת מדידות ב-NLR. מטרת המדידות הייתה לאשר את ביצועי המערכת (יחס לחצים, הספק, טמפרטורה וכו’). עם מקדם ביצועים של 2.6  ויעילות איזנטרופית של 68% בכח אידוי של 5.1 קילו-וואט התוצאות עלו הציפיות. לאחרונה, הפרוייקט הושלם בהצלחה רבה: בעזרת הניצולת המרשימה, חברת Celeroton הוכיחה בצורה יוצאת מגדר הרגיל את היישימות של מדחסי הטורבו לטובת קירור של לוויינים. עם זאת, על מנת להפוך את המערכת ליעילה ביישום אמיתי, נדרש פרויקט המשך.

מוצרי Celeroton מובילים בשוק מוצרי ההנשמה, מערכות הובלת אוויר, תאי דלק, פניאומטיקה, טורבינות גז, מוצרים דנטלים ורפואיים. לחברה מוצרים סטנדרטים רבים וכן תוכנית לפיתוח מוצרים המותאמים לדרישות האפליקציה והלקוחות.

הכתבה פורסמה על ידי חברת Celeroton שוויץ, ותורגמה על ידי דוידי אגמון מהנדס אפליקציות בחברת מדיטל קומוטק המובילה במתן פתרונות טכנולוגיים ובהספקת מערכות ורכיבי איכות לתעשיות ההיי-טק בישראל, שהינה נציגת חברת Celeroton בישראל.