專利名稱：一種快速響應(yīng)散熱儲(chǔ)能裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種散熱裝置，尤其涉及一種快速響應(yīng)散熱儲(chǔ)能裝置。屬于航天器熱控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
航天器熱控制技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力主要來自航天器未來任務(wù)發(fā)展的需求。對(duì)于航天器熱控制系統(tǒng)而言，推動(dòng)發(fā)展的關(guān)鍵因素包括功率水平、控制的溫度水平、溫度控制精度、 儀器熱流密度、熱輸送距離以及熱量排散的有效熱沉等。
隨著空間技術(shù)的發(fā)展，一些設(shè)備的局部或瞬時(shí)的功率可高達(dá)數(shù)百瓦/平方厘米， 如激光二極管、高功率傳感芯片、高功率定向能武器等。現(xiàn)有的冷卻方法已無法滿足要求， 近年來，NASA正在發(fā)展的微通道蒸發(fā)冷卻技術(shù)和噴霧冷卻技術(shù)有可能解決極高熱流密度的冷卻問題。但這些技術(shù)尚處于研究階段，離開實(shí)際應(yīng)用尚有相當(dāng)距離。
另外，隨著航天器上儀器的溫度控制范圍亦變的愈來愈窄，一般為士 1°C，一些空間光學(xué)系統(tǒng)為士 0. 1°C，更精密的已達(dá)mK量級(jí)。
因此，需要一種具有高效傳熱和高溫控精度的冷卻裝置，已經(jīng)成為制約航天器發(fā)展的瓶頸問題。急需微型高效的傳熱技術(shù)為其發(fā)展鋪平道路。而作為一種新型散熱冷卻技術(shù)，振蕩熱管因其尺寸小、重量輕和當(dāng)量傳熱量大等特點(diǎn)在這一領(lǐng)域顯示出了優(yōu)勢。然而， 雖然振蕩熱管的導(dǎo)熱系數(shù)很高，但是換熱面積卻有限。這使得振蕩熱管與熱匯間的熱阻仍然比較大。
振蕩熱管是在一封閉的蛇形回路毛細(xì)管中，充有一定量的工作介質(zhì)，該介質(zhì)在表面張力及冷熱端溫差的作用下形成氣液塞狀流，并隨機(jī)的出現(xiàn)在蛇形回路中，通過相變 (蒸發(fā)和冷凝)和氣液振蕩實(shí)現(xiàn)熱量傳遞。與普通熱管不同，振蕩熱管內(nèi)部不是單純的相變傳熱，而是集顯熱傳熱、相變傳熱、膨脹功于一體，涉及多物理學(xué)科、多參數(shù)的氣液兩相流系統(tǒng)。振蕩熱管體積小，結(jié)構(gòu)簡單。管徑小決定了整體尺寸小，符合航天器減重的需求。普通熱管受毛細(xì)限、沸騰性等的影響，其傳熱熱流密度有限。振蕩熱管可傳遞熱流密度非常高， 沒有普通熱管所特有的傳熱限制。Nishio等人的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了 lOOOW/cm2的熱流密度的傳遞。 振蕩熱管適應(yīng)性好，其形狀可以任意彎曲。這對(duì)航天器中復(fù)雜形狀器件的熱控制十分有利。
泡沫材料是近十年來新興的一種具有各方面優(yōu)異性能的新材料。根據(jù)孔隙平均直徑和孔隙結(jié)構(gòu)的不同，泡沫材料具有相當(dāng)大的比表面積，現(xiàn)有的泡沫材料的比表面積已經(jīng)超過10000m2/m3。而普通六面體的比表面積只有6m2/m3，常用翅片的比表面積也只有30 100m2/m3。大比表面積的泡沫材料應(yīng)用于散熱器使散熱器的散熱面積提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 另外，泡沫材料可以制造成各向異性材料。美國一家公司制作了一種高溫?zé)Y(jié)石墨泡沫，其密度只有固體石墨的10%，平面二維方向的導(dǎo)熱系數(shù)為233W/(m. °C )，厚度方向?qū)嵯禂?shù)為4.5W/(m. °C)。這種各向異性的導(dǎo)熱性能十分有利于做熱管的擴(kuò)展散熱面。垂直于熱管的平面方向的良好導(dǎo)熱性能使散熱器的有效散熱面積比較大，平行于熱管方向的較差導(dǎo)熱性能有利于熱管在小負(fù)荷下的啟動(dòng)。
相變材料具有很大的潛熱。例如，十六烷的融化潛熱為237KJ/kg。其能夠吸收大功率器件工作時(shí)所產(chǎn)生的峰值熱負(fù)荷，在儀器不工作時(shí)將熱量散掉。然而，相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)往往比較小，不能快速有效的吸收大功率器件工作時(shí)的峰值負(fù)荷，導(dǎo)致大功率器件溫度升高超出儀器的正常工作溫度范圍。
目前，解決周期性工作大發(fā)熱量器件的熱控問題時(shí)，往往應(yīng)用展開式輻射器。這不僅產(chǎn)生了航天器增重的問題，還因?yàn)樵黾恿嗽S多存在單點(diǎn)失效問題的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使整星的可靠性降低。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是解決上述散熱器所存在的問題，提供一種體積小、 重量輕、制造成本低廉、熱響應(yīng)快、傳熱性能高、加工方便、運(yùn)行穩(wěn)定的應(yīng)用泡沫材料和振蕩熱管的散熱裝置。
提供一種快速響應(yīng)散熱儲(chǔ)能裝置，其特征在于，其包括相變材料1、泡沫材料2、振蕩熱管3和輻射盒4，振蕩熱管3設(shè)置在輻射盒內(nèi)部，為多組封閉的蛇形回路，每組振蕩熱管包括加熱段和冷卻段，所述加熱段底部以焊接的方式連接到輻射盒4的底板內(nèi)側(cè)，泡沫材料2設(shè)置在輻射盒內(nèi)部，并通過發(fā)泡方式連接到振蕩熱管3的外壁和輻射盒4的內(nèi)壁上，相變材料1以液體狀態(tài)灌入輻射盒4中，填充在輻射盒4的內(nèi)壁、泡沫材料2和振蕩熱管3之間。
泡沫材料2為金屬泡沫、石墨泡沫或炭泡沫。
泡沫材料)發(fā)泡時(shí)的纖維的方向平行于輻射盒4的底板平面。
輻射盒4為四周封閉的金屬腔。
輻射盒4的四周壁外側(cè)和上側(cè)外側(cè)表面噴涂吸收發(fā)射比低的涂層。
相變材料1包括高溫相變材料、中溫相變材料和低溫相變材料，高溫相變材料為熔融鹽或金屬合金；中溫相變材料為水合鹽、有機(jī)物或高分子材料；低溫相變材料為冰或水凝膠。
本發(fā)明的工作原理利用相變材料的相變潛熱吸收周期性工作器件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量，保持器件的溫度；相變潛熱大的材料，例如水、石蠟等往往存在導(dǎo)熱性能不佳，導(dǎo)溫系數(shù)比較小的問題。利用振蕩熱管的高導(dǎo)熱性能，使器件工作時(shí)的發(fā)熱量以盡量快的響應(yīng)速度傳導(dǎo)到相變材料；振蕩熱管的導(dǎo)熱系數(shù)雖高。但是，其與相變材料的接觸面積較小，不能將熱量高效傳導(dǎo)給相變材料。泡沫材料擁有大的比表面積和大的導(dǎo)熱系數(shù)，并且，其比表面積和導(dǎo)熱系數(shù)隨材料的平均孔徑、孔隙率等的不同而不同。本發(fā)明結(jié)合相變材料的大比熱容、振蕩熱管的高導(dǎo)熱系數(shù)和泡沫材料的大比表面積，發(fā)明了一種擁有大熱容、大導(dǎo)溫系數(shù)的散熱裝置。另外，由于泡沫材料空隙的平均孔徑比較小，相變材料溶化后與泡沫材料接觸所產(chǎn)生比較大的毛細(xì)力。毛細(xì)力有利于固定相變材料，可以防止相變材料溶化后的隨機(jī)流動(dòng)。振蕩熱管的蛇形回路設(shè)置，特別是平行于底板方向的彎管，較普通熱管更能增大散熱裝置的導(dǎo)溫系數(shù)。并且，振蕩熱管的高散熱熱流密度使本發(fā)明散熱裝置的傳熱性能幾乎不受限制。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明散熱裝置中，輻射盒的底板與需散熱的儀器之間通過壓緊的方式連接，接觸面填充導(dǎo)熱填料以減小接觸熱阻；熱管通過焊接等方式連接到輻射盒的底板上；泡沫材料通過發(fā)泡的方式連接到熱管和輻射盒的內(nèi)壁上；相變材料加熱后以液體狀態(tài)填充到泡沫材料、熱管和輻射盒之間；相變材料降溫凝固后，輻射盒的上蓋板以焊接的方式連接到輻射盒的上端，使輻射盒成為與外部隔絕的封閉的空腔。
儀器工作時(shí)產(chǎn)生的熱量以熱傳導(dǎo)的方式通過導(dǎo)熱填料和輻射盒的底板；底板以熱傳導(dǎo)的方式將熱量傳遞到振蕩熱管的熱端；振蕩熱管將熱量向與輻射盒底板垂直和平行的方向傳遞；泡沫材料的纖維方向與輻射盒底板平行(泡沫材料為各向異性材料，纖維方向的導(dǎo)熱系數(shù)比較高)，振蕩熱管在水平方向上以熱傳導(dǎo)的方式將熱量傳遞給泡沫材料；相變材料以相變的方式將熱量吸收；相變材料以相變換熱的方式將熱量傳遞到輻射的五個(gè)表面的外壁；輻射盒五個(gè)表面的外壁通過輻射換熱的方式將熱量傳遞到深冷空間。
由于儀器的發(fā)熱量很大。在儀器工作時(shí)，輻射盒難以將熱量同步的釋放到深冷空間。不能釋放的儀器發(fā)熱量以相變的方式儲(chǔ)存在相變材料里。儀器不工作時(shí)，相變材料以凝固放熱的方式加熱儀器，使儀器的溫度保持在控制溫度范圍內(nèi)。同時(shí)，相變材料通過輻射盒外壁向空間放熱，儲(chǔ)存儀器下一次工作時(shí)所需的冷量。
相變材料在儀器工作時(shí)吸收的熱量在儀器下一次工作時(shí)釋放完畢。這樣儀器的溫度能被保持在相變材料的相變溫度附近，使儀器的溫度控制在窄的范圍內(nèi)，提高儀器的控溫精度?，F(xiàn)有的控溫技術(shù)往往在儀器不工作時(shí)，通過電加熱的方式保持儀器的溫度不致過低。本發(fā)明以相變儲(chǔ)能的方式，節(jié)省了航天器上寶貴的能源。
另外，本發(fā)明中應(yīng)用的泡沫材料具有重量輕的特點(diǎn)，復(fù)合航天器減重的需求。相同體積的泡沫材料一般為同種純金屬重量的5% 20%。通過調(diào)整泡沫材料的孔隙率，可達(dá)到調(diào)整材料導(dǎo)熱率和重量的目的。
本發(fā)明主要是在振蕩熱管外部發(fā)泡了泡沫材料，本發(fā)明具有體積小、重量輕、成本低、傳熱效率高、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，適合于溫控精度高、大功耗周期性間歇工作的航天器用電子器件。


圖1是應(yīng)用鋁泡沫和振蕩熱管的散熱裝置。
圖中1相變材料，2泡沫材料，3振蕩熱管，4輻射盒。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。這些實(shí)施例應(yīng)理解為僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。在閱讀了本發(fā)明記載的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等效變化和修飾同樣落入本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍。
如圖1所示，應(yīng)用泡沫材料和振蕩熱管的散熱裝置包括相變材料1，泡沫材料2，振蕩熱管3，輻射盒4 ；其中，振蕩熱管3的管材為鋁，工質(zhì)為氨；相變材料1為十六烷，其熔點(diǎn)為16. 7°C;泡沫材料2為鋁泡沫，其孔隙率為90%，纖維方向?qū)嵯禂?shù)為43W/(m. °C )，垂直纖維方向?qū)嵯禂?shù)為5W/(m.。C )；輻射盒4為壁厚3mm的鋁制封閉金屬腔。振蕩熱管3為多組封閉的蛇形回路，每組振蕩熱管分為加熱段、冷卻段，加熱段底部以焊接的方式連接到輻射盒4的底板內(nèi)側(cè)。振蕩熱管3、輻射盒4為鋁材質(zhì)，泡沫材料2為同一種材料能有效的減小他們彼此之間的接觸熱阻。并且，同種材質(zhì)還可以減少不同部件之間熱脹冷縮帶來的不可靠性。泡沫材料3以發(fā)泡的方式連接到振蕩熱管3和輻射盒4的內(nèi)壁上。相變材料1 加熱后以液體的狀態(tài)注入泡沫材料3的空隙之間。相變材料1固化后，將輻射盒4的上蓋板以焊接的方式連接到輻射盒4四周壁的上側(cè)。 基于振蕩熱管傳熱熱流密度大，傳熱量大等特點(diǎn)。本裝置尤其適于對(duì)熱流密度大， 散熱量大的器件的散熱。具有熱響應(yīng)速度快、控溫精度高、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種快速響應(yīng)散熱儲(chǔ)能裝置，其特征在于，其包括相變材料(1)、泡沫材料O)、振蕩熱管C3)和輻射盒G)，振蕩熱管C3)設(shè)置在輻射盒內(nèi)部，為多組封閉的蛇形回路，每組振蕩熱管包括加熱段和冷卻段，所述加熱段底部以焊接的方式連接到輻射盒的底板內(nèi)側(cè)， 泡沫材料( 設(shè)置在輻射盒內(nèi)部，并通過發(fā)泡方式連接到振蕩熱管( 的外壁和輻射盒(4) 的內(nèi)壁上，相變材料(1)以液體狀態(tài)灌入輻射盒中，填充在輻射盒(4)的內(nèi)壁、泡沫材料⑵和振蕩熱管⑶之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速響應(yīng)散熱儲(chǔ)能裝置，其特征在于，泡沫材料( 為金屬泡沫、石墨泡沫或炭泡沫。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種快速響應(yīng)散熱儲(chǔ)能裝置，其特征在于，泡沫材料( 發(fā)泡時(shí)的纖維的方向平行于輻射盒的底板平面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速響應(yīng)散熱儲(chǔ)能裝置，其特征在于，輻射盒(4)為四周封閉的金屬腔。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速響應(yīng)散熱儲(chǔ)能裝置，其特征在于，輻射盒(4)的四周壁外側(cè)和上側(cè)外側(cè)表面噴涂吸收發(fā)射比低的涂層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速響應(yīng)散熱儲(chǔ)能裝置，其特征在于，相變材料(1)包括高溫相變材料、中溫相變材料和低溫相變材料，高溫相變材料為熔融鹽或金屬合金；中溫相變材料為水合鹽、有機(jī)物或高分子材料；低溫相變材料為冰或水凝膠。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種快速響應(yīng)散熱儲(chǔ)能裝置，包括相變材料(1)、泡沫材料(2)、振蕩熱管(3)和輻射盒(4)，振蕩熱管(3)焊接到輻射盒(4)的底板，泡沫材料(2)通過發(fā)泡的方式連接到振蕩熱管(3)外壁和輻射盒(4)內(nèi)壁，相變材料(1)以液體狀態(tài)灌入輻射盒(4)，填充在輻射盒(4)內(nèi)壁、泡沫材料(2)和振蕩熱管(3)之間。本發(fā)明利用振蕩熱管的高導(dǎo)熱性能、泡沫材料的大比表面積和各向異性導(dǎo)熱性能以及相變材料的大相變潛熱，具有熱容大、導(dǎo)溫系數(shù)大等特點(diǎn)，可應(yīng)用于發(fā)熱量大、熱流密度高，而又周期性工作的航天用電子器件。具有熱響應(yīng)速度快、溫控精度高、短期吸熱量大、重量輕、系統(tǒng)可靠等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H05K7/20GK102497764SQ20111036245
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月15日
發(fā)明者毛云杰, 童鐵峰, 翟載騰, 陳福勝 申請(qǐng)人:上海衛(wèi)星工程研究所