CN102056468A - 一种冷凝辐射散热板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种冷凝辐射散热板，由中空导热面板、毛细结构和气液两相流体构成，毛细结构由烧结芯和吸液芯组成，烧结芯衬于所述的中空导热面板的内表面四周及其受热面的内侧表面，吸液芯填充于中空导热面板的中空部分并与烧结芯紧密连接，气液两相流体浸于所述的吸液芯和烧结芯的孔隙结构中，中空导热面板的辐射面内侧表面设置有疏水层，该疏水层与所述的吸液芯紧密相连，辐射冷凝面外表面为分形表面，分形表面为自仿射分形结构表面，至少具有2级的凹凸结构；所述的吸液芯结构为多孔泡沫蜂窝结构。该散热板实现了在无泵驱动条件下高效扩散飞行器机载电器设备产生的热量，进而保证空间飞行器内机载设备的高效、安全、稳定运行。

Description

一种冷凝辐射散热板
技术领域
本发明涉及一种用于微重力环境下航天器热控***的散热装置，具体涉及的是一种基于毛细自循环式的冷凝辐射散热板。
背景技术
可靠高效的热控***是保障航天飞行器安全飞行的首要前提之一，随着航天飞行器制造技术的迅捷发展，其机载电子、电器设备的热可靠性指标也越来越苛刻，这就对机载换热器件的散热能力、航天器表面的散热性能提出了更高的要求。传统的依靠消耗泵功来进行热量传递的散热装置，由于运动部件的存在，大大增加了对航天器热控***的难度要求，迫切需要发展无泵驱动便能实现热量传递的散热***。空间微重力环境中，由于重力的缺失，汽液分界面导致的表面张力将成为两相流动的主要作用力。
为此，本发明提供了一种自回流冷凝相变辐射散热器，该散热器利用流体工质在热源处吸热产生蒸发相变，然后在冷凝辐射面冷凝，释放出的热量可直接通过辐射散发至太空。另外，为强化冷凝辐射面内表面冷凝相变传热，将冷凝辐射面内表面进行表面改性技术处理，以实现冷凝辐射面内表面上形成可持续的珠状凝结；为改善冷凝辐射散热器的辐射表面条件，将辐射面设计成自仿射分形结构表面，以最大限度的提高辐射散热面面积，进而达到在微重力条件下高效、安全、稳定地进行对外辐射散热。
发明内容
本发明提供一种冷凝辐射散热板，通过在散热板内部填充多孔泡沫蜂窝结构吸液芯实现毛细热驱动，同时，将面向太空的冷凝辐射面内表面进行超疏水技术处理成疏水层，将面向太空的冷凝辐射面外表面设计成具有随机自仿射分形结构特征的表面，来实现在无泵驱动条件下的高效扩散飞行器内机载电器设备产生的热量，进而保证航天飞行器内机载设备的高效、安全、稳定运行。
技术方案
为解决航空航天器在微重力条件下高效散热要求和热量传递无泵驱动需求的双重难题，本发明采用的技术方案是：
一种冷凝辐射散热板，由中空导热面板、毛细结构和气液两相流体构成，所述的毛细结构由烧结芯和吸液芯组成，所述的烧结芯衬于所述的中空导热面板的内表面四周及其受热面的内侧表面，所述的吸液芯填充于所述的中空导热面板的中空部分并与所述的烧结芯紧密连接，所述的气液两相流体浸于所述的吸液芯和烧结芯的孔隙结构中，其特征在于：所述的中空导热面板的辐射面内侧表面设置有疏水层，该疏水层与所述的吸液芯紧密相连，所述的辐射冷凝面外表面为分形表面，所述的分形表面为自仿射分形结构表面，至少具有2级的凹凸结构；所述的吸液芯结构为多孔泡沫蜂窝结构。
散热板内蒸汽在冷凝辐射面内表面冷凝时，若采用普通的壁面，一般情况下，在辐射面内表面发生膜状冷凝，这样，壁面总是被一层液膜覆盖着，凝结放出的相变热（潜热）必须穿过液膜才能传到冷却壁面上去。这样，液膜层会成为换热的主要热阻。本发明将中空导热面板的冷凝辐射面内表面进行改性技术处理，通过超疏水特性表面的生成来实现连续持续的珠状凝结，生成都冷凝液通过毛细结构及时抽吸回到受热面。珠状冷凝的表面传热系数要比其他条件相同的膜状凝结大几倍甚至大一个数量级，进而达到强化冷凝相变传热的目的。所述的超疏水特性表面的制备可采用两种方法：一是在粗糙表面修饰低表面能的物质；二是在疏水性表面构建粗糙结构。可采用的制备技术有：气相沉淀法、纳米二氧化硅掺杂法、溶胶-凝胶法、电化学法、激光刻蚀法、静电纺丝法等。
在太空环境接近真空的条件下，散热板的散热只能依靠辐射，因此只有增加散热板的有效散热面积才能提高散热板的散热效率。本发明将中空导热面板的冷凝辐射热面设计成具有随机自仿射分形结构特征的表面，通过多级表面的生成，充分利用了辐射散热板表面空间，使得在有限空间内最大限度布置了散热表面，进而大幅增加了散热板与宇宙空间的辐射换热面积，进而提高了散热板的辐射散热能力，同时也减少了散热器本身的自重。所述的具有随机自仿射分形结构特征表面的生成过程为：
（1）分别在水平面的x、y轴方向将第0级表面进行2s-1（s为表面的级数）等分，生成(2s-1)2个单元表面，行列同为奇数的单元表面为第1级表面，将所述第1级表面中每个单元表面加工成凹凸体，凹、凸通过随机掷骰子的方法来决定。
（2）第2级表面将在第1级表面上不断重复上述步骤产生。第n级表面上产生的凹凸体深度为第n-1代表面上产生的凹凸体深度的1/f z（f z为z方向的比例系数），这里f z＞1。
（3）根据这种方法不断生成凹凸体，就会得到具有不规则的随机自仿射分形结构特征的表面。
将吸液芯设计成蜂窝结构应用于散热板内，一方面实现了将板内气流通道与冷凝液回流通道进行了分离，另一方面也扩展了气液两相流体在受热面和冷凝辐射面之间的输送通道。另外，蜂窝结构在满足结构应力要求和减轻辐射散热板的自重方面也具有一定的优势。
将烧结芯衬于中空导热面板的内表面，不仅大大增加了有效的蒸发和冷凝换热面积，还为冷凝辐射面/受热面提供了流体流动的多向输运通道，可及时输送补充多个局部高热流密度点蒸发相变的所需液体工质，进而消除了多个热源点可能产生的局部热点。
所述中空导热面板的材料为铜(铜合金)、铝（铝合金）、钢（合金钢）、银等多种高导热性能金属。
所述的冷凝辐射散热板内气液两相流体为水、氨、丙酮、乙醇、甲醇、液态金属或制冷剂等工质，该流体工质在腔体内维持气液两相状态。
所述的冷凝辐射散热板的热源为单个热源、两个热源或多个热源，热源之间的相对位置是可以任意布置的。
本发明提供的冷凝辐射散热板是利用气液两相流体工质在热源处吸热进而在烧结芯的孔隙结构中产生蒸发相变，蒸发相变产生的蒸汽迅速通多孔泡沫蜂窝结构的空腔体扩散到冷凝辐射面内表面的烧结芯表面，在具有超疏水特性的冷凝辐射面内表面进行珠状凝结，释放出的相变热通过通过热传导作用将热量传递至具有随机自仿射分形结构特征的冷凝辐射面外表面并辐射散发至太空。冷凝产生的液体工质可在蜂窝结构吸液芯中产生的毛细力的作用下实现自循环，无须泵功消耗。相变换热吸收或者释放的潜热很大，故很小的流体流量即可满足散热需求，这些因素对于减轻空间飞行器的自重及功耗具有重要的意义，且由于热量传递基于相变过程，故使散热板受热面表面温度和散热强度分布均匀，可以实现近似等温热量传输。由于本发明所提供的散热器是基于毛细蒸发相变来实现的热量的传递，使得其导热率远远高出传统的纯金属导热基板。
有益效果
本发明涉及的一种冷凝辐射散热板，为强化冷凝辐射面内表面冷凝相变换热，将冷凝辐射面内表面进行改性技术处理，来实现可持续的珠状凝结；将散热板面向太空的冷凝辐射面外表面设计成具有随机自仿射分形结构特征的表面，充分利用了辐射散热板表面空间，使得在有限空间内最大限度布置了散热表面。另外，该型散热板是基于毛细蒸发相变来实现热量的传递，无须泵功消耗，其导热率远远高出传统的纯金属导热基板。以上这些有利因素使得该型冷凝辐射散热器具有散热强度高，无泵驱动，自重轻，且温度分布均匀的独特优点，能有效地消除多个局部高热量密度热源点可能产生的局部热点，实现了在无泵驱动条件下高效扩散飞行器机载电器设备产生的热量，进而保证航天飞行器内机载设备的高效、安全、稳定运行。
附图说明
图1冷凝辐射散热板的立体示意图。
图2本发明中多孔泡沫蜂窝结构吸液芯局部示意图。
图3本发明中具有随机自仿射分形结构特征的冷凝散热面外表面平面示意图。
图4 本发明中冷凝散热面外表面的随机凹凸体局部示意图。
图5 本发明中吸液芯布置示意图（局部剖面）。
图6 本发明冷凝辐射散热板的工作原理示意图。
图中1.中空导热面板；2.多孔泡沫蜂窝结构吸液芯；3.中空导热面板的冷凝辐射面；4.随机自仿射凹凸体；5.辐射散热；6.高热流密度热源；7.中空导热面板的受热面；8.烧结芯；9.蜂窝结构吸液芯的空腔体；10.蒸气；11.凝结液；12.冷凝散热面向太空辐射；13.疏水层。
具体实施方式
下面结合附图进行更进一步的详细说明：
图1给出了冷凝辐射散热板的立体图，一种冷凝辐射散热板，由中空导热面板1、多孔泡沫蜂窝结构吸液芯2、烧结芯8和气液两相流体构成，烧结芯8衬于中空导热面板1的内表面，吸液芯2填充于中空导热面板1的中空部分并与烧结芯8紧密连接，气液两相流体浸于吸液芯2和烧结芯8的孔隙结构中。中空导热面板的冷凝辐射面3的内表面为超疏水表面疏水层13，外表面为分形表面，分形表面采用自仿射分形结构表面，至少具有两级的随机凹凸结构，吸液芯2的结构为多孔泡沫蜂窝结构。
图2给出了多孔泡沫蜂窝结构吸液芯局部示意图，该图清晰地表达本发明涉及的冷凝辐射散热板内部结构。多孔泡沫蜂窝结构吸液芯2将板内气流通道与冷凝液回流通道进行了分离，大幅度扩展了流体工质在导热面板的冷凝辐射面与受热面之间的输送通道。
图3给出了本发明散热板的冷凝辐射面外表面的平面布置示意图，该实施列中表面级数s=3。
图4给出了本发明中具有随机自仿射分形结构特征的冷凝辐射面外表面上随机凹凸体立体图。通过多级凹凸体的生成，充分利用了辐射散热板表面空间，使得在有限空间内最大限度布置了散热表面，进而大幅增加了散热板与宇宙空间的辐射换热面积，大大提高了散热板的辐射散热能力。
图5给出了本发明冷凝辐射散热板内吸液芯与烧结芯的布置局部示意图。
图6给出了本发明冷凝辐射散热板的工作原理图。冷凝辐射散热板的工作原理为气液两相流体工质在高热流密度热源6作用下吸收热源热量，进而在烧结芯8的孔隙结构中发生蒸发相变，蒸发相变产生的蒸汽10迅速通过蜂窝结构吸液芯的空腔体9扩散到冷凝辐射面内表面的烧结芯8表面，在具有超疏水特性的冷凝辐射面3内表面进行珠状凝结，释放出的相变热通过热传导作用将热量传递至具有随机自仿射分形结构特征的冷凝辐射面3外表面并辐射散发至太空。冷凝产生的液体工质11可在毛细力的作用下实现自循环，无须泵功消耗。这些有利因素使得该型散热器具有散热强度高、无泵驱动、自重轻、体积小等独特优点，实现了在无泵驱动条件下的高效扩散行器机载电器设备产生的热量，进而保证航天飞行器内机载设备的高效、安全、稳定运行。

Claims (1)

1.一种冷凝辐射散热板，由中空导热面板、毛细结构和气液两相流体构成，所述的毛细结构由烧结芯和吸液芯组成，所述的烧结芯衬于所述的中空导热面板的内表面四周及其受热面的内侧表面，所述的吸液芯填充于所述的中空导热面板的中空部分并与所述的烧结芯紧密连接，所述的气液两相流体浸于所述的吸液芯和烧结芯的孔隙结构中，其特征在于：所述的中空导热面板的辐射面内侧表面设置有疏水层，该疏水层与所述的吸液芯紧密相连，所述的辐射冷凝面外表面为分形表面，所述的分形表面为自仿射分形结构表面，至少具有2级的凹凸结构；所述的吸液芯结构为多孔泡沫蜂窝结构。
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