CN103256841A - 一种新型储能散热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型储能散热装置，包括泡沫材料部、环路热管、相变材料以及辐射盒，其中，所述环路热管与辐射盒相连接，所述泡沫材料部分别与环路热管的外壁以及辐射盒的内壁相连接，所述相变材料以液体状态灌入辐射盒，并填充在辐射盒内壁、泡沫材料部以及环路热管之间。本发明利用环路热管的高导热性能、泡沫材料部的大比表面积、相变材料的大相变潜热，具有热容大、导温系数大等特点。可应用于发热量大、热流密度高，而又周期性工作的航天用电子器件。具有热响应速度快、温控精度高、短期吸热量大、重量轻、***可靠等优点。

Description

一种新型储能散热装置
技术领域
本发明涉及航天器热控制技术领域的散热装置，具体是一种新型储能散热装置。
背景技术
航天器热控制技术发展的驱动力主要来自航天器未来任务发展的需求。对于航天器热控制***而言，推动发展的关键因素包括功率水平、控制的温度水平、温度控制精度、仪器热流密度、热输送距离以及热量排散的有效热沉等。
随着空间技术的发展，一些设备的局部或瞬时的功率可高达数百瓦/平方厘米，如激光二极管、高功率传感芯片、高功率定向能武器等。现有的冷却方法己无法满足要求，近年来，NASA正在发展的微通道蒸发冷却技术和喷雾冷却技术有可能解决极高热流密度的冷却问题。但这些技术尚处于研究阶段，离开实际应用尚有相当距离。
另外，随着航天器上仪器的温度控制范围亦变的愈来愈窄，一般为士1°C，一些空间光学***为士0·1°C，更精密的已达mK量级。
因此，需要一种具有高效传热和高温控精度的冷却装置，己经成为制约航天器发展的瓶颈问题。急需微型高效的传热技术为其发展铺平道路。而作为一种新型散热冷却技术，热管、微型热管、脉动热管、环路热管等环路热管因其尺寸小、重量轻和当量传热量大等特点在这一领域显示出了优势，在电子元器件领域内己有应用。然而，虽然上述环路热管的导热系数很高，但是换热面积却有限。这使得环路热管与热汇间的热阻仍然比较大。
环路热管是一种依靠毛细抽力驱动工质循环，利用工质的相变传热的环路***，是由热管发展而来的一种分体式热管。与热管相比，其不同之处在于毛细芯结构只存在于蒸发器中，且蒸发器和冷凝器是相分离的，蒸汽管路和液体管路可以任意布置，所以LHP具有更广泛的应用范围。此外，LHP具有传热能力强，等温性好，传输距离长其安全系数高等优点，是航天器热控以及电子器件散热的理想装置。
泡沫材料部是近十年来新兴的一种具有各方面优异性能的新材料。根据孔隙平均直径和孔隙结构的不同，泡沫材料部具有相当大的比表面积，现有的泡沫材料部的比表面积己经超过100OOm2/m3。而普通六面体的比表面积只有6m2/m3，常用翅片的比表面积也只有30一1OOm2/m3。大比表面积的泡沫材料部应用于散热器使散热器的散热面积提高了几个数量级。另外，泡沫材料部可以制造成各向异性材料。美国一家公司制作了一种高温烧结石墨泡沫，其密度只有固体石墨的10%，平面二维方向的导热系数为233W/(m.°C)，厚度方向导热系数为4.5W/(m.°C)。这种各向异性的导热性能十分有利于做热管的扩展散热面。垂直于热管的平面方向的良好导热性能使散热器的有效散热面积比较大，平行于热管方向的较差导热性能有利于热管在小负荷下的启动。
相变材料具有很大的潜热。例如，十六烷的融化潜热为237KJ/kg。其能够吸收大功率器件工作时所产生的峰值热负荷，在仪器不工作时将热量散掉。然而，相变材料的导热系数往往比较小，不能快速有效的吸收大功率器件工作时的峰值负荷，导致大功率器件温度升高超出仪器的正常工作温度范围。
目前，解决周期性工作大发热量器件的热控问题时，往往应用展开式辐射器。这不仅产生了航天器增重的问题，还因为增加了许多存在单点失效问题的驱动机构，使整星的可靠性降低。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种新型储能散热装置。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种新型储能散热装置，包括泡沫材料部、环路热管、相变材料以及辐射盒，其中，所述环路热管与辐射盒相连接，所述泡沫材料部分别与环路热管的外壁以及辐射盒的内壁相连接，所述相变材料以液体状态灌入辐射盒，并填充在辐射盒内壁、泡沫材料部以及环路热管之间。
优选地，所述泡沫材料部为金属泡沫、石墨泡沫或碳泡沫。
优选地，所述泡沫材料部以发泡的方式与环路热管的外壁和辐射盒的内壁相连接。
优选地，所述辐射盒包括辐射盒底板，所述泡沫材料部发泡时，泡沫材料部的纤维方向平行于辐射盒底板的平面。
优选地，所述辐射盒还包括辐射盒四壁以及辐射盒盖板，所述辐射盒底板、辐射盒四壁以及辐射盒盖板构成四周封闭的金属腔盒;所述环路热管通过焊接方式连接在辐射盒底板上。
优选地，所述辐射盒盖板通过焊接方式连接在辐射盒四壁的顶部。
优选地，所述辐射盒四壁的外表面以及辐射盒盖板的外表面均设有低吸收发射比涂层。
优选地，所述环路热管包括液体管路、液体补偿器、冷凝器、气体管路以及蒸发器，其中，所述液体管路和气体管路的一端分别与蒸发器的两端相连接，所述液体管路和气体管路的另一端分别与冷凝器的两端相连接，所述冷凝器、液体补偿器以及部分液体管路置入辐射盒内，所述泡沫材料部连接在冷凝器、液体补偿器以及部分液体管路的外壁上。
本发明提供的新型储能散热装置，通过在环路热管外部发泡泡沫材料部，使该散热装置具有体积小、重量轻、制造成本低廉、热响应快、传热性能高、加工方便、运行稳定等特点，适合于温控精度高、大功耗周期性间歇工作的航天器用电子器件。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1为本发明提供的新型储能散热装置结构示意图;
图中:1为液体管路，2为辐射盒，3为相变材料，4为泡沫材料部，5为液体补偿器，6为冷凝器，7为气体管路，8为蒸发器。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明:本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例提供了一种新型储能散热装置，包括泡沫材料部、环路热管、相变材料以及辐射盒，其中，所述环路热管与辐射盒相连接，所述泡沫材料部分别与环路热管的外壁以及辐射盒的内壁相连接，所述相变材料以液体状态灌入辐射盒，并填充在辐射盒内壁、泡沫材料部以及环路热管之间。
进一步地，所述泡沫材料部为金属泡沫、石墨泡沫或碳泡沫。
进一步地，所述泡沫材料部以发泡的方式与环路热管的外壁和辐射盒的内壁相连接。
进一步地，所述辐射盒包括辐射盒底板，所述泡沫材料部发泡时，泡沫材料部的纤维方向平行于辐射盒底板的平面。
进一步地，所述辐射盒还包括辐射盒四壁以及辐射盒盖板，所述辐射盒底板、辐射盒四壁以及辐射盒盖板构成四周封闭的金属腔盒;所述环路热管通过焊接方式连接在辐射盒底板上。
进一步地，所述辐射盒盖板通过焊接方式连接在辐射盒四壁的顶部。
进一步地，所述辐射盒四壁的外表面以及辐射盒盖板的外表面均设有低吸收发射比涂层。
进一步地，所述环路热管包括液体管路、液体补偿器、冷凝器、气体管路以及蒸发器，其中，所述液体管路和气体管路的一端分别与蒸发器的两端相连接，所述液体管路和气体管路的另一端分别与冷凝器的两端相连接，所述冷凝器、液体补偿器以及部分液体管路置入辐射盒内，所述泡沫材料部连接在冷凝器、液体补偿器以及部分液体管路的外壁上。
具体为，泡沫材料部包括:金属泡沫、塑料泡沫、石墨泡沫、碳泡沫;相变材料包括:高温相变材料、中温相变材料、低温相变材料;辐射盒为金属薄壁腔。辐射盒的底板与需散热的仪器之间通过压紧的方式连接，接触面填充导热填料以减小接触热阻;环路热管通过焊接等方式连接到辐射盒的底板上;泡沫材料部通过发泡的方式连接到环路热管和辐射盒的内壁上;相变材料加热后以液体状态填充到泡沫材料部、环路热管和辐射盒之间;相变材料降温凝固后，辐射盒的上盖板以焊接的方式连接到辐射盒的上端，使辐射盒成为与外部隔绝的封闭的空腔。
冷凝器、液体补偿器和部分液体管路置入辐射盒，泡沫材料部以发泡的方式连接到冷凝器、液体补偿器和部分液体管路和辐射盒的内壁上。相变材料加热后以液体的状态注入泡沫材料部的空隙之间。相变材料固化后，将辐射盒的上盖板以焊接的方式连接到辐射盒四周壁的上侧。环路热管、辐射盒为铝材质，泡沫材料部为同一种材料能有效的减小它们彼此之间的接触热阻。并且，同种材质还可以减少不同部件之间热胀冷缩带来的不可靠性。
在本实施例中，所述环路热管中使用的管材为铝，工质为氨;相变材料为十六烷，其熔点为16.7°C;泡沫材料部为铝泡沫，其孔隙率为90%，纤维方向导热系数为43W/(m.°C)，垂直纤维方向导热系数为5W/(m.°C);辐射盒2为壁厚3mm的铝制封闭金属腔。本实施例中应用的泡沫材料部具有重量轻的特点，复合航天器减重的需求。相同体积的泡沫材料部一般为同种纯金属重量的5%~20%。通过调整泡沫材料部的孔隙率，可达到调整材料导热率和重量的目的。
本实施例提供的新型储能散热装置，其工作原理为:利用相变材料的相变潜热吸收周期性工作器件工作时产生的热量，保持器件的温度;相变潜热大的材料，例如:水、石蜡等往往存在导热性能不佳，导温系数比较小的问题。利用环路热管的高导热性能，使器件工作时的发热量以尽量快的响应速度传导到相变材料;环路热管的导热系数虽高。但是，其与相变材料的接触面积较小，不能将热量高效传导给相变材料。泡沫材料部拥有大的比表面积和较大的导热系数，并且，其比表面积和导热系数随材料的平均孔径、孔隙率等的不同而不同。该新型储能散热装置结合相变材料的大比热容、环路热管的高导热系数和泡沫材料部的大比表面积，是一种拥有大热容、大导温系数的散热装置。
仪器工作时产生的热量以热传导的方式通过导热填料和辐射盒的底板;底板以热传导的方式将热量传递到环路热管的热端;环路热管将热量向与辐射盒底板垂直和平行的方向传递;泡沫材料部的纤维方问与辐射盒底板平行(泡沫材料部为各向异性材料，纤维方向的导热系数比较高)，环路热管在水平方向上以热传导的方式将热量传递给泡沫材料部;相变材料以相变的方式将热量吸收;相变材料以相变换热的方式将热量传递到辐射的五个表面的外壁;辐射盒五个表面的外壁通过辐射换热的方式将热量传递到深冷空间。
由于仪器的发热量很大，在仪器工作时，辐射盒难以将热量同步的释放到深冷空间，不能释放的仪器发热量以相变的方式储存在相变材料里。仪器不工作时，相变材料以凝固放热的方式加热仪器，使仪器的温度保持在控制温度范围内。同时，相变材料通过辐射盒外壁向空间放热，储存仪器下一次工作时所需的冷量。
通过合理的设计，相变材料在仪器工作时吸收的热量在仪器下一次工作时释放完毕。这样仪器的温度能被保持在相变材料的相变温度附近，使仪器的温度控制在窄的范围内，提高仪器的控温精度。
由于现有的控温技术往往在仪器不工作时，通过电加热的方式保持仪器的温度不致过低，本实施例提供的新型储能散热装置以相变储能的方式，节省了航天器上宝贵的能源。
本实施例基于环路热管技术较成熟，体积小，传热热流密度大，传热量大等特点。本装置尤其适于对热流密度大，散热量较大的器件的散热，具有热响应速度快、控温精度高、重量轻、可靠性高等优点。
另外，本实施方式有利于环路热管的启动，尤其是在小热负荷下环路热管的启动。环路热管的启动主要是建立蒸发器和液体补偿器之间的温差，使蒸发器中的工质产生一定过热度。现在环路热管启动的主要手段有两种，一是在蒸发器外壁粘贴电加热器;一是在环路热管上配置半导体制冷器，对液体补偿器制冷，同时对蒸发器进行加热。两种启动方式都需要耗费航天器上宝贵的能源。在环路热管的冷凝器和液体补偿器上填加相变材料，可以在小热负荷启动时保持液体补偿器的温度在相变材料的三相点附近，使蒸发器中的循环工质快速产生所需过热度，实现环路热管的顺利启动。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种新型储能散热装置，其特征在于，包括泡沫材料部、环路热管、相变材料以及辐射盒，其中，所述环路热管与辐射盒相连接，所述泡沫材料部分别与环路热管的外壁以及辐射盒的内壁相连接，所述相变材料以液体状态灌入辐射盒，并填充在辐射盒内壁、泡沫材料部以及环路热管之间。
2.根据权利要求1所述的新型储能散热装置，其特征在于，所述泡沫材料部为金属泡沫、石墨泡沫或碳泡沫。
3.根据权利要求2所述的新型储能散热装置，其特征在于，所述泡沫材料部以发泡的方式与环路热管的外壁和辐射盒的内壁相连接。
4.根据权利要求3所述的新型储能散热装置，其特征在于，所述辐射盒包括辐射盒底板，所述泡沫材料部发泡时，泡沫材料部的纤维方向平行于辐射盒底板的平面。
5.根据权利要求1所述的新型储能散热装置，其特征在于，所述辐射盒包括辐射盒底板、辐射盒四壁以及辐射盒盖板，其中，所述辐射盒底板、辐射盒四壁以及辐射盒盖板构成四周封闭的金属腔盒;所述环路热管通过焊接方式连接在辐射盒底板上。
6.根据权利要求5所述的新型储能散热装置，其特征在于，所述辐射盒盖板通过焊接方式连接在辐射盒四壁的顶部。
7.根据权利要求5所述的新型储能散热装置，其特征在于，所述辐射盒四壁的外表面以及辐射盒盖板的外表面均设有低吸收发射比涂层。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的新型储能散热装置，其特征在于，所述环路热管包括液体管路、液体补偿器、冷凝器、气体管路以及蒸发器，其中，所述液体管路和气体管路的一端分别与蒸发器的两端相连接，所述液体管路和气体管路的另一端分别与冷凝器的两端相连接，所述冷凝器、液体补偿器以及部分液体管路置入辐射盒内，所述泡沫材料部连接在冷凝器、液体补偿器以及部分液体管路的外壁上。
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