專利名稱：一種新型儲能散熱裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及航天器熱控制技術(shù)領(lǐng)域的散熱裝置，具體是一種新型儲能散熱裝置。
背景技術(shù)：
航天器熱控制技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動力主要來自航天器未來任務(wù)發(fā)展的需求。對于航天器熱控制系統(tǒng)而言，推動發(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)有的冷卻方法己無法滿足要求，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。因此，需要一種具有高效傳熱和高溫控精度的冷卻裝置，己經(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)，熱管、微型熱管、脈動熱管、環(huán)路熱管等環(huán)路熱管因其尺寸小、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，在電子元器件領(lǐng)域內(nèi)己有應(yīng)用。然而，雖然上述環(huán)路熱管的導(dǎo)熱系數(shù)很高，但是換 熱面積卻有限。這使得環(huán)路熱管與熱匯間的熱阻仍然比較大。環(huán)路熱管是一種依靠毛細(xì)抽力驅(qū)動工質(zhì)循環(huán)，利用工質(zhì)的相變傳熱的環(huán)路系統(tǒng)，是由熱管發(fā)展而來的一種分體式熱管。與熱管相比，其不同之處在于毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)只存在于蒸發(fā)器中，且蒸發(fā)器和冷凝器是相分離的，蒸汽管路和液體管路可以任意布置，所以LHP具有更廣泛的應(yīng)用范圍。此外，LHP具有傳熱能力強(qiáng)，等溫性好，傳輸距離長其安全系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，是航天器熱控以及電子器件散熱的理想裝置。泡沫材料部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，泡沫材料部具有相當(dāng)大的比表面積，現(xiàn)有的泡沫材料部的比表面積己經(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部應(yīng)用于散熱器使散熱器的散熱面積提高了幾個數(shù)量級。另外，泡沫材料部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。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所產(chǎn)生的峰值熱負(fù)荷，在儀器不工作時將熱量散掉。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，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)動機(jī)構(gòu)，使整星的可靠性降低。發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種新型儲能散熱裝置。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
一種新型儲能散熱裝置，包括泡沫材料部、環(huán)路熱管、相變材料以及輻射盒，其中，所述環(huán)路熱管與輻射盒相連接，所述泡沫材料部分別與環(huán)路熱管的外壁以及輻射盒的內(nèi)壁相連接，所述相變材料以液體狀態(tài)灌入輻射盒，并填充在輻射盒內(nèi)壁、泡沫材料部以及環(huán)路熱管之間。
優(yōu)選地，所述泡沫材料部為金屬泡沫、石墨泡沫或碳泡沫。
優(yōu)選地，所述泡沫材料部以發(fā)泡的方式與環(huán)路熱管的外壁和輻射盒的內(nèi)壁相連接。
優(yōu)選地，所述輻射盒包括輻射盒底板，所述泡沫材料部發(fā)泡時，泡沫材料部的纖維方向平行于輻射盒底板的平面。
優(yōu)選地，所述輻射盒還包括輻射盒四壁以及輻射盒蓋板，所述輻射盒底板、輻射盒四壁以及輻射盒蓋板構(gòu)成四周封閉的金屬腔盒；所述環(huán)路熱管通過焊接方式連接在輻射盒底板上。
優(yōu)選地，所述輻射盒蓋板通過焊接方式連接在輻射盒四壁的頂部。
優(yōu)選地，所述輻射盒四壁的外表面以及輻射盒蓋板的外表面均設(shè)有低吸收發(fā)射比涂層。
優(yōu)選地，所述環(huán)路熱管包括液體管路、液體補(bǔ)償器、冷凝器、氣體管路以及蒸發(fā)器，其中，所述液體管路和氣體管路的一端分別與蒸發(fā)器的兩端相連接，所述液體管路和氣體管路的另一端分別與冷凝器的兩端相連接，所述冷凝器、液體補(bǔ)償器以及部分液體管路置入輻射盒內(nèi)，所述泡沫材料部連接在冷凝器、液體補(bǔ)償器以及部分液體管路的外壁上。
本發(fā)明提供的新型儲能散熱裝置，通過在環(huán)路熱管外部發(fā)泡泡沫材料部，使該散熱裝置具有體積小、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)定等特點(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。


通過閱讀參照以下附圖對非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會變得更明顯:
圖1為本發(fā)明提供的新型儲能散熱裝置結(jié)構(gòu)示意圖中:I為液體管路，2為輻射盒，3為相變材料，4為泡沫材料部，5為液體補(bǔ)償器，6為冷凝器，7為氣體管路，8為蒸發(fā)器。
具體實(shí)施方式
下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明:本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。如圖1所示，本實(shí)施例提供了一種新型儲能散熱裝置，包括泡沫材料部、環(huán)路熱管、相變材料以及輻射盒，其中，所述環(huán)路熱管與輻射盒相連接，所述泡沫材料部分別與環(huán)路熱管的外壁以及輻射盒的內(nèi)壁相連接，所述相變材料以液體狀態(tài)灌入輻射盒，并填充在輻射盒內(nèi)壁、泡沫材料部以及環(huán)路熱管之間。進(jìn)一步地，所述泡沫材料部為金屬泡沫、石墨泡沫或碳泡沫。進(jìn)一步地，所述泡沫材料部以發(fā)泡的方式與環(huán)路熱管的外壁和輻射盒的內(nèi)壁相連接。進(jìn)一步地，所述輻射盒包括輻射盒底板，所述泡沫材料部發(fā)泡時，泡沫材料部的纖維方向平行于輻射盒底板的平面。進(jìn)一步地， 所述輻射盒還包括輻射盒四壁以及輻射盒蓋板，所述輻射盒底板、輻射盒四壁以及輻射盒蓋板構(gòu)成四周封閉的金屬腔盒；所述環(huán)路熱管通過焊接方式連接在輻射盒底板上。進(jìn)一步地，所述輻射盒蓋板通過焊接方式連接在輻射盒四壁的頂部。進(jìn)一步地，所述輻射盒四壁的外表面以及輻射盒蓋板的外表面均設(shè)有低吸收發(fā)射比涂層。進(jìn)一步地，所述環(huán)路熱管包括液體管路、液體補(bǔ)償器、冷凝器、氣體管路以及蒸發(fā)器，其中，所述液體管路和氣體管路的一端分別與蒸發(fā)器的兩端相連接，所述液體管路和氣體管路的另一端分別與冷凝器的兩端相連接，所述冷凝器、液體補(bǔ)償器以及部分液體管路置入輻射盒內(nèi)，所述泡沫材料部連接在冷凝器、液體補(bǔ)償器以及部分液體管路的外壁上。具體為，泡沫材料部包括:金屬泡沫、塑料泡沫、石墨泡沫、碳泡沫；相變材料包括:高溫相變材料、中溫相變材料、低溫相變材料；輻射盒為金屬薄壁腔。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；環(huán)路熱管通過焊接等方式連接到輻射盒的底板上；泡沫材料部通過發(fā)泡的方式連接到環(huán)路熱管和輻射盒的內(nèi)壁上；相變材料加熱后以液體狀態(tài)填充到泡沫材料部、環(huán)路熱管和輻射盒之間；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。冷凝器、液體補(bǔ)償器和部分液體管路置入輻射盒，泡沫材料部以發(fā)泡的方式連接到冷凝器、液體補(bǔ)償器和部分液體管路和輻射盒的內(nèi)壁上。相變材料加熱后以液體的狀態(tài)注入泡沫材料部的空隙之間。相變材料固化后，將輻射盒的上蓋板以焊接的方式連接到輻射盒四周壁的上側(cè)。環(huán)路熱管、輻射盒為鋁材質(zhì)，泡沫材料部為同一種材料能有效的減小它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。在本實(shí)施例中，所述環(huán)路熱管中使用的管材為招，工質(zhì)為氨；相變材料為十六烷，其熔點(diǎn)為16.V C;泡沫材料部為鋁泡沫，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2為壁厚3mm的鋁制封閉金屬腔。本實(shí)施例中應(yīng)用的泡沫材料部具有重量輕的特點(diǎn)，復(fù)合航天器減重的需求。相同體積的泡沫材料部一般為同種純金屬重量的59Γ20%。通過調(diào)整泡沫材料部的孔隙率，可達(dá)到調(diào)整材料導(dǎo)熱率和重量的目的。
本實(shí)施例提供的新型儲能散熱裝置，其工作原理為:利用相變材料的相變潛熱吸收周期性工作器件工作時產(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。利用環(huán)路熱管的高導(dǎo)熱性能，使器件工作時的發(fā)熱量以盡量快的響應(yīng)速度傳導(dǎo)到相變材料；環(huán)路熱管的導(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。泡沫材料部擁有大的比表面積和較大的導(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。該新型儲能散熱裝置結(jié)合相變材料的大比熱容、環(huán)路熱管的高導(dǎo)熱系數(shù)和泡沫材料部的大比表面積，是一種擁有大熱容、大導(dǎo)溫系數(shù)的散熱裝置。
儀器工作時產(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環(huán)路熱管的熱端；環(huán)路熱管將熱量向與輻射盒底板垂直和平行的方向傳遞；泡沫材料部的纖維方問與輻射盒底板平行(泡沫材料部為各向異性材料，纖維方向的導(dǎo)熱系數(shù)比較高)，環(huán)路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部；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表面的外壁；輻射盒五個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，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存在相變材料里。儀器不工作時，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，相變材料通過輻射盒外壁向空間放熱，儲存儀器下一次工作時所需的冷量。
通過合理的設(shè)計，相變材料在儀器工作時吸收的熱量在儀器下一次工作時釋放完畢。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。
由于現(xiàn)有的控溫技術(shù)往往在儀器不工作時，通過電加熱的方式保持儀器的溫度不致過低，本實(shí)施例提供的新型儲能散熱裝置以相變儲能的方式，節(jié)省了航天器上寶貴的能源。
本實(shí)施例基于環(huán)路熱管技術(shù)較成熟，體積小，傳熱熱流密度大，傳熱量大等特點(diǎn)。本裝置尤其適于對熱流密度大，散熱量較大的器件的散熱，具有熱響應(yīng)速度快、控溫精度聞、重量輕、可罪性聞等優(yōu)點(diǎn)。`
另外，本實(shí)施方式有利于環(huán)路熱管的啟動，尤其是在小熱負(fù)荷下環(huán)路熱管的啟動。環(huán)路熱管的啟動主要是建立蒸發(fā)器和液體補(bǔ)償器之間的溫差，使蒸發(fā)器中的工質(zhì)產(chǎn)生一定過熱度?，F(xiàn)在環(huán)路熱管啟動的主要手段有兩種，一是在蒸發(fā)器外壁粘貼電加熱器；一是在環(huán)路熱管上配置半導(dǎo)體制冷器，對液體補(bǔ)償器制冷，同時對蒸發(fā)器進(jìn)行加熱。兩種啟動方式都需要耗費(fèi)航天器上寶貴的能源。在環(huán)路熱管的冷凝器和液體補(bǔ)償器上填加相變材料，可以在小熱負(fù)荷啟動時保持液體補(bǔ)償器的溫度在相變材料的三相點(diǎn)附近，使蒸發(fā)器中的循環(huán)工質(zhì)快速產(chǎn)生所需過熱度，實(shí)現(xiàn)環(huán)路熱管的順利啟動。
以上對本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí) 質(zhì)內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種新型儲能散熱裝置，其特征在于，包括泡沫材料部、環(huán)路熱管、相變材料以及輻射盒，其中，所述環(huán)路熱管與輻射盒相連接，所述泡沫材料部分別與環(huán)路熱管的外壁以及輻射盒的內(nèi)壁相連接，所述相變材料以液體狀態(tài)灌入輻射盒，并填充在輻射盒內(nèi)壁、泡沫材料部以及環(huán)路熱管之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的新型儲能散熱裝置，其特征在于，所述泡沫材料部為金屬泡沫、石墨泡沫或碳泡沫。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的新型儲能散熱裝置，其特征在于，所述泡沫材料部以發(fā)泡的方式與環(huán)路熱管的外壁和輻射盒的內(nèi)壁相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的新型儲能散熱裝置，其特征在于，所述輻射盒包括輻射盒底板，所述泡沫材料部發(fā)泡時，泡沫材料部的纖維方向平行于輻射盒底板的平面。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的新型儲能散熱裝置，其特征在于，所述輻射盒包括輻射盒底板、輻射盒四壁以及輻射盒蓋板，其中，所述輻射盒底板、輻射盒四壁以及輻射盒蓋板構(gòu)成四周封閉的金屬腔盒；所述環(huán)路熱管通過焊接方式連接在輻射盒底板上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的新型儲能散熱裝置，其特征在于，所述輻射盒蓋板通過焊接方式連接在輻射盒四壁的頂部。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的新型儲能散熱裝置，其特征在于，所述輻射盒四壁的外表面以及輻射盒蓋板的外表面均設(shè)有低吸收發(fā)射比涂層。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至7中任一項(xiàng)所述的新型儲能散熱裝置，其特征在于，所述環(huán)路熱管包括液體管路、液體補(bǔ)償器、冷凝器、氣體管路以及蒸發(fā)器，其中，所述液體管路和氣體管路的一端分別與蒸發(fā)器的兩端相連接，所述液體管路和氣體管路的另一端分別與冷凝器的兩端相連接，所述冷凝器、液體補(bǔ)償器以及部分液體管路置入輻射盒內(nèi)，所述泡沫材料部連接在冷凝器、液體補(bǔ)償器以及部分液體管路的外壁上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新型儲能散熱裝置，包括泡沫材料部、環(huán)路熱管、相變材料以及輻射盒，其中，所述環(huán)路熱管與輻射盒相連接，所述泡沫材料部分別與環(huán)路熱管的外壁以及輻射盒的內(nèi)壁相連接，所述相變材料以液體狀態(tài)灌入輻射盒，并填充在輻射盒內(nèi)壁、泡沫材料部以及環(huán)路熱管之間。本發(fā)明利用環(huán)路熱管的高導(dǎo)熱性能、泡沫材料部的大比表面積、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)?？蓱?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F28D15/02GK103256841SQ201310148840
公開日2013年8月21日 申請日期2013年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月25日
發(fā)明者陳福勝, 江世臣, 翟載騰, 謝龍 申請人:上海衛(wèi)星工程研究所