專利名稱：一種冷凝輻射散熱板的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用于微重力環(huán)境下航天器熱控系統(tǒng)的散熱裝置，具體涉及的 是一種基于毛細自循環(huán)式的冷凝輻射散熱板。
背景技術：
可靠高效的熱控系統(tǒng)是保障航天飛行器安全飛行的首要前提之一，隨著航天飛行 器制造技術的迅捷發(fā)展，其機載電子、電器設備的熱可靠性指標也越來越苛刻，這就對機載 換熱器件的散熱能力、航天器表面的散熱性能提出了更高的要求。傳統(tǒng)的依靠消耗泵功來 進行熱量傳遞的散熱裝置，由于運動部件的存在，大大增加了對航天器熱控系統(tǒng)的難度要 求，迫切需要發(fā)展無泵驅動便能實現(xiàn)熱量傳遞的散熱系統(tǒng)?？臻g微重力環(huán)境中，由于重力的 缺失，汽液分界面導致的表面張力將成為兩相流動的主要作用力。為此，本實用新型提供了一種自回流冷凝相變輻射散熱器，該散熱器利用流體工 質在熱源處吸熱產生蒸發(fā)相變，然后在冷凝輻射面冷凝，釋放出的熱量可直接通過輻射散 發(fā)至太空。另外，為強化冷凝輻射面內表面冷凝相變傳熱，將冷凝輻射面內表面進行表面改 性技術處理，以實現(xiàn)冷凝輻射面內表面上形成可持續(xù)的珠狀凝結；為改善冷凝輻射散熱器 的輻射表面條件，將輻射面設計成自仿射分形結構表面，以最大限度的提高輻射散熱面面 積，進而達到在微重力條件下高效、安全、穩(wěn)定地進行對外輻射散熱。
發(fā)明內容本實用新型提供一種冷凝輻射散熱板，通過在散熱板內部填充多孔泡沫蜂窩結構 吸液芯實現(xiàn)毛細熱驅動，同時，將面向太空的冷凝輻射面內表面進行超疏水技術處理成疏 水層，將面向太空的冷凝輻射面外表面設計成具有隨機自仿射分形結構特征的表面，來實 現(xiàn)在無泵驅動條件下的高效擴散飛行器內機載電器設備產生的熱量，進而保證航天飛行器 內機載設備的高效、安全、穩(wěn)定運行。技術方案為解決航空航天器在微重力條件下高效散熱要求和熱量傳遞無泵驅動需求的雙 重難題，本實用新型采用的技術方案是一種冷凝輻射散熱板，由中空導熱面板、毛細結構和氣液兩相流體構成，所述的毛 細結構由燒結芯和吸液芯組成，所述的燒結芯襯于所述的中空導熱面板的內表面四周及其 受熱面的內側表面，所述的吸液芯填充于所述的中空導熱面板的中空部分并與所述的燒結 芯緊密連接，所述的氣液兩相流體浸于所述的吸液芯和燒結芯的孔隙結構中，其特征在于 所述的中空導熱面板的輻射面內側表面設置有疏水層，該疏水層與所述的吸液芯緊密相 連，所述的輻射冷凝面外表面為分形表面，所述的分形表面為自仿射分形結構表面，至少具 有2級的凹凸結構；所述的吸液芯結構為多孔泡沫蜂窩結構。散熱板內蒸汽在冷凝輻射面內表面冷凝時，若采用普通的壁面，一般情況下，在輻 射面內表面發(fā)生膜狀冷凝，這樣，壁面總是被一層液膜覆蓋著，凝結放出的相變熱(潛熱)必須穿過液膜才能傳到冷卻壁面上去。這樣，液膜層會成為換熱的主要熱阻。本實用新型將 中空導熱面板的冷凝輻射面內表面進行改性技術處理，通過超疏水特性表面的生成來實現(xiàn) 連續(xù)持續(xù)的珠狀凝結，生成都冷凝液通過毛細結構及時抽吸回到受熱面。珠狀冷凝的表面 傳熱系數(shù)要比其他條件相同的膜狀凝結大幾倍甚至大一個數(shù)量級，進而達到強化冷凝相變 傳熱的目的。所述的超疏水特性表面的制備可采用兩種方法一是在粗糙表面修飾低表面 能的物質；二是在疏水性表面構建粗糙結構。可采用的制備技術有氣相沉淀法、納米二氧 化硅摻雜法、溶膠-凝膠法、電化學法、激光刻蝕法、靜電紡絲法等。在太空環(huán)境接近真空的條件下，散熱板的散熱只能依靠輻射，因此只有增加散熱 板的有效散熱面積才能提高散熱板的散熱效率。本實用新型將中空導熱面板的冷凝輻射熱 面設計成具有隨機自仿射分形結構特征的表面，通過多級表面的生成，充分利用了輻射散 熱板表面空間，使得在有限空間內最大限度布置了散熱表面，進而大幅增加了散熱板與宇 宙空間的輻射換熱面積，進而提高了散熱板的輻射散熱能力，同時也減少了散熱器本身的 自重。所述的具有隨機自仿射分形結構特征表面的生成過程為(1)分別在水平面的x、_F軸方向將第O級表面進行Zs-I 為表面的級數(shù))等分， 生成(2s-l)2個單元表面，行列同為奇數(shù)的單元表面為第1級表面，將所述第1級表面中每 個單元表面加工成凹凸體，凹、凸通過隨機擲骰子的方法來決定。(2)第2級表面將在第1級表面上不斷重復上述步驟產生。第η級表面上產生的 凹凸體深度為第η-1代表面上產生的凹凸體深度的1//ζ(/ζ為ζ方向的比例系數(shù))，這里/； > 1。(3)根據(jù)這種方法不斷生成凹凸體，就會得到具有不規(guī)則的隨機自仿射分形結構 特征的表面。將吸液芯設計成蜂窩結構應用于散熱板內，一方面實現(xiàn)了將板內氣流通道與冷凝 液回流通道進行了分離，另一方面也擴展了氣液兩相流體在受熱面和冷凝輻射面之間的輸 送通道。另外，蜂窩結構在滿足結構應力要求和減輕輻射散熱板的自重方面也具有一定的 優(yōu)勢。將燒結芯襯于中空導熱面板的內表面，不僅大大增加了有效的蒸發(fā)和冷凝換熱面 積，還為冷凝輻射面/受熱面提供了流體流動的多向輸運通道，可及時輸送補充多個局部 高熱流密度點蒸發(fā)相變的所需液體工質，進而消除了多個熱源點可能產生的局部熱點。所述中空導熱面板的材料為銅(銅合金)、鋁(鋁合金)、鋼(合金鋼)、銀等多種高導 熱性能金屬。所述的冷凝輻射散熱板內氣液兩相流體為水、氨、丙酮、乙醇、甲醇、液態(tài)金屬或制 冷劑等工質，該流體工質在腔體內維持氣液兩相狀態(tài)。所述的冷凝輻射散熱板的熱源為單個熱源、兩個熱源或多個熱源，熱源之間的相 對位置是可以任意布置的。本實用新型提供的冷凝輻射散熱板是利用氣液兩相流體工質在熱源處吸熱進而 在燒結芯的孔隙結構中產生蒸發(fā)相變，蒸發(fā)相變產生的蒸汽迅速通多孔泡沫蜂窩結構的空 腔體擴散到冷凝輻射面內表面的燒結芯表面，在具有超疏水特性的冷凝輻射面內表面進行 珠狀凝結，釋放出的相變熱通過通過熱傳導作用將熱量傳遞至具有隨機自仿射分形結構特 征的冷凝輻射面外表面并輻射散發(fā)至太空。冷凝產生的液體工質可在蜂窩結構吸液芯中產生的毛細力的作用下實現(xiàn)自循環(huán)，無須泵功消耗。相變換熱吸收或者釋放的潛熱很大，故很 小的流體流量即可滿足散熱需求，這些因素對于減輕空間飛行器的自重及功耗具有重要的 意義，且由于熱量傳遞基于相變過程，故使散熱板受熱面表面溫度和散熱強度分布均勻，可 以實現(xiàn)近似等溫熱量傳輸。由于本實用新型所提供的散熱器是基于毛細蒸發(fā)相變來實現(xiàn)的 熱量的傳遞，使得其導熱率遠遠高出傳統(tǒng)的純金屬導熱基板。有益效果本實用新型涉及的一種冷凝輻射散熱板，為強化冷凝輻射面內表面冷凝相變換 熱，將冷凝輻射面內表面進行改性技術處理，來實現(xiàn)可持續(xù)的珠狀凝結；將散熱板面向太空 的冷凝輻射面外表面設計成具有隨機自仿射分形結構特征的表面，充分利用了輻射散熱板 表面空間，使得在有限空間內最大限度布置了散熱表面。另外，該型散熱板是基于毛細蒸發(fā) 相變來實現(xiàn)熱量的傳遞，無須泵功消耗，其導熱率遠遠高出傳統(tǒng)的純金屬導熱基板。以上這 些有利因素使得該型冷凝輻射散熱器具有散熱強度高，無泵驅動，自重輕，且溫度分布均勻 的獨特優(yōu)點，能有效地消除多個局部高熱量密度熱源點可能產生的局部熱點，實現(xiàn)了在無 泵驅動條件下高效擴散飛行器機載電器設備產生的熱量，進而保證航天飛行器內機載設備 的高效、安全、穩(wěn)定運行。

圖1冷凝輻射散熱板的立體示意圖。圖2本實用新型中多孔泡沫蜂窩結構吸液芯局部示意圖。圖3本實用新型中具有隨機自仿射分形結構特征的冷凝散熱面外表面平面示意 圖。圖4本實用新型中冷凝散熱面外表面的隨機凹凸體局部示意圖。圖5本實用新型中吸液芯布置示意圖(局部剖面)。圖6本實用新型冷凝輻射散熱板的工作原理示意圖。圖中1.中空導熱面板；2.多孔泡沫蜂窩結構吸液芯；3.中空導熱面板的冷凝輻 射面；4.隨機自仿射凹凸體；5.輻射散熱；6.高熱流密度熱源；7.中空導熱面板的受熱面； 8.燒結芯；9.蜂窩結構吸液芯的空腔體；10.蒸氣；11.凝結液；12.冷凝散熱面向太空輻 射；13.疏水層。
具體實施方式
以下結合附圖進行更進一步的詳細說明圖1給出了冷凝輻射散熱板的立體圖，一種冷凝輻射散熱板，由中空導熱面板1、 多孔泡沫蜂窩結構吸液芯2、燒結芯8和氣液兩相流體構成，燒結芯8襯于中空導熱面板1 的內表面，吸液芯2填充于中空導熱面板1的中空部分并與燒結芯8緊密連接，氣液兩相流 體浸于吸液芯2和燒結芯8的孔隙結構中。中空導熱面板的冷凝輻射面3的內表面為超疏 水表面疏水層13，外表面為分形表面，分形表面采用自仿射分形結構表面，至少具有兩級的 隨機凹凸結構，吸液芯2的結構為多孔泡沫蜂窩結構。圖2給出了多孔泡沫蜂窩結構吸液芯局部示意圖，該圖清晰地表達本實用新型涉 及的冷凝輻射散熱板內部結構。多孔泡沫蜂窩結構吸液芯2將板內氣流通道與冷凝液回流通道進行了分離，大幅度擴展了流體工質在導熱面板的冷凝輻射面與受熱面之間的輸送通 道。圖3給出了本實用新型散熱板的冷凝輻射面外表面的平面布置示意圖，該實施列 中表面級數(shù)s=3。圖4給出了本實用新型中具有隨機自仿射分形結構特征的冷凝輻射面外表面上 隨機凹凸體立體圖。通過多級凹凸體的生成，充分利用了輻射散熱板表面空間，使得在有限 空間內最大限度布置了散熱表面，進而大幅增加了散熱板與宇宙空間的輻射換熱面積，大 大提高了散熱板的輻射散熱能力。圖5給出了本實用新型冷凝輻射散熱板內吸液芯與燒結芯的布置局部示意圖。圖6給出了本實用新型冷凝輻射散熱板的工作原理圖。冷凝輻射散熱板的工作原 理為氣液兩相流體工質在高熱流密度熱源6作用下吸收熱源熱量，進而在燒結芯8的孔隙 結構中發(fā)生蒸發(fā)相變，蒸發(fā)相變產生的蒸汽10迅速通過蜂窩結構吸液芯的空腔體9擴散到 冷凝輻射面內表面的燒結芯8表面，在具有超疏水特性的冷凝輻射面3內表面進行珠狀凝 結，釋放出的相變熱通過熱傳導作用將熱量傳遞至具有隨機自仿射分形結構特征的冷凝輻 射面3外表面并輻射散發(fā)至太空。冷凝產生的液體工質11可在毛細力的作用下實現(xiàn)自循 環(huán)，無須泵功消耗。這些有利因素使得該型散熱器具有散熱強度高、無泵驅動、自重輕、體積 小等獨特優(yōu)點，實現(xiàn)了在無泵驅動條件下的高效擴散行器機載電器設備產生的熱量，進而 保證航天飛行器內機載設備的高效、安全、穩(wěn)定運行。
權利要求1. 一種冷凝輻射散熱板，由中空導熱面板、毛細結構和氣液兩相流體構成，所述的毛細 結構由燒結芯和吸液芯組成，所述的燒結芯襯于所述的中空導熱面板的內表面四周及其受 熱面的內側表面，所述的吸液芯填充于所述的中空導熱面板的中空部分并與所述的燒結芯 緊密連接，所述的氣液兩相流體浸于所述的吸液芯和燒結芯的孔隙結構中，其特征在于所 述的中空導熱面板的輻射面內側表面設置有疏水層，該疏水層與所述的吸液芯緊密相連， 所述的輻射冷凝面外表面為分形表面，所述的分形表面為自仿射分形結構表面，至少具有2 級的凹凸結構；所述的吸液芯結構為多孔泡沫蜂窩結構。
專利摘要本實用新型公開了一種冷凝輻射散熱板，由中空導熱面板、毛細結構和氣液兩相流體構成，毛細結構由燒結芯和吸液芯組成，燒結芯襯于所述的中空導熱面板的內表面四周及其受熱面的內側表面，吸液芯填充于中空導熱面板的中空部分并與燒結芯緊密連接，氣液兩相流體浸于所述的吸液芯和燒結芯的孔隙結構中，中空導熱面板的輻射面內側表面設置有疏水層，該疏水層與所述的吸液芯緊密相連，輻射冷凝面外表面為分形表面，分形表面為自仿射分形結構表面，至少具有2級的凹凸結構；所述的吸液芯結構為多孔泡沫蜂窩結構。該散熱板實現(xiàn)了在無泵驅動條件下高效擴散飛行器機載電器設備產生的熱量，進而保證空間飛行器內機載設備的高效、安全、穩(wěn)定運行。
文檔編號H05K7/20GK201854544SQ20112000796
公開日2011年6月1日 申請日期2011年1月12日 優(yōu)先權日2011年1月12日
發(fā)明者張程賓, 施明恒, 眭佳佳, 陳永平 申請人:東南大學