專利名稱：一種快速響應散熱儲能裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種散熱裝置，尤其涉及一種快速響應散熱儲能裝置。屬于航天器熱控制領域。
背景技術：
航天器熱控制技術發(fā)展的驅動力主要來自航天器未來任務發(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。
隨著空間技術的發(fā)展，一些設備的局部或瞬時的功率可高達數(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?，F(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)冷卻技術和噴霧冷卻技術有可能解決極高熱流密度的冷卻問題。但這些技術尚處于研究階段，離開實際應用尚有相當距離。
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，一些空間光學系統(tǒng)為士 0. 1°C，更精密的已達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，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為其發(fā)展鋪平道路。而作為一種新型散熱冷卻技術，振蕩熱管因其尺寸小、重量輕和當量傳熱量大等特點在這一領域顯示出了優(yōu)勢。然而， 雖然振蕩熱管的導熱系數(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管中，充有一定量的工作介質，該介質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)和氣液振蕩實現(xiàn)熱量傳遞。與普通熱管不同，振蕩熱管內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，涉及多物理學科、多參數(shù)的氣液兩相流系統(tǒng)。振蕩熱管體積小，結構簡單。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等人的實驗實現(xiàn)了 lOOOW/cm2的熱流密度的傳遞。 振蕩熱管適應性好，其形狀可以任意彎曲。這對航天器中復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構的不同，泡沫材料具有相當大的比表面積，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，泡沫材料可以制造成各向異性材料。美國一家公司制作了一種高溫燒結石墨泡沫，其密度只有固體石墨的10%，平面二維方向的導熱系數(shù)為233W/(m. °C )，厚度方向導熱系數(shù)為4.5W/(m. °C)。這種各向異性的導熱性能十分有利于做熱管的擴展散熱面。垂直于熱管的平面方向的良好導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熱性能有利于熱管在小負荷下的啟動。
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)生的峰值熱負荷，在儀器不工作時將熱量散掉。然而，相變材料的導熱系數(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荷，導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，往往應用展開式輻射器。這不僅產(chǎn)生了航天器增重的問題，還因為增加了許多存在單點失效問題的驅動機構，使整星的可靠性降低。發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術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、熱響應快、傳熱性能高、加工方便、運行穩(wěn)定的應用泡沫材料和振蕩熱管的散熱裝置。
提供一種快速響應散熱儲能裝置，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設置在輻射盒內部，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的底板內側，泡沫材料2設置在輻射盒內部，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的四周壁外側和上側外側表面噴涂吸收發(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、石蠟等往往存在導熱性能不佳，導溫系數(shù)比較小的問題。利用振蕩熱管的高導熱性能，使器件工作時的發(fā)熱量以盡量快的響應速度傳導到相變材料；振蕩熱管的導熱系數(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給相變材料。泡沫材料擁有大的比表面積和大的導熱系數(shù)，并且，其比表面積和導熱系數(shù)隨材料的平均孔徑、孔隙率等的不同而不同。本發(fā)明結合相變材料的大比熱容、振蕩熱管的高導熱系數(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)生比較大的毛細力。毛細力有利于固定相變材料，可以防止相變材料溶化后的隨機流動。振蕩熱管的蛇形回路設置，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。
相對于現(xiàn)有技術，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。
儀器工作時產(chǎn)生的熱量以熱傳導的方式通過導熱填料和輻射盒的底板；底板以熱傳導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，纖維方向的導熱系數(shù)比較高)，振蕩熱管在水平方向上以熱傳導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。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。
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，提高儀器的控溫精度?，F(xiàn)有的控溫技術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。本發(fā)明以相變儲能的方式，節(jié)省了航天器上寶貴的能源。
另外，本發(fā)明中應用的泡沫材料具有重量輕的特點，復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%。通過調整泡沫材料的孔隙率，可達到調整材料導熱率和重量的目的。
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、運行穩(wěn)定等優(yōu)點，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。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。這些實施例應理解為僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護范圍。在閱讀了本發(fā)明記載的內容之后，本領域技術人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等效變化和修飾同樣落入本發(fā)明權利要求所限定的范圍。
如圖1所示，應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，工質為氨；相變材料1為十六烷，其熔點為16. 7°C;泡沫材料2為鋁泡沫，其孔隙率為90%，纖維方向導熱系數(shù)為43W/(m. °C )，垂直纖維方向導熱系數(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的底板內側。振蕩熱管3、輻射盒4為鋁材質，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。 基于振蕩熱管傳熱熱流密度大，傳熱量大等特點。本裝置尤其適于對熱流密度大， 散熱量大的器件的散熱。具有熱響應速度快、控溫精度高、重量輕等優(yōu)點。
權利要求
1.一種快速響應散熱儲能裝置，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)設置在輻射盒內部，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側， 泡沫材料( 設置在輻射盒內部，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)的內壁、泡沫材料⑵和振蕩熱管⑶之間。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種快速響應散熱儲能裝置，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)權利要求2所述的一種快速響應散熱儲能裝置，其特征在于，泡沫材料( 發(fā)泡時的纖維的方向平行于輻射盒的底板平面。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種快速響應散熱儲能裝置，其特征在于，輻射盒(4)為四周封閉的金屬腔。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種快速響應散熱儲能裝置，其特征在于，輻射盒(4)的四周壁外側和上側外側表面噴涂吸收發(fā)射比低的涂層。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種快速響應散熱儲能裝置，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散熱儲能裝置，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熱性能、泡沫材料的大比表面積和各向異性導熱性能以及相變材料的大相變潛熱，具有熱容大、導溫系數(shù)大等特點，可應用于發(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。
文檔編號H05K7/20GK102497764SQ20111036245
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月15日 優(yōu)先權日2011年11月15日
發(fā)明者毛云杰, 童鐵峰, 翟載騰, 陳福勝 申請人:上海衛(wèi)星工程研究所