快响应相变温控装置的制作方法

本发明涉及一种快响应相变温控装置，尤其是适用于高功率、短时间工作、结构尺寸严格受控的弹载、星载设备的快响应相变温控装置。

背景技术：

随着微波技术的进步，相控阵天线正朝着高集成、大功耗(热耗达2000w)、小型化的方向发展,对天线的热设计提出了更高的要求。相控阵天线具有高功率工作时间有限、工作时发热量大、散热环境缺失的特点，但受限于结构尺寸、能源携带总量等因素，无法提供强迫风冷和液冷、低温制冷温控等主动热控手段，热沉储热是其散热的最主要方式。卫星在轨运行时，因轨道的外热流变化很大，致使星载设备的热负荷发生巨大变化。尤其是对如星载光学成像探测系统等周期性脉冲式工作、热容较小工作温度范围窄、对温度波动性有很高要求的设备而言，对发热设备实现等温和恒温控制就显得尤其重要。

由于相变材料在相变过程中具有等温或近似等温、吸收/释放潜热量大的优点，特别适用于星载仪器设备，相变材料的另一特点是没有运动部件，原则上可以在寿命周期内进行多次的可逆工作，具有很高的可靠性。

目前符合航空航天领域电子、光学类器件/设备环境的相变材料为石蜡类，譬如天线后端的温控插拔模块、阿波罗月球车通讯中继单元温控装置、“漫游者”火星着陆器电池温控装置其相变材料主体均为高碳醇、正十二烷、十六烷、二十烷等石蜡材料。这些传统的相变温控装置在当前的背景及环境条件下存在以下缺陷和不足：

a)热响应速率低

传统相变温控装置的pcm为普通石蜡，其导热系数在0.24w/(m·k)左右，低导热率使得相变材料在吸收或释放能量时响应速率低，影响被控器件/设备的热量传输，降低了相变材料的传热性能和储能性能，不能快速的发生相变以使温控装置满足短时高功率热冲击的工作场合。

b)固液相变体积变化大，易泄漏，可靠性低

传统相变温控装置相变材料由固相到液相的变化，其体积发生较大变化。一方面，固液相变的相变材料封装困难，使用时长期体积的往复变化会使得相变材料性能降低；另一方面，由体积变化所导致的膨胀力非常巨大，会引起封装相变材料的金属储能腔体变形或破坏，导致相变材料泄露或对其他设备造成挤压损伤，在使用时存在一定的安全隐患，降低了相变温控系统使用的可靠性。

c)对安装平台空间要求高，需设计专门安装空间

传统相变温控装置相变材料的低热导率限制其只能布置在发热器件/设备的周边，以弥补其低导热率带来的低响应速率，这对以前结构空间尺寸有余量的平台而言是可行的。而对当下结构空间非常紧凑、形状又不规则的弹载、星载平台而言，需控温器件/设备的发热量越来越大，需要的相变材料填充量也越来越多，此时传统相变温控装置已无用武之地。

d)通用性差，模块率低

传统相变温控装置由于其相变材料自身热扩展率低，所以温控装置在设计时必须照顾热源的外形及位置，通常将相变材料用金属储能腔体封装后紧贴在发热组件边上或是用相变材料将发热组件包裹后再整体封装，这些设计使得温控装置结构千差万别，无法形成系列化的产品，通用性差，模块率低，组件维护替换的成本巨大。

技术实现要素：

本发明的目的是针对当前弹载、星载平台日益增长的热设计难题，结合传统相变温控装置的不足之处与相变材料的技术发展，提供一种热响应速率快、无泄露、可靠性高、适用于狭小空间与复杂平台安装环境、通用性强、能够满足当前弹载与星载器件/设备的温控要求，适合模块化设计生产的快响应相变温控装置。

本发明实现上述目的快响应相变温控装置包括：一种快响应相变温控装置包括：一端通过金属储能腔体2，另一端与被控温器件/设备5集成的脉动热管php1，其特征在于：脉动热管php1为u型循环管，u型循环管通过填充有石墨基石蜡复合材料作为相变材料的高导热相变材料4和肋片网格结构3，将热端发出的热量通过中空金属环路管体内充的液态介质发生相变，被金属储能腔体2内设高导热相变材料4吸收，经的肋片网格结构3提高热响应速率后，将吸热量后的热量反馈至脉动热管php1冷端；当被控温器件/设备5处于低温环境时，高导热相变材料4通过肋片网格结构3将被控温器件/设备工作时所吸收的热量放出，再经脉动热管php1，循环传递至被控温器件/设备5，对其被控温器件/设备5保温，减小温度波动。

本发明相比传统温控装置具有如下有益效果。

a)热响应速率快

本发明采用一端通过金属储能腔体2，另一端与被控温器件/设备5集成的脉动热管php1，将特殊工艺制成的导热系数可达10w/(m·k)～50w/(m·k)的石墨基石蜡复合材料作为相变材料，相比传统装置的纯石蜡或利用金属泡沫等进行导热增强的传统相变材料，在大幅度提高其导热系数的同时，相变焓变亦可高达175j/g；其中，在金属储能腔体内设肋片网格结构，相比于现有技术直接将一整块相变材料封装在金属储能腔体内，肋片网格结构增大了相变材料与金属的传热面积，显著提高了热量进入或流出相变材料的速率和热管与金属的高导热响应速率。金属储能腔体内的肋片间距是根据温度梯度规律进行优化设计的，相比于等间距的肋片，利用温度梯度规律进行优化设计的肋片结构能使得金属储能腔体内各处相变材料温度更加均匀，在相变材料相变过程中能更好的为被控温器件/设备提供一个稳定的温度平台。所以本发明不仅可以快速让发热器件/设备达到温控效果，还能提供一个稳定的温度平台，提升了器件/设备的安全余量。

b)无泄露，可靠性高

本发明采用u型循环管通过填充有石墨基石蜡复合材料作为相变材料的高导热相变材料4和肋片网格结构3，将热端发出的热量通过中空金属环路管体内充的液态介质发生相变，被金属储能腔体2内设高导热相变材料4吸收，经的肋片网格结构3提高热响应速率后，将吸热量后的热量反馈至脉动热管php1冷端；相变材料为定形材料在发生相变后在宏观上仍保持固态时的形状，无过冷现象与相分离现象，且经过多次储热放热也能保持初始的结构形状与储热密度，其膨胀系数小，相变体积变化小。因此相对于传统的相变材料，既不会因为相变产生液体，也不会因相变前后体积变化大会导致封装金属腔体变形，避免了传统相变温控装置的泄露问题，还能在多次重复加热/冷却循环后保持自身的物理稳定性和热稳定性，可靠性高。

c)布置灵活，空间利用率高

本发明将高导热相变材料4通过肋片网格结构3将被控温器件/设备工作时所吸收的热量放出，再经脉动热管php1，循环传递至被控温器件/设备5，对其被控温器件/设备5保温，防止低温冻伤器件/设备。将被控器件/设备与金属储能腔体分离设计，并利用传热效率高、传热距离远、受重力影响小的脉动热管作为器件/设备与相变材料间的热量传递媒介，突破了弹载、星载平台结构空间紧凑、形状不规则的限制。因为一方面脉动热管可以根据安装平台的结构空间进行弯折布置，其长度也能根据被控温器件/设备与金属储能腔体的距离进行设计；另一方面对被控器件/设备与金属储能腔体采用分离设计后，金属储能腔体理论上便可以布置于弹载、星载平台上的任何剩余空间处，这对增加相变材料的填充量，使电子器件/设备能以大功率高性能状态工作，提升其整体性能大有裨益。

d)便于模块化及系列化

本发明对同样的平台而言，金属储能腔体的外形可制成与其他电子设备模块一致的标准模块，譬如机箱的插拔模块，另外由于本发明并不与电子设备模块进行一体化结构设计，因此在维护和更换时电子设备模块与温控装置可以分开进行维护与更换，相比传统组件在维护时将两者一齐替换掉的方式，大大地降低了维护成本。对平台的后续发展型号而言，本发明的金属储能腔体体积可根据其所需要的相变材料填充量进行设计，脉动热管的直径与长度也能相应进行设计，然而制作工艺并无明显变化，因此本发明还可以根据平台型号的发展制成系列化产品。既能在需温控器件或设备发热时对其温控，也能在其不工作，环境温度较低时对其保温。

附图说明

图1是本发明快响应相变温控装置pcm吸热模式原理图。

图2是本图1的结构示意图。

图3是本发明快响应相变温控装置实施例示意图。

图中：1脉动热管，2金属储能腔体，3肋片网格结构，4高导热相变材料，5被控温器件/设备，6热源加热板。

具体实施方式

参阅图1、图2。在以下描述的实施例中，快响应相变温控装置包括：通过内部液体工质相变进行传热的脉动热管php1，填充高导热相变材料4的金属储能腔体2，用于提高热响应速率的肋片网格结构3，用于储存热量的高导热相变材料4。

当被控温器件/设备5工作时，其发出的热量传递至脉动热管php1热端，通过中空金属环路管体内充的液态介质发生相变，将热量带至脉动热管php1冷端，并传递至肋片网格结构3，被金属储能腔体2内设高导热相变材料4吸收，防止被控温器件/设备超温；当被控温器件/设备不工作且处于低温环境时，高导热相变材料将被控温器件/设备工作时所吸收的热量放出，再经脉动热管php传递至被控温器件/设备，对其保温，防止低温冻伤器件/设备。

被控温器件/设备5与金属储能腔体2采用分离设计，两者通过脉动热管1联结。

脉动热管php1为封闭式回路结构，其中一端埋设在金属储能腔体2内部，埋设的方式为将热管直管部分焊接安装在金属储能腔体2设计预留的通孔内，弯曲部分裸露，另一端用于与被控温器件/设备5集成。

金属储能腔体内的肋片间距是根据温度梯度规律进行优化设计的。肋片网格结构3间距沿着远离被控温器件/设备5的方向逐渐减小，高导相变材料(4)均匀紧实地填充于金属储能腔体2中。

金属储能腔体2封装的高导热相变材料4为导热系数在10w/(m·k以上的石墨基石蜡复合材料，该相变材料为粉末状，在相变过程中无宏观对流产生，相变前后体积变化小。

金属储能腔体2四周包覆隔热材料与环境隔热。金属储能腔体2为焊接密封，不会产生鼓包与泄漏等情况。

参阅图3。本图是一种典型的实施例，应用了图1快响应相变温控装置的原理与图2的结构。本实施例处于一密闭封闭罩环境，由2套快响应相变温控装置对热源加热板6进行温控，热源加热板6加热功率由直流稳压电源提供，模拟电子设备的发热。本实施例采用的定形相变材料为相变温度为85℃的石墨基石蜡复合相变材料。温控装置的脉动热管一端交叉并列布置在热源底面，可以有效的保证热源表面温度的一致性。如果热源较大，还可以在此基础上进行扩展，配备更大的或多套快响应相变温控装置，形成一套稳定可靠的高热流密度电子设备。