专利名称：一种快速响应散热储能装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种散热装置，尤其涉及一种快速响应散热储能装置。属于航天器热控制领域。
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。对于航天器热控制系统而言，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。现有的冷却方法已无法满足要求， 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，一些空间光学系统为士 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，已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，振荡热管因其尺寸小、重量轻和当量传热量大等特点在这一领域显示出了优势。然而， 虽然振荡热管的导热系数很高，但是换热面积却有限。这使得振荡热管与热汇间的热阻仍然比较大。
振荡热管是在一封闭的蛇形回路毛细管中，充有一定量的工作介质，该介质在表面张力及冷热端温差的作用下形成气液塞状流，并随机的出现在蛇形回路中，通过相变 (蒸发和冷凝)和气液振荡实现热量传递。与普通热管不同，振荡热管内部不是单纯的相变传热，而是集显热传热、相变传热、膨胀功于一体，涉及多物理学科、多参数的气液两相流系统。振荡热管体积小，结构简单。管径小决定了整体尺寸小，符合航天器减重的需求。普通热管受毛细限、沸腾性等的影响，其传热热流密度有限。振荡热管可传递热流密度非常高， 没有普通热管所特有的传热限制。Nishio等人的实验实现了 lOOOW/cm2的热流密度的传递。 振荡热管适应性好，其形状可以任意弯曲。这对航天器中复杂形状器件的热控制十分有利。
泡沫材料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，泡沫材料具有相当大的比表面积，现有的泡沫材料的比表面积已经超过10000m2/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 100m2/m3。大比表面积的泡沫材料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
本发明所要解决的技术问题是解决上述散热器所存在的问题，提供一种体积小、 重量轻、制造成本低廉、热响应快、传热性能高、加工方便、运行稳定的应用泡沫材料和振荡热管的散热装置。
提供一种快速响应散热储能装置，其特征在于，其包括相变材料1、泡沫材料2、振荡热管3和辐射盒4，振荡热管3设置在辐射盒内部，为多组封闭的蛇形回路，每组振荡热管包括加热段和冷却段，所述加热段底部以焊接的方式连接到辐射盒4的底板内侧，泡沫材料2设置在辐射盒内部，并通过发泡方式连接到振荡热管3的外壁和辐射盒4的内壁上，相变材料1以液体状态灌入辐射盒4中，填充在辐射盒4的内壁、泡沫材料2和振荡热管3之间。
泡沫材料2为金属泡沫、石墨泡沫或炭泡沫。
泡沫材料)发泡时的纤维的方向平行于辐射盒4的底板平面。
辐射盒4为四周封闭的金属腔。
辐射盒4的四周壁外侧和上侧外侧表面喷涂吸收发射比低的涂层。
相变材料1包括高温相变材料、中温相变材料和低温相变材料，高温相变材料为熔融盐或金属合金；中温相变材料为水合盐、有机物或高分子材料；低温相变材料为冰或水凝胶。
本发明的工作原理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。利用振荡热管的高导热性能，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；振荡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。泡沫材料拥有大的比表面积和大的导热系数，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。本发明结合相变材料的大比热容、振荡热管的高导热系数和泡沫材料的大比表面积，发明了一种拥有大热容、大导温系数的散热装置。另外，由于泡沫材料空隙的平均孔径比较小，相变材料溶化后与泡沫材料接触所产生比较大的毛细力。毛细力有利于固定相变材料，可以防止相变材料溶化后的随机流动。振荡热管的蛇形回路设置，特别是平行于底板方向的弯管，较普通热管更能增大散热装置的导温系数。并且，振荡热管的高散热热流密度使本发明散热装置的传热性能几乎不受限制。
相对于现有技术，本发明散热装置中，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；热管通过焊接等方式连接到辐射盒的底板上；泡沫材料通过发泡的方式连接到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、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。
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振荡热管的热端；振荡热管将热量向与辐射盒底板垂直和平行的方向传递；泡沫材料的纤维方向与辐射盒底板平行(泡沫材料为各向异性材料，纤维方向的导热系数比较高)，振荡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；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。
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。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。本发明以相变储能的方式，节省了航天器上宝贵的能源。
另外，本发明中应用的泡沫材料具有重量轻的特点，复合航天器减重的需求。相同体积的泡沫材料一般为同种纯金属重量的5% 20%。通过调整泡沫材料的孔隙率，可达到调整材料导热率和重量的目的。
本发明主要是在振荡热管外部发泡了泡沫材料，本发明具有体积小、重量轻、成本低、传热效率高、运行稳定等优点，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。
图1是应用铝泡沫和振荡热管的散热装置。
图中1相变材料，2泡沫材料，3振荡热管，4辐射盒。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
如图1所示，应用泡沫材料和振荡热管的散热装置包括相变材料1，泡沫材料2，振荡热管3，辐射盒4 ；其中，振荡热管3的管材为铝，工质为氨；相变材料1为十六烷，其熔点为16. 7°C;泡沫材料2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4为壁厚3mm的铝制封闭金属腔。振荡热管3为多组封闭的蛇形回路，每组振荡热管分为加热段、冷却段，加热段底部以焊接的方式连接到辐射盒4的底板内侧。振荡热管3、辐射盒4为铝材质，泡沫材料2为同一种材料能有效的减小他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。泡沫材料3以发泡的方式连接到振荡热管3和辐射盒4的内壁上。相变材料1 加热后以液体的状态注入泡沫材料3的空隙之间。相变材料1固化后，将辐射盒4的上盖板以焊接的方式连接到辐射盒4四周壁的上侧。 基于振荡热管传热热流密度大，传热量大等特点。本装置尤其适于对热流密度大， 散热量大的器件的散热。具有热响应速度快、控温精度高、重量轻等优点。
权利要求
1.一种快速响应散热储能装置，其特征在于，其包括相变材料(1)、泡沫材料O)、振荡热管C3)和辐射盒G)，振荡热管C3)设置在辐射盒内部，为多组封闭的蛇形回路，每组振荡热管包括加热段和冷却段，所述加热段底部以焊接的方式连接到辐射盒的底板内侧， 泡沫材料( 设置在辐射盒内部，并通过发泡方式连接到振荡热管( 的外壁和辐射盒(4) 的内壁上，相变材料(1)以液体状态灌入辐射盒中，填充在辐射盒(4)的内壁、泡沫材料⑵和振荡热管⑶之间。
2.根据权利要求1所述的一种快速响应散热储能装置，其特征在于，泡沫材料( 为金属泡沫、石墨泡沫或炭泡沫。
3.根据权利要求2所述的一种快速响应散热储能装置，其特征在于，泡沫材料( 发泡时的纤维的方向平行于辐射盒的底板平面。
4.根据权利要求1所述的一种快速响应散热储能装置，其特征在于，辐射盒(4)为四周封闭的金属腔。
5.根据权利要求1所述的一种快速响应散热储能装置，其特征在于，辐射盒(4)的四周壁外侧和上侧外侧表面喷涂吸收发射比低的涂层。
6.根据权利要求1所述的一种快速响应散热储能装置，其特征在于，相变材料(1)包括高温相变材料、中温相变材料和低温相变材料，高温相变材料为熔融盐或金属合金；中温相变材料为水合盐、有机物或高分子材料；低温相变材料为冰或水凝胶。
全文摘要
本发明公开了一种快速响应散热储能装置，包括相变材料(1)、泡沫材料(2)、振荡热管(3)和辐射盒(4)，振荡热管(3)焊接到辐射盒(4)的底板，泡沫材料(2)通过发泡的方式连接到振荡热管(3)外壁和辐射盒(4)内壁，相变材料(1)以液体状态灌入辐射盒(4)，填充在辐射盒(4)内壁、泡沫材料(2)和振荡热管(3)之间。本发明利用振荡热管的高导热性能、泡沫材料的大比表面积和各向异性导热性能以及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、系统可靠等优点。
文档编号H05K7/20GK102497764SQ20111036245
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月15日 优先权日2011年11月15日
发明者毛云杰, 童铁峰, 翟载腾, 陈福胜 申请人:上海卫星工程研究所