一种基于异种合金连接材料的导热系数可调热开关式热管的制作方法

本发明涉及航天热控，特别是涉及一种基于异种合金连接材料的导热系数可调热开关式热管。

背景技术：

1、热开关是一种能够建立和切断两个部件之间的热连接的热控装置，能够根据需要自动导通或断开传热路径。热开关技术对于解决内部热源或外部环境变化剧烈场合的热控设计难题具有重要作用，它能够自动地控制电子设备或仪器的温度，而不需要使用恒温控制器和加热器等辅助设备，因此无补偿功率、加热器及其控制电路和相关控制软件等需求，对于优化热控系统具有重要意义。

2、例如，对于月面工作的探测器，外界温度环境变化剧烈。月昼期间，月面日下点最高温度120℃，而月夜期间，月表温度迅速降至-180℃，持续340小时。仪器设备的热沉(散热面)暴露于环境中，如采用恒定热导材料传热，且无其他热控措施，则设备将随热沉在-180℃～120℃的温度范围波动，设备寿命将严重缩短、可靠性也将极大降低。因此，仪器设备月昼高温下散热和月夜低温下保温是月球探测的关键技术之一。利用热开关技术，实现设备与热沉间的“导通-断开”传热模式成为解决散热和保温矛盾的有效途径。

3、热开关建立两个被连接部件之间的热连接和切断，通常有三种模式。第一种是通过具有温度、磁、静电等效应的装置、材料产生的驱动力或变形，使热开关中活动部件的伸缩或位移，从而改变活动部件与固定部件的接触状态，实现传热链路的导通或断开，例如石蜡驱动热开关、记忆合金驱动热开关、微膨胀热开关、静电驱动热开关等，这一类热开关可定义为“界面接触式热开关”；第二种是通过在热开关内部间隙中填充或移除用于建立热连接的气体或液体，实现传热链路的导通或断开，例如气隙/液隙热开关，这一类热开关可定义为“介质填充式热开关”；第三种是通过特殊物理效应大幅度改变热开关内部传热途径的传热系数，实现传热路径的导通或断开，例如超导热开关，这一类热开关可定义为“导热系数可调式热开关”。

4、热开关的基本特性主要包括：工作温度范围、导通热导、断开热导、开关比等。其中，导通热导是表征热开关导通时单位温差下传递热量能力的指标，量纲为w/℃，通常当设备的热耗较大时，需要高的导通热导；断开热导是表征热开关断开时单位温差下漏热特性的指标，量纲为w/℃，通常当航天器外部为深低温环境时，为减小系统漏热，断开热导越低越好；开关比为导通热导与断开热导的比值，是表征热开关导热调控能力的指标，当需要大范围的调控时，则需要大的开关比。

5、对于界面接触式热开关/机械式热开关，均存在活动部件，且仅适用于热源和散热面距离相对较近的场合；对于介质填充式热开关，也需要特殊装置实现内部间隙中填充或移除相应气体或液体。上述原因导致这两类热开关的可靠性和寿命不高，尤其在温度变化范围较大时使用严重受限，而且成本偏高。

6、对于导热系数可调式热开关，例如超导热开关，超导体中的电子不参加热传递，因此，超导体的热导仅依赖于超导体中数量较少的声子。通过在超导体上施加磁场可以破坏超导性能，使电子参与热传递，其材料的热导可以增大1000倍，超导热开关正是利用这种机理研制而成。由于超导体一般需要在非常低的温度下才具有上述特性，因此超导热开关一般仅适用于超低温设备，而且易受磁场干扰。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于异种合金连接材料的导热系数可调热开关式热管，本发明可以在常温区建立两相高效传热，在低温区切断两相传热的导热系数，仅靠装置自身物理效应实现传热系数的大幅度改变。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于异种合金连接材料的导热系数可调热开关式热管，包括依次连接的吸热段、第一绝热段、隔热段、第二绝热段、放热段，所述吸热段、第一绝热段、隔热段、第二绝热段、放热段构成封闭空腔，所述吸热段与热源之间固定式热连接，所述放热段与冷源之间固定式热连接，所述封闭空腔用于注入传热工质；

3、所述导热系数可调热开关式热管在传热工作过程中，所述热源的热量传递至所述吸热段，所述热源的热量通过所述吸热段传递至所述传热工质，所述传热工质吸热蒸发后形成的蒸气依次经过第一绝热段、隔热段、第二绝热段传递至放热段，在所述放热段发生冷凝放热，并通过所述放热段传递至所述冷源。

4、在本发明的一实施例中，所述吸热段、第一绝热段、隔热段、第二绝热段、放热段的内部均设置有用于为所述传热工质提供驱动力的毛细结构，且各段所述毛细结构之间相互贯通。

5、在本发明的一实施例中，所述毛细结构为毛细槽道或多孔介质。

6、在本发明的一实施例中，所述吸热段、第一绝热段、隔热段、第二绝热段、放热段之间的连接方式为固定连接；所述吸热段与所述热源之间的热连接方式为接触式固定连接或非接触式固定连接；所述放热段与冷源之间的热连接方式为接触式固定连接或非接触式固定连接。

7、在本发明的一实施例中，所述传热工质在所述热源的工作温度范围内为气液两相态，且所述传热工质为八氟环丁烷、氨、甲烷、酒精、氖中的一种或多种。

8、在本发明的一实施例中，所述吸热段、第一绝热段、第二绝热段、放热段的材料为同种材料或异种材料；且所述隔热段与所述吸热段、第一绝热段、第二绝热段、放热段之间的材料为异种材料。

9、在本发明的一实施例中，所述吸热段、第一绝热段、第二绝热段、放热段的材料为铝合金或铜。

10、在本发明的一实施例中，所述隔热段的材料为不锈钢或钛合金。

11、在本发明的一实施例中，所述吸热段、第一绝热段、隔热段、第二绝热段、放热段之间的连接方式为采用焊接固定连接。

12、在本发明的一实施例中，所述导热系数可调热开关式热管在传热工作过程中，所述热源产生热量，且温度高于所述传热工质的凝固点时，所述吸热段在所述热源的加热作用下，所述吸热段的温度升高，所述传热工质吸热汽化，以形成气体工质，所述气体工质经过所述第一绝热段、隔热段、第二绝热段向放热段流动；所述气体工质进入所述放热段后遇冷放热冷凝，以形成液体工质，所述液体工质经过所述第二绝热段、隔热段、第一绝热段回到吸热段内，重复上述传热工作过程实现对所述热源的冷却。

13、如上所述，本发明的一种基于异种合金连接材料的导热系数可调热开关式热管，具有以下有益效果：

14、(1)本发明的基于异种合金连接材料的导热系数可调热开关式热管，可以在常温区(-35℃～180℃)建立两相高效传热、在低温区(-40℃以下)切断两相传热的导热系数，不含活动部件、传热距离可不受限制，仅靠装置自身物理效应实现传热系数的大幅度改变。

15、(2)本发明相比于结构复杂、可靠性低、传热距离近的常规热开关，本发明的结构简单、不含活动部件，因此可靠性较高。传热主体即为装置内传热工质的两相流动传热、材料本身导热占比很低，一般低于2％，可实现远距离传热，目前已经可以实现5米长度的导通状态传热，其传热距离主要受限于相关加工工艺。

16、(3)本发明相比于常规单一合金的导热系数可调式热开关，本发明引入导热系数更低的金属作为隔热段，而且本发明的隔热段与吸热段、第一绝热段、第二绝热段、放热段材料选择导热系数不同的异种材料，采用适当手段使得隔热段材料与第一绝热段、第二绝热段材料可靠连接，即可实现热开关式热管开关比的调整。通过合理选取低导热系数材料作为隔热段，即可实现热开关式热管开关比的提升。