一种空间环境被动自循环相变散热系统及其工作方法

1.本发明属于散热器技术领域，涉及一种空间环境被动自循环相变散热系统及其工作方法。


背景技术：

2.当航天器离开地球表面高度的增加，大气压力降低，逐渐达到极高真空状态。当航天器在空间运行时处于微重力状态，航天器结构分为非密封结构与密封结构。非密封结构航天器，在入轨过程中，舱内气体进入空间，使舱内处于真空状态，不存在对流换热，对密封结构的航天器，在空间微重力作用下，舱内因温度差而差生的空气自然对流换热非常微小，可以忽略不计。
3.对于航天器内部的热量收集，主要采用传导和辐射的方式，除非有特殊的需要，可以考虑气体的对流换热的方式，但由于微重力的影响，必须采用风机进行强迫对流。这种冷却效率低可能效率只有60％左右，风机比较容易损坏且功率大。而特别是高真空(10-6
pa～10-7
pa)条件下，由于面临无空气的对流和传导散热路径，只有金属传导和辐射散热方式，而且接触面间微小间隙将带来热阻散等问题，产品散热设计所采取的有效措施完全不同于地面电子设备，电子设备的散热路径主要有导热散热路径和辐射散热路径。
4.对于小航天器来说，它的紧凑化和小型化设计理念，导致众多的电子元件集成在越来越小的区域内，从而热密度急剧增加，再加上所述的特殊的环境条件，使得电子器件的散热更加困难。因此，小航天器的热分析和设计工作的重要性就显得尤为突出。
5.随着尖端技术的迅速提升及国防工业的现实需求，研发出空间环境电子器件散热技术有着重大的现实意义与应用价值。现今芯片集成度越来越来越高，会存在电子迁移的现象。电子元件的工作温度如果升高10℃，其可靠性会减少50％。而电子器件失效问题的55％都是由于过热引起的。要保证芯片能够正常工作，必须维持电子器件的表面温度及内核相对于较低水平。
6.目前航空电子设备中采用的散热技术主要为：热管散热。其主要有蒸发段、绝热段、冷凝段三个部分，首先蒸发段吸收热量后沸腾成气体，在气压差的作用下驱动上升进入冷凝段，散热冷凝为液体释放能量，通过热管的吸液芯送回到蒸发段。缺点：比较低的蒸汽流动黏粘力，所以流体都达到沸腾汽化时候，散热效果降低，其精确控温能力不足，如果散热流体不能回流，将引发蒸发段烧干，热管也相继停止工作。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种空间环境被动自循环相变散热系统及其工作方法，解决了热管散热存在的不能回流的问题。
8.本发明是通过以下技术方案来实现：
9.一种空间环境被动自循环相变散热系统，包括第一热端、第二热端、冷端和控制器，第一热端设置在发热源旁，在第二热端与第一热端中间设有半导体制冷片；半导体制冷
片面向第一热端的一面用于吸热，面向第二热端的一面用于放热，在第二热端与第一热端间形成压力差；
10.第一热端中充有冷却液，第一热端的出口与冷端进口连接，冷端出口与第二热端进口连接，第二热端出口与第一热端进口连接，形成循环回路；
11.在第一热端和第二热端上均设有温度检测计；
12.温度检测计、热源及半导体制冷片均与控制器连接，控制器中存储有第一温度阈值，用于当第一热端的温度达到第一温度阈值时，启动半导体制冷片；
13.控制器中存储有温度差阈值和持续时间，用于当第二热端和第一热端的温度差超过温度差阈值且达到持续时间时，关闭半导体制冷片。
14.进一步，半导体制冷片由半导体材料制成。
15.进一步，半导体制冷片是由一块n电子型的半导体材料和一块p电子型半导体材料制成的热电偶。
16.进一步，在冷端出口与第二热端进口连接的管路上设有单向阀a，第二热端出口与第一热端进口连接的管路上设有单向阀b。
17.进一步，冷端上设有散热片。
18.进一步，冷却液采用惰性液体。
19.进一步，在第二热端的出口端设有积液腔。
20.本发明公开了所述的一种空间环境被动自循环相变散热系统的工作方法，包括以下过程：
21.第一热端在热源的作用下，冷却液蒸发体积膨胀，在不断的热源作用下产生驱动力，夹带液体推向冷端散热，在冷端冷凝散热，热量通过冷端散热，冷端持续的冷凝积液，在第一热端不断产生的压力下，流向第二热端；
22.当第一热端达到第一温度阈值时，半导体制冷片开始工作，面向第一热端的一面制冷吸热，面向第二热端的一面放热；第二热端在半导体制冷片散热面的作用下，液体吸热蒸发体积膨胀压力增加，压力和液体不断积累，在大于第一热端的压力时，流向第一热端；
23.当第二热端的温度逐渐超过第一热端的温度，在第一热端和第二热端之间形成温度差，当温度差超过温度差阈值且达到持续时间后关闭半导体制冷片。
24.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
25.本发明公开了一种空间环境被动自循环相变散热系统，包括第一热端、第二热端、冷端和控制器，第一热端中充有冷却液，第一热端的出口与冷端进口连接，冷端出口与第二热端进口连接，第二热端出口与第一热端进口连接，形成循环回路；第一热端在热源的作用下冷却液快速相变吸热，液体相变气体，体积膨胀，达到一种喷射效果，对液体达到一种冲击状态，驱动液体，蒸发膨胀的气体和驱动的液体运动到冷端，与冷端壁面接触进行散热，形成一种对流换热的方式，冷端积累一定的气压和液体时候，冷端与热端进行蒸汽和液体之间的交换。冷却液在三端相变蒸发冷却进行换热，此循环系统动力来源是被散热的热源热量，作为唯一的循环动力。系统内部是真空状态，这样循环系统可以适应空间环境，其冷却液也可快速的到达沸点，支撑整个系统进行循环。两个热端之间加半导体制冷片，半导体制冷片利用半导体材料的peltier效应，其一面吸收热量和一面放出热量，确保两个热端之间存在压力差。此根据卡诺循环原理，设计出在系统无外接泵等动力装置下，散热系统内部
可自主循环。依靠热源自身热量冷却液进行相变吸热蒸发膨胀，内部之间根据热源产生的动力，驱动着流体进行循环交换，所以系统能够自循环起来。整个系统无外加动力装置，结构简单，设备轻便。
26.进一步，在冷端出口与第二热端进口连接的管路上设有单向阀，第二热端出口与第一热端进口连接的管路上设有单向阀。两个单向阀相当于两个热泵，根据不同压力差在热端和冷端、热端和热端之间进行热量与介质之间的交换。也保证系统能够循环。
27.进一步，在第二热端的出口端设有积液腔，可以快速得让腔体内的压力增加然后进行介质交换。
附图说明
28.图1是本发明一种电子器件相变式散热密闭自循环系统的结构示意图；
29.其中，1.第一热端，2.第二热端，3.冷端，4.单向阀a，5.单向阀b，6.散热片，7.半导体制冷片，8.热源，9.控制器，10.温度检测计，11.积液腔。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
31.如图1所示，本发明公开了一种空间环境被动自循环相变散热系统，包括第一热端1、第二热端2、冷端3和控制器9，第一热端1设置在发热源8旁，在第二热端2与第一热端1中间设有半导体制冷片7；半导体制冷片7面向第一热端1的一面用于吸热，面向第二热端2的一面用于放热，在第二热端2与第一热端1间形成压力差；第一热端1中充有冷却液，第一热端1的出口与冷端3进口连接，冷端3出口与第二热端2进口连接，第二热端2出口与第一热端1进口连接，形成循环回路；在第一热端1和第二热端2上均设有温度检测计10；温度检测计10、热源8及半导体制冷片7均与控制器9连接。
32.冷端3分别与第一热端1、第二热端2通过管路连接，在冷端3和第二热端2之间设有单向阀a4，方向从冷端3指向第二热端2；第一热端1和第二热端2连接之间也设有一个单向阀b5，方向第二热端2指向第一热端1。由于管路中设置有两个单向阀，能够保证系统液体和气体能够单向运动。
33.温度检测计10和控制器9还有热源8，其作用是模拟芯片等器件散热温度。半导体制冷片7作用是为两个热端循环提高一个温度差，形成一个压力差，之间才能进行热量与介质之间的交换。
34.本发明一种空间环境被动自循环相变散热系统的工作原理具体如下：
35.按照图纸和工艺要求组装好后，系统内部是真空状态，当热源8开始工作的时候，冷却液很快达到沸腾。液体相变蒸发，带走发热源8的热量，蒸发的气体和驱动的液体，遇到冷端3的内壁时散热。由图1可知第二热端2两端各有一个单向阀，所以整个系统的气体只会往一个方向扩散。第一热端1在热源8的作用下，冷却液蒸发体积膨胀，在不断的热源8作用下产生一定的驱动力，夹带液体推向冷端3散热，然后在冷端3冷凝散热，热量也会通过冷端3上的散热片6，将热辐射形式散发出去，冷端3持续的冷凝积液，会在第一热端1不断产生的压力下，达到单向阀的阈值时推动积液的冷却液通过单向阀a4，流向第二热端2。
36.第二热端2和第一热端1之间有一个半导体制冷片7是此系统循环关键，半导体制
冷片7是现有技术，是一块n电子型的半导体材料和一块p电子型半导体材料相互接触的热电偶，有电流通过时，两端之间会发生热量转移，热量从一端到另一端，从而形成温差。
37.半导体制冷片7一开始不启动，只有在第一热端1达到设定的温度时候，半导体制冷片7开始工作，面向第一热端1的一面制冷吸热，面向第二热端2的一面放热。第二热端2同样在半导体制冷片7散热面的作用下，液体吸热蒸发体积膨胀压力增加，压力和液体在积液腔11中不断积累，在大于第一热端1的压力和单向阀阈值时，液体通过单向阀b5，流向第一热端1。整个循环就是两端之间不断产生压力差，单向阀a4和单向阀b5交替打开，促使整个回路在被动式循环。第一热端1和第二热端2相当于两个热机，热能驱使着液体和蒸汽进行整个系统的交换。
38.半导体制冷片7的制冷端3面向第一热端1，半导体制冷片7的散热端面向第二热端2。第一热端1温度为t1，第二热端2的温度为t2，为了避免开始启动时t2＞t1，在第一热端1设置一个预期的温度，运行后当温度检测计10检测到第一热端1的温度达到预期值后，半导体制冷片7开始工作，对第一热端1面进行制冷第二热端2面进行加热，第一热端1和第二热端2之间形成温度差δt，δt＝t
2-t1，当温度差超过温度差阈值且达到持续时间后关闭半导体制冷片7。温度差作用是当第二热端2温度比第一热端1温度高，其积液腔11压力值也随之增加大于第一热端1压力值后，第二热端2的介质流向第一热端1。
39.以下以一个具体的实施例进行说明：
40.热源8采用芯片，第一热端1设置的预期温度为50℃，冷却液采用去离子水，当系统内部抽真空抽到真空度为-95kpa，去离子水的沸点就只有36度，芯片的普遍工作温度为45℃左右。
41.当芯片工作温度达到36℃时，去离子水很快达到沸腾，液体相变蒸发，带走发热源8的热量，蒸发的气体和驱动的液体，遇到冷端3的内壁时散热，由图1可知第二热端2两端各有一个单向阀，所以整个系统的气体只会往一个方向扩散。第一热端1在热源8的作用下，冷却液蒸发体积膨胀，在不断的热源8作用下产生一定的驱动力，夹带液体推向冷端3散热，然后在冷端3冷凝散热，热量也会通过冷端3上的散热片6，将热辐射形式散发出去，冷端3持续的冷凝积液，会在第一热端1不断产生的压力下，达到单向阀的阈值时推动冷却液通过单向阀a4，流向第二热端2。
42.第一热端1设置的预期温度为50℃，当温度检测计10检测到第一热端1的温度达到50℃后，控制器9启动半导体制冷片7开始工作，对第一热端1面进行制冷同时对第二热端2面进行加热，第一热端1和第二热端2之间形成温度差，当温度差超过10℃且维持30～60s后关闭半导体制冷片7，当第二热端2的积液腔11压力值大于第一热端1压力值后，第二热端2的介质流向第一热端1。
43.综上，本发明一种空间环境被动自循环相变散热系统具有以下的特点：
44.1)相对于其他散热方式来说结构简单，不使用动力机械，可靠性高，使用环境适应于空间环境和普通环境。
45.2)此系统是自循环散热装置，节省空间与能耗。解决很多小能耗和空间短缺的一些场景问题。可以运用于航天芯片散热和一些需要长久待机状态能量紧缺的设备。
46.3)此系统的冷却液可以选择惰性液体，对于器件的安全性也得到保证。
47.芯片温度始终在环境温度或者以上，此系统可以在真空环境下进行高效率散热，
且可靠性高。此系统包括两个热端和一个冷端3，冷却液在三端相变蒸发冷却进行换热，系统中设有两个单向阀保证系统单向循环。此循环系统动力来源是被散热的热源8热量，作为唯一的循环动力。系统内部是真空状态，这样循环系统可以适应空间环境，其冷却液也可快速的到达沸点，支撑整个系统进行循环。其在热源8的作用下冷却液快速相变吸热，液体相变气体，体积膨胀，达到一种喷射效果，对液体达到一种冲击状态，驱动液体。蒸发膨胀的气体和驱动的液体运动到冷端3，与冷端3壁面接触进行散热，形成一种对流换热的方式。冷端3积累一定的气压和液体时候，达到单向阀的阈值后，冷端3与热端进行蒸汽和液体之间的交换。两个热端之间加半导体制冷片7，半导体制冷片7利用半导体材料的peltier效应，确保两个热端之间存在压力差。整个系统内部不断地相变，达到循环和散热的效果。
48.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。