一种热管理系统

1.本发明涉及航天器热管理技术领域，特别涉及一种热管理系统。


背景技术：

2.中国航天事业的快速发展促使航天器用超大规模集成电路及电子器件向高集成、高频率、高功率及智能化方向发展，其中以空间用激光载荷、载人工程、深空探测等为代表的大功率设备的热流密度大幅提高，对航天器的性能和可靠性造成严重影响。为了确保航天器在深空环境中安全运行，航天器系统的芯片中所产生的热量应被及时导出，并通过热辐射的形式散发到宇宙空间中。
3.相变传热技术具有高效率、高稳定性、高寿命等优势，均热板通过内部工质的相变，可以在小空间内实现热量的快速传递，已经成为解决当前电子器件散热问题的首要选择。
4.聚酰亚胺等柔性导热材料以轻巧的结构、优异的电气绝缘和机械性能，已被广泛运用于航空航天领域中，但因为柔性导热材料的导热性能不佳而限制了柔性导热材料的应用。


技术实现要素：

5.基于此，本发明提供一种能够提高柔性导热材料的导热性能的热管理系统。
6.一种热管理系统，用于对发热元件进行散热，包括：
7.第一柔性导热膜，所述发热元件设置于所述第一柔性导热膜，所述第一柔性导热膜围合成第一容置腔；
8.第二柔性导热膜，所述第二柔性导热膜设置于所述所述第一容置腔内，所述第二柔性导热膜围合成第二容置腔，所述第二容置腔内填充有相变材料，所述相变材料用于储存和释放热量；及
9.密封夹层，所述密封夹层设置于所述第一柔性导热膜与所述第二柔性导热膜之间，所述密封夹层填充有热管理液，所述热管理液受热后能够发生相变以传输所述密封夹层的热量，进而以传输所述第一柔性导热膜和所述第二柔性导热膜的热量。
10.优选地，所述密封夹层包括吸液芯，所述吸液芯设置在所述第一柔性导热膜和所述第二柔性导热膜之间，所述吸液芯具有多个毛细管道，所述热管理液在所述多个毛细管道内流通。
11.优选地，所述吸液芯包括聚乙烯高分子薄膜、聚四氟乙烯高分子薄膜和聚丙烯高分子薄膜中的一种。
12.优选地，所述吸液芯的厚度为0.05～0.1mm。
13.优选地，所述密封夹层还包括支撑网，所述支撑网设置在所述第一柔性导热膜和所述第二柔性导热膜之间，用于支撑所述第一柔性导热膜与所述第二柔性导热膜。
14.优选地，所述相变材料为碳原子数在14～30个之间的至少一种烷烃。
15.优选地，所述相变材料的相变温度为5.5～65.5℃。
16.优选地，所述热管理液包括去离子水、甲醇、乙醇和氟化液中的至少一种。
17.优选地，在所述密封夹层中的压强≤10pa。
18.优选地，所述发热元件通过键合或3d打印固定于所述第一柔性导热膜。
19.与现有方案相比，本发明具有以下有益效果：
20.本发明的热管理系统的发热元件产生的热量的一部分经第一柔性导热膜以热辐射的形式散发，另一部分经过第一柔性导热膜和第二柔性导热膜传递至相变材料内储存，在发热元件的非工作周期，相变材料将储存的热量释放，释放的热量经第二柔性导热膜传递至第一柔性导热膜，并以热辐射的形式散发，并在第一柔性导热膜与第二柔性导热膜之间设置密封夹层，并用填充热管理液，热管理热受热相变成热管理蒸汽，发热元件产生的热量通过热管理蒸汽在第一柔性导热膜和第二柔性导热膜之间传递，从而加提高柔性导热材料的导热性能。
附图说明
21.图1为一实施例的热管理系统的剖视图；
22.图2为一实施例的热管理系统的俯视图；
23.图3为一实施例的热管理系统的局部剖视图；
24.图4一实施例的热管理系统的局部剖视图。
25.其中，100.发热元件；200.第一柔性导热膜；300.第二柔性导热膜；400.相变材料；500.密封夹层；510.吸液芯；520.支撑网。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的试验材料和试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。以下实施例中的定量试验，均设置三次重复实验，数据为三次重复实验的平均值或平均值
±
标准差。
28.另外，全文中的“和/或”包括三个方案，以a和/或b为例，包括a技术方案、b技术方案，以及a和b同时满足的技术方案；另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
29.参考图1，本发明提供了一种热管理系统，用于对发热元件100进行散热，包括第一柔性导热膜200、第二柔性导热膜300和密封夹层500，发热元件100设置于第一柔性导热膜200，第一柔性导热膜200围合成第一容置腔；第二柔性导热膜300设置于第一容置腔内，第二柔性导热膜300围合成第二容置腔，第二柔性导热膜300内填充有相变材料400，相变材料400用于储存和释放热量；密封夹层500设置于第一柔性导热膜200与第二柔性导热膜300之间，密封夹层500填充有热管理液，热管理液受热后能够发生相变以传输密封夹层500的热
量，进而以传输第一柔性导热膜200和第二柔性导热膜300的热量。
30.具体地，本发明的热管理系统的发热元件100产生的热量的一部分经第一柔性导热膜200以热辐射的形式散发，另一部分经过第一柔性导热膜200和第二柔性导热膜300传递至相变材料400内储存，在发热元件100的非工作周期，相变材料400将储存的热量释放，释放的热量经第二柔性导热膜300传递至第一柔性导热膜200，并以热辐射的形式散发，并在第一柔性导热膜200与第二柔性导热膜300之间设置密封夹层500，并用填充热管理液，热管理热受热相变成热管理蒸汽，发热元件100产生的热量通过热管理蒸汽在第一柔性导热膜200和第二柔性导热膜300之间传递，从而加提高柔性导热材料的导热性能。
31.更为具体地，发热元件100可以但不限于航天器芯片。
32.具体地，深空探测的环境具有复杂性，宇宙空间中的高能粒子和射线会穿透航天器的屏蔽层，与内部元器件产生辐射效应，散热系统的封装外壳在空间环境中会面临原子氧腐蚀、高能粒子辐射充放电、电晕放电和极端温度下材料损伤等问题，这些诱因最终会导致聚酰亚胺绝缘材料的失效，引发航天器故障。因此，第一柔性导热膜200为改性的聚酰亚胺薄膜，改性材料为辐射屏蔽元素、耐辐射元素、抗电晕材料和耐原子氧元素。使得第一柔性导热膜200具有耐原子氧侵蚀、耐高温度梯度、抗电晕和耐辐照的特性，第一柔性导热膜200的厚度为0.2mm。
33.进一步地，辐射屏蔽元素包括铅、钡和硼中的至少一种；
34.耐辐射元素包括石墨烯或和碳纳米管中的至少一种；
35.抗电晕材料包括al2o3、tio2和sio2中的至少一种；
36.耐原子氧元素包括硅和磷中的至少一种。
37.具体地，第二柔性导热膜300也为改性的聚酰亚胺薄膜，改性材料为进水及其氧化物的微纳米颗粒、金属纳米线、非金属氧化物颗粒、石墨烯、碳纳米管或碳纤维，使得第二柔性导热膜300具有较高的导热系数，第二柔性导热膜300用于将发热元件100的热量导入相变材料400中储存，第二柔性导热膜300的厚度为0.2mm。
38.参考图2和图3，在一些实施例中，相变材料400的俯视图为正方形，边长为10.8mm，形变材料的厚度为1～1.5mm，第二柔性导热膜300的俯视图为正方形，边长为11mm，高为1mm，预留相变材料400和第二柔性导热膜300的尺寸差，可以防止相变材料400吸热发生相变导致的流动和泄露问题。进一步地，热管理系统的俯视图为正方形，边长为25mm，高度为2～3mm。
39.本发明的热管理系统具有体积小、柔性好、散热效率高、抗辐射能力强的优点，可用于航天器芯片的热管理需求。
40.在一些实施例中，密封夹层500包括吸液芯510，吸液芯510设置在第一柔性导热膜200和第二柔性导热膜之间300，吸液芯具510有多个毛细管道，热管理液在多个毛细管道内流通。
41.具体地，密封夹层500为真空密封。
42.在一些实施例中，吸液芯510包括聚乙烯高分子薄膜、聚四氟乙烯高分子薄膜和聚丙烯高分子薄膜中的一种。
43.在一些实施例中，吸液芯510的厚度为0.05～0.1mm。具体地，吸液芯510通过高温粘接的方式固定在第一柔性导热膜200的真空侧。更为具体地，在第一柔性导热膜200的真
空测固定亲水的吸液芯510，吸液芯510具有良好柔性和毛细性能，能够及时传输热管理液，提高了高热流密度下热管理系统的散热能力。
44.在一些实施例中，密封夹层500还包括支撑网520，支撑网520设置在第一柔性导热膜200和第二柔性导热膜300之间，用于支撑第一柔性导热膜200与第二柔性导热膜300。
45.具体地，支撑网520为热管理蒸汽提供传输空间，支撑网520具有圆柱螺旋线状的支撑线，可以防止相变材料400区域的形变和热管理系统的塌陷。
46.更为具体地，支撑网520为疏水材质。
47.具体地，吸液芯510和支撑网520设置于第一柔性导热膜200和第二柔性导热膜300之间，吸液芯510设置于靠近第一柔性导热膜200的一侧，支撑网520设置于靠近第二柔性导热膜300的一侧。
48.参考图2，在一些实施例中，第一柔性导热膜200包覆在四块第二柔性导热膜300封装的相变材料400外，预留间隙填充支撑网520。
49.在一些实施例中，相变材料400为碳原子数在14～30个之间的至少一种烷烃(石蜡)。
50.在一些实施例中，相变材料400的相变温度为5.5～65.5℃。
51.具体地，相变材料400通过纳米颗粒改性，可以在提高相变材料400的相变潜热的同时，增强相变材料400的导热性能，有利于实现高效热管理。具体地，改性材料为高热导率纳米颗粒，金属纳米线、非金属氧化物纳米颗粒、石墨烯、碳纳米管、膨胀石墨等，相变材料400的厚度为1～1.5mm。同时，纳米颗粒对石蜡具有吸附性，可以增加石蜡的吸附位点，降低了石蜡在熔化后的流动性，可以防止相变材料400吸热膨胀发生泄露，同时也解决了纳米材料在重力条件下易发生沉降的难题，。
52.具体地，对于尺寸为10mm
×
10mm的发热元件100，热管理系统的占地面积不大于30mm
×
30mm，厚度≤3mm。
53.针对的热管理系统具有柔性、蓄热特点，同时厚度方向空间有限，相变材料400呈现扁平状，同时聚酰亚胺和石蜡的导热系数较小，导致难以迅速将发热元件100的热量传递给石蜡的难题。本发明的热管理系统，利用聚酰亚胺薄膜(第一柔性导热膜200和第二柔性导热膜300)的夹层结构，既保证均温和柔性封装的功能，又能使发热元件100在稳定的环境中工作运行。
54.在一些实施例中，热管理液包括去离子水、甲醇、乙醇和氟化液中的至少一种。具体地，密封夹层500中热管理液的充液率为30％左右。
55.具体地，氟化液优选为fc-72和hfe-7100。
56.在一些实施例中，在密封夹层500中的压强≤10pa。
57.在一些实施例中，发热元件100通过键合或3d打印固定于第一柔性导热膜200。
58.本发明的导热机理：
59.发热元件100的工作周期内产生热量，第一柔性导热膜200直接与发热元件100接触，密封夹层500中的热管理液受热发生相变，产生的热管理蒸汽沿着疏水的支撑网520流动，将一部分热量从热端(即靠近发热元件100的一端)带到冷端(即远离发热元件100的一端)，并通过辐射的方式散失，未散失的另一部分热量通过第二柔性导热膜300导入相变材料400中储存起来，在发热元件100的非工作周期内，相变材料400由于储存了热量温度高于
第二柔性导热膜300，因此，通过第二柔性导热膜300再将储存的热量传递到第一柔性导热膜200并散失，从而实现了热管理系统的周期性散热。此外，将相变材料400分块封装在第二柔性导热膜300中，既增加了蒸汽通路(即增加了支撑网520的分布)，同时也增加了相变材料400与热管理蒸汽的接触面积，提高了热管理系统的导热性能和均温作用。解决了使用柔性材料聚酰亚胺直接封装石蜡而产生的柔性材料聚酰亚胺的热量难以迅速传给石蜡的问题，实现了三维快速导热。
60.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
61.以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。