基于固体材料储能的弹载设备散热装置及其设计方法

本发明涉及固体相变储能领域，具体涉及一种基于固体材料储能的弹载设备散热装置及其设计方法。

背景技术：

1、弹载设备中的电子元件存在较大的功耗，其产生的热量会导致设备内温度快速上升，并超过许用温度范围。提升弹载设备散热效率可以延长电子元件的工作时间。由于弹载设备存在空间狭小、稳定性要求高等限制，传统的风冷、液冷方法难以应用，目前人们多采用固体导热储能的被动冷却方式提升弹载设备的散热能力。

2、目前的弹载储热常使用铝合金，或者金属复合材料(如铝-石蜡复合材料)，其中复合材料多使用潜热较大的石蜡等非金属相变材料以增加装置的储热能力。然而非金属相变材料的导热系数较低，需要较长的换热时间和换热面积才能发挥其全部的储热能力。而在弹载设备中，其电子元件升温速度较快，需要散热装置尽可能快地将热量导出。因此，拥有更好导热能力和相变潜热的形状记忆合金有潜力应用于该类短时间的弹载设备储热中。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种基于固体材料储能的弹载设备散热装置及其设计方法，延长弹载设备中电子元件的运行时间。

2、为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：

3、一种基于固体材料储能的弹载设备散热装置，包括设置在外框架内部的冷板、电子元件和非热源组件；所述的冷板布置在下方，非热源组件固定在冷板上方的外框架上；冷板为顶部开口的凹槽形结构，且凹槽形结构的内侧加工有多根肋条，所述的电子元件通过肋条安装固定；所述的冷板使用固体储能材料制成，冷板从电子元件中吸热。

4、作为优选，所述的固体储能材料为形状记忆合金材料，在所述冷板的外侧夹持设置有自锁结构；所述的自锁结构内布置有驱动器，通过自锁结构能够对冷板提供向内的驱动力；当需要散热时，所述的自锁结构驱动冷板向内变形，冷板与电子元件紧贴，冷板在驱动力作用下发生变形，形状记忆合金材料发生从马氏体到奥氏体的相变，相变过程产生弹热效应，从电子元件中吸热。

5、作为优选，所述的冷板利用自身的热容与相变潜热降低电子元件运行时的温度，当电子元件的温度低于冷板的相变温度时，冷板靠热传导将电子元件中的热量导出；当电子元件的温度高于冷板的相变温度时，通过自锁结构驱动冷板变形，产生弹热效应，降低电子元件的温度。

6、作为优选，所述冷板的马氏体-奥氏体相变由自锁结构控制，具体控制逻辑如下：

7、电子元件的温度低于初始值t0：自锁结构不运行；

8、电子元件的温度高于初始值t0，但低于(tt–5k)，tt为形状记忆合金相变温度，电子元件需要保持低温状态：控制自锁结构运行，令冷板的内壁与电子元件的外壁紧密接触，并令冷板产生3％-5％的形变，发生弹热效应，对电子元件快速降温；

9、电子元件的温度高于初始值t0，但低于(tt–5k)，tt为形状记忆合金相变温度，电子元件不需要保持低温状态，仅设定上限温度tm：控制自锁结构运行，令冷板的内壁与电子元件的外壁紧密接触，冷板不产生额外的变形，仅依靠冷板的热容从电子元件中导热散热；当温度达到tt+0.5*(tm-tt)时，自锁结构开始运行，令冷板产生3％-5％的形变，发生弹热效应；

10、电子元件温度高于(tt+15k)，tt为形状记忆合金相变温度：控制自锁结构对冷板施加驱动力，令冷板与电子元件紧密接触，不产生额外变形，这一情况的控制逻辑优先级最高。

11、作为优选，对于温度分布不均或大尺寸的电子元件，所述的固体储能材料为形状记忆合金材料组合其它材料形成复合结构材料，所述冷板靠近中间的部分使用导热系数较高、储热能力较低的材料；而两侧则使用导热系数较低、储热能力较高的材料；如果冷板只有中部使用形状记忆合金，则在冷板的底部或外部侧面与自锁结构连接，通过自锁结构对冷板提供向内的驱动力；令自锁结构仅需驱动形状记忆合金；若冷板只有两侧的使用形状记忆合金，则在冷板的中部额外布置加强肋。

12、作为优选，所述的固体储能材料为金属合金材料或金属-非金属复合材料，所述的冷板通过机械配合与电子元件紧密贴合，固体储能材料通过接触电子元件表面完成导热吸热。

13、作为优选，所述金属合金材料包括铝合金、铜合金，金属-非金属复合材料包括铝-石蜡复合材料。

14、作为优选，所述的电子元件具有高导热率的金属材料制成的外壳。

15、一种所述基于固体材料储能的弹载设备散热装置的设计方法，包括如下步骤：

16、根据电子元件的热源强度、运行时间、运行温度、散热装置的质量限制以及冷板的换热面积选择冷板使用的固体储能材料。

17、作为优选，所述的设计方法具体包括：

18、s1.选择满足散热装置质量限制和空间要求的固体储能材料，计算电子元件的运行温度范围内各个固体储能材料的储热能力，储热能力为固体储能材料的相变潜热加显热；

19、s2.假设冷板为半无限大平板，计算冷板的内壁面温度变化传递到最外侧所需的时间t1；

20、s3.计算时间t1随着导热系数的变化率，变化率值为0.5％到5％对应的导热系数为可选范围；在步骤s1所选的固体储能材料中，选择导热系数在可选范围内储热能力最大的固体储能材料作为制作冷板的材料，如果不存在导热系数在可选范围内的固体储能材料，则选择导热系数最大的固体储能材料作为制作冷板的材料。

21、相较于现有技术，本发明基于固体材料储能的弹载设备散热装置至少具有如下的有益效果：利用外框架的内部空间，将冷板布置在下方，将弹载设备中的非热源组件固定在冷板上方，非热源组件包含了后端电子设备及其支撑结构，这些结构部件不产生热量或仅产生少量热量的部件，相比电子元件的发热量可以忽略，并且不与任何形式的冷板及电子元件接触，与冷板、电子元件用绝热材料隔开。本发明的散热装置可以通过更加准确地选用合适的固体储能材料制成，有效提升散热装置的效率。本发明将弹载设备中的电子元件通过肋条安装固定，电子元件与冷板之间可以紧密贴合，便于与冷板进行接触，进而从电子元件中吸热。

22、进一步的，对于现有的弹载设备，使用形状记忆合金作为弹载设备的储热材料，在拥有良好导热系数的前提下，拥有较大的相变潜热，更适合于短时效、一次性的弹载设备被动冷却技术。相较于传统的铝合金及复合材料散热结构，形状记忆合金有着更高的储能密度与高效的散热能力，形状记忆合金散热结构可以将弹载设备中电子元件运行时间延长至2-3倍。

23、相较于现有技术，本发明基于固体材料储能的弹载设备散热装置的设计方法至少具有如下的有益效果：对于未来可能存在的不同功率和结构的弹载设备，本发明方法根据电子元件的热源强度、运行时间、运行温度、散热装置的质量限制以及冷板的换热面积选择冷板使用的固体储能材料，所提出的固体储能材料选用步骤，也可以保证所述装置的性能。

技术特征：

1.一种基于固体材料储能的弹载设备散热装置，其特征在于，包括设置在外框架(101)内部的冷板(102)、电子元件(103)和非热源组件(105)；所述的冷板(102)布置在下方，非热源组件(105)固定在冷板(102)上方的外框架(101)上；冷板(102)为顶部开口的凹槽形结构，且凹槽形结构的内侧加工有多根肋条，所述的电子元件(103)通过肋条安装固定；所述的冷板(102)使用固体储能材料制成，冷板(102)从电子元件(103)中吸热。

2.根据权利要求1所述基于固体材料储能的弹载设备散热装置，其特征在于，所述的固体储能材料为形状记忆合金材料，在所述冷板(102)的外侧夹持设置有自锁结构(104)；所述的自锁结构(104)内布置有驱动器，通过自锁结构(104)能够对冷板(102)提供向内的驱动力；当需要散热时，所述的自锁结构(104)驱动冷板(102)向内变形，冷板(102)与电子元件(103)紧贴，冷板(102)在驱动力作用下发生变形，形状记忆合金材料发生从马氏体到奥氏体的相变，相变过程产生弹热效应，从电子元件(103)中吸热。

3.根据权利要求2所述基于固体材料储能的弹载设备散热装置，其特征在于，所述的冷板(102)利用自身的热容与相变潜热降低电子元件(103)运行时的温度，当电子元件(103)的温度低于冷板(102)的相变温度时，冷板(102)靠热传导将电子元件(103)中的热量导出；当电子元件(103)的温度高于冷板(102)的相变温度时，通过自锁结构(104)驱动冷板(102)变形，产生弹热效应，降低电子元件(103)的温度。

4.根据权利要求3所述基于固体材料储能的弹载设备散热装置，其特征在于，所述冷板(102)的马氏体-奥氏体相变由自锁结构(104)控制，具体控制逻辑如下：

5.根据权利要求2所述基于固体材料储能的弹载设备散热装置，其特征在于，对于温度分布不均或大尺寸的电子元件(103)，所述的固体储能材料为形状记忆合金材料组合其它材料形成复合结构材料，所述冷板(102)靠近中间的部分使用导热系数较高、储热能力较低的材料；而两侧则使用导热系数较低、储热能力较高的材料；如果冷板(102)只有中部使用形状记忆合金，则在冷板(102)的底部或外部侧面与自锁结构(104)连接，通过自锁结构(104)对冷板(102)提供向内的驱动力；令自锁结构(104)仅需驱动形状记忆合金；若冷板(102)只有两侧的使用形状记忆合金，则在冷板(102)的中部额外布置加强肋。

6.根据权利要求1所述基于固体材料储能的弹载设备散热装置，其特征在于，所述的固体储能材料为金属合金材料或金属-非金属复合材料，所述的冷板(102)通过机械配合与电子元件(103)紧密贴合，固体储能材料通过接触电子元件(103)表面完成导热吸热。

7.根据权利要求6所述基于固体材料储能的弹载设备散热装置，其特征在于，所述金属合金材料包括铝合金、铜合金，金属-非金属复合材料包括铝-石蜡复合材料。

8.根据权利要求1所述基于固体材料储能的弹载设备散热装置，其特征在于，所述的电子元件(103)具有高导热率的金属材料制成的外壳。

9.一种如权利要求1所述基于固体材料储能的弹载设备散热装置的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：根据电子元件(103)的热源强度、运行时间、运行温度、散热装置的质量限制以及冷板(102)的换热面积选择冷板(102)使用的固体储能材料。

10.根据权利要求9所述的设计方法，其特征在于：

技术总结
本发明公开了一种基于固体材料储能的弹载设备散热装置及其设计方法，散热装置包括设置在外框架内部的冷板、电子元件和非热源组件；冷板布置在下方，非热源组件固定在冷板上方的外框架上；冷板为顶部开口的凹槽形结构，且凹槽形结构的内侧加工有多根肋条，电子元件通过肋条安装固定；冷板使用固体储能材料制成，冷板从电子元件中吸热。设计方法包括根据电子元件的热源强度、运行时间、运行温度、散热装置的质量限制以及冷板的换热面积选择冷板使用的固体储能材料。本发明的散热装置可以通过更加准确地选用合适的固体储能材料制成，有效提升散热装置的效率，延长弹载设备中电子元件的运行时间。

技术研发人员：钱苏昕,王尧
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12