CN102812103A - 蓄热部件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种可应用于航天器、重量轻且价格便宜的蓄热部件。蓄热部件具备具有多个小室的蜂窝结构体(3)，并通过在各小室内填充内部包含蓄热材料的胶囊和导热填料而制成。通过使蜂窝结构体(3)中填充内部包含蓄热材料的胶囊和导热填料，即使在蓄热部件较厚时，也可以获得导热性良好、重量轻且价格便宜的蓄热部件。此外，蓄热部件通过下述方法制造：以覆盖蜂窝结构体(3)小室开口部的至少一面的方式使原料(2)接触配置，并在4MPa以上且10MPa以下的压力下进行单轴压力成形，从而将原料(2)填充于小室内，所述原料(2)由内部包含蓄热材料的胶囊和导热填料混合而成。

Description

蓄热部件及其制造方法
技术领域
本发明涉及蓄热部件，特别涉及用于对搭载于航天器上的机器进行热控制的蓄热部件及其制造方法。
背景技术
在人造卫星和火箭等航天器中，为了对其内部安装的电子机器所发出的热量进行控制，在电子机器和结构体之间设置蓄热部件，使其吸收由电子机器发出的热量。作为蓄热部件，过去一直使用在金属壳体中填充了蓄热材料的部件。
在住宅领域等中，正在尝试将胶囊化的蓄热材料应用于墙体材料和天花板材料等，以保持蓄热效果(参见专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：(日本)特开2001-348566号公报(权利要求1，第[0005]段)
发明内容
发明要解决的问题
迄今用于航天器的蓄热部件由于使用金属外壳，因此需要按照机器的形状来设计壳体。因此，每一机器必须采用1对1样式的壳体，制造成本高。在壳体内部，为了获得蓄热材料间的导热性，必须以几mm的间隔安装导热片，制造成本进一步变高。
应用于航天器的部件暴露于真空环境中。因此，过去一直使用的金属壳体必须为能够耐受内压力的结构，壳体质量变重。
另一方面，作为住宅用蓄热部件，已知有将胶囊化的蓄热材料填充到蜂窝体中的部件。上述采用了蜂窝体的部件重量轻，且可以简便地制造。然而，蓄热部件的厚度变厚时，热量难以传达到距离发热体远的蓄热部件，因此产生蓄热效果下降的问题。
本发明是鉴于上述情形而作出的，其目的在于提供一种可应用于航天器、重量轻且价格便宜的蓄热部件。
解决问题的方法
为了解决上述问题，本发明提供一种蓄热部件，其具备具有多个小室的蜂窝结构体，并在各所述小室内填充有内部包含蓄热材料的胶囊和导热填料。
根据上述发明，通过采用胶囊化的蓄热材料，可以不使用金属壳体，因此，可以使蓄热部件的重量变轻。
蜂窝结构体可以利用简易的工具来改变形状，因此，能够根据机器的不同而容易地改变蓄热部件的形状，可以削减制造成本。
导热填料在作为粘结剂的同时，还承担着提高胶囊化蓄热材料间的导热性的作用。通过含有导热填料，即使在蓄热部件的厚度变厚时，也能够使热量沿蓄热部件的厚度方向均匀分散。
上述发明中，内部包含所述蓄热材料的胶囊在所述小室内的填充率优选为65％以上且90％以下。
蓄热部件包含的蓄热材料越多，蓄热效果变得越好。另一方面，内部包含蓄热材料的胶囊过度填充时，胶囊受到破坏，蓄热材料露出。如此将产生蓄热部件的周围受到污染等问题。通过向内部包含蓄热材料的胶囊的所述小室内的填充率在上述范围内，可以不过多地破坏胶囊并填充更多的蓄热材料。填充率更优选为74％。由此，能够不破坏胶囊地最高密度地填充蓄热材料。
上述发明中，相对于100重量份的所述内部包含蓄热材料的胶囊，优选以10重量份以上且45重量份以下的比例含有所述导热填料。
通过以上述比例配合导热填料，可以提高蓄热部件的导热性。导热填料的含量少时，导热填料在与内部包含蓄热材料的胶囊混合时的混合均匀性下降。因此，更优选相对于100重量份的内部包含蓄热材料的胶囊，以20重量份以上且45重量份以下的比例含有导热填料，进一步优选以25重量份以上且45重量份以下的比例含有导热填料。
本发明提供一种蓄热部件的制造方法，其包括：以覆盖蜂窝结构体小室开口部的至少一面的方式使原料接触配置，并在4MPa以上且10MPa以下的压力下进行压力成形，从而将所述原料填充于所述小室内，所述原料由内部包含蓄热材料的胶囊和导热填料混合而成。
通过在上述范围的压力下进行压力成形，可以不过多地破坏内部包含蓄热材料的胶囊地填充小室内部。成形时的压力进一步优选4MPa以上且6MPa以下。由此，可以不破坏内部包含蓄热材料的胶囊地填充小室内部。
发明的效果
根据本发明，通过在蜂窝结构体内填充内部包含蓄热材料的胶囊和导热填料，即使在蓄热部件较厚时，也可以获得导热性良好、重量轻且价格便宜的蓄热部件。
附图说明
图1(a)～图1(f)是用于说明蓄热部件制造方法流程的工序图。
]图2是表示试样A的成形压力和蓄热胶囊填充率的关系的图。
图3是表示试样B的成形压力和蓄热胶囊填充率的关系的图。
图4是试样A和试样B的扫描电子显微镜照片。
图5是表示试样AF的导热填料含量和蓄热胶囊填充率的关系的图。
图6是表示试样BF的导热填料含量和蓄热胶囊填充率的关系的图。
图7是表示试样AF的导热填料含量和热导率的关系的图。
图8是表示试样BF的导热填料含量和热导率的关系的图。
图9是温度分布测定装置的概略图。
图10是表示蓄热部件AF0的温度变化的图。
图11是表示蓄热部件AF34的温度变化的图。
具体实施方式
以下参照附图对涉及本发明的蓄热部件的一个实施方式进行说明。
涉及本实施方式的蓄热部件具有下述结构：在蜂窝结构体的小室内填充有内部包含蓄热材料的胶囊和导热填料。
蜂窝结构体是由具有开口的小室壁构成的结构体。适当地选择蜂窝结构体的材质、厚度、尺寸、小室形状和小室直径等。蜂窝结构体只要是重量轻、导热性良好、可以利用简易的工具改变形状即可，进一步优选难以破坏的蜂窝结构体。本实施方式中的蜂窝结构体由以铝为主成分的金属构成。此外，蜂窝结构体也可以是以不锈钢等为主成分。
蓄热材料以可利用相变潜热来蓄热的化合物为主。蓄热材料的熔解热优选为100KJ/kg至200KJ/kg左右。本实施方式中的蓄热材料以石蜡类化合物为主，但也可以是硬脂酸、十六烷醇或水等。
胶囊的膜材料为天然或合成树脂。本实施方式中，胶囊的膜材料为蜜胺类树脂。
适当地确定内部包含蓄热材料的胶囊(下文称为“蓄热胶囊”)的熔点和粒径等。蓄热胶囊的熔点优选为0℃至60℃左右。蓄热胶囊的粒径优选为5μm至50μm左右。
导热填料包含导热性物质和粘合剂。导热填料的热导率优选5W/(m·K)至20W/(m·K)左右。例如，相对于100体积％的导热性物质，粘合剂可以为5体积％以上且50体积％以下，优选为10体积以上且％40体积％以下。作为导热性物质，可以列举例如：碳等碳材料，银和铜等金属。作为粘合剂，可以列举：胶体氧化硅、硅酸钠和水泥等无机粘结剂，环氧树脂和酚醛树脂等热固性树脂。
蓄热部件中蓄热胶囊的填充率设定为65％以上且90％以下，优选70％以上且78％以下。
下面说明涉及本实施方式的蓄热部件的制造方法。
蓄热胶囊可以通过公知技术将蓄热材料包在胶囊内部而制造。
将蓄热胶囊和导热填料两者以下述的比例进行配合，相对于100重量份的蓄热胶囊，导热填料为10重量份以上且45重量份以下的比例，并将得到的混合物作为原料。优选缓慢进行混合以不破坏胶囊。
图1表示用于说明蓄热部件制造方法流程的工序图。首先，将一半用量的原料2投入到规定的模具1中(图1(a))。然后，如图1(b)所示，在投入的原料2的上方配置蜂窝结构体3，从其上方投入剩余的原料2(图1(c))。
然后，通过在单轴方向上加压，向蜂窝结构体3的小室内填充原料2(图1(d))。加压在4MPa以上且10MPa以下进行。
此外，原料2的填充也可以通过在双轴方向上加压来进行。
将填充了原料2的蜂窝结构体脱模(图1(e))，并在30℃下静置15小时使其固化，而获得蓄热部件(图1(f))。固化条件不限于上述条件，只要是使填充的原料固化的条件即可。例如，可以在60℃下静置2小时。
此外，可以根据需要对蓄热部件进行表面研磨或表面涂层。
通过进行上述表面涂层，即使在胶囊意外破坏时，也可以有效地防止包含在胶囊内部的蓄热材料漏出到蓄热部件之外。此外，即使是出于将蓄热部件切割成期望的尺寸等目的，而将蓄热部件切断，也可以确保其形状保持性。
上述表面涂层可以至少覆盖小室的开口部，也可以覆盖蓄热部件全体。
上述表面涂层的材质无特别限制，可以列举例如：硅酸钠或磷酸铝等陶瓷，硅酮橡胶，PTFE或PFA等氟类树脂，铝或不锈钢等金属。上述表面涂层可以通过公知技术形成。
此外，表面涂层的厚度无特别限制，可以是例如：10μm至300μm，优选50μm至200μm。
以下对涉及蓄热部件的结构及其制造方法的数值限定的根据进行说明。
作为蜂窝结构体，使用铝蜂窝(日本轻金属(株)，小室直径：3.2mm，箔厚：25μm，尺寸：100mm×100mm×5mm，2.5g)。
蓄热胶囊从三菱制纸(株)获得，其为在由蜜胺树脂构成的胶囊内部包含有石蜡类化合物的熔点不同的2种蓄热胶囊(商品名：FP-39、FP-9)。将熔点为39℃的蓄热胶囊作为蓄热胶囊A，熔点为9℃的蓄热胶囊作为蓄热胶囊B。蓄热胶囊A和蓄热胶囊B的熔解热分别为180kJ/kg和138kJ/kg，粒径均为5μm至50μm。
导热填料从萨摩总研(株)获得，其为将环氧树脂与碳配合并使热导率为12W/(m·K)的导热填料(商品名：SST1-80-C)。
用空气比较式比重计测量蓄热胶囊和导热填料的真密度。蓄热胶囊A和蓄热胶囊B的真密度分别为0.899g/cm3和0.839g/cm3。导热填料的真密度为1.291g/cm3。
(成形压力的研究)
试样A：以蓄热胶囊A为原料。将一半用量的原料投入模具(内部尺寸：100mm×100mm)，并在其上放置铝蜂窝，从铝蜂窝的上方进一步投入剩余的蓄热胶囊A。将加压压力设定为3MPa至10MPa，在各压力下单轴压力成形1分钟。脱模后，在30℃下固化15小时，制作了试样A。
试样B：以蓄热胶囊B为原料，用与上述试样A相同的方法制作了试样B。
试样A和试样B的蓄热胶囊填充率由下式算出。
蓄热胶囊填充率(％)＝{(试样重量-铝蜂窝重量)/蓄热胶囊真密度/(试样体积-铝蜂窝体积)}×100
试样重量为制作的试样重量的测量值。试样体积为蜂窝体的外观体积。
将上述结果示于图2(试样A)和图3(试样B)。在该图中，横轴为成形压力，纵轴为蓄热胶囊填充率。根据图2和图3，在试样A和试样B的任一试样中，伴随成形压力的上升，蓄热胶囊的填充率均增加。试样A和试样B的蓄热胶囊填充率可以设定为65％至90％的范围内。
本发明人等在其他试验中确认：蓄热胶囊填充率为74％时，蓄热胶囊在蜂窝体小室内得以最高密度地填充。如果将其与上述结果进行对照，可以认为成形压力更优选设定为4MPa以上。
然后，用扫描电子显微镜对分别在4MPa、5MPa、6MPa、7MPa下进行单轴压力成形后的试样A和试样B进行观察。
将上述结果示于图4。由图4得知，成形压力为6MPa以下时，胶囊未因成形时的压力而受到破坏。另一方面，成形压力为7MPa时，试样A和试样B中观察到破坏的胶囊。由上述结果可以认为，成形压力进一步优选为6MPa以下。
(导热填料含量)
试样AF：除了用相对于100重量份的蓄热胶囊A以0重量份至45重量份的范围含有导热填料的胶囊作为原料，并使成形压力为6MPa以外，通过与试样A相同的方法制作试样AF。
试样BF：除了用相对于100重量份的蓄热胶囊B以0重量份至45重量份的范围含有导热填料的胶囊作为原料以外，通过与试样AF相同的方法制作试样BF。
试样AF和试样BF中蓄热胶囊的填充率由下式算出。
蓄热胶囊填充率(％)＝{(试样重量-铝蜂窝重量)×蓄热胶囊配合量/(蓄热胶囊配合量+导热填料配合量)/蓄热胶囊真密度/(试样体积-蜂窝铝体积)}×100
将上述结果示于图5(试样AF)和图6(试样BF)。在该图中，横轴为导热填料含量，纵轴为蓄热胶囊填充率。根据图5和图6，在试样AF和试样BF的任一试样中，伴随导热填料含量的增加，蓄热胶囊填充率均显示出减少倾向。然而，即使相对于100重量份的蓄热胶囊A，导热填料含量为45重量份时，也可以确认蓄热胶囊的填充率为70％以上。另一方面，在制作试样AF和试样BF时，导热填料含量分别为25重量份和20重量份以下时，环氧树脂的量不足，且不能均匀混合，产生了在试样内残存有填料块的问题。由上述结果可知，如果相对于100重量份的蓄热胶囊，导热填料的含量为25重量份以上，则可以获得更好的成形性。
然后，在20℃下测定了试样AF和试样BF的热导率(热流计法，依据JIS-A1412)。测量使用英弘精机(株)制造的AUTOΛ(ォ一トラムダ)HC-110，试验片的尺寸为Φ60mm。
将上述结果示于图7(试样AF)和图8(试样BF)。在该图中，横轴为相对于100重量份的蓄热胶囊导热填料的含量，纵轴为热导率。
根据图7和图8，相对于100重量份的蓄热胶囊含有10重量份以上的导热填料时，试样AF和试样BF的热导率为0.4W/(m·K)以上，与导热填料含量为0重量份的试样相比，热导率提高。试样AF中，相对于100重量份的蓄热胶囊导热填料的含量为34重量份时，热导率为最高值(0.62W/(m·K))。
由上述结果可知，相对于100重量份的蓄热胶囊，导热填料的含量为10重量份以上时，可以获得热导率提高的效果，25重量份以上时，可以获得良好的成形性。另一方面，含量过多时，蓄热胶囊的填充率下降。考虑到蓄热胶囊在蜂窝体小室内最高密度地填充的蓄热胶囊的填充率为74％，则相对于100重量份的蓄热胶囊，导热填料的含量优选为45重量份以下。
(蓄热部件的温度分布)
在试样AF中，将二片相对于100重量份的蓄热胶囊导热填料的含量为0重量份或34重量份的试样重叠所得的材料分别作为蓄热部件AF0、蓄热部件AF34使用。
对蓄热部件温度分布的测定方法进行说明。
图9表示温度分布测定装置的概略图。首先，在蓄热部件的指定位置(CH1～CH9)安装热电偶。CH1、CH4和CH7安装在蓄热部件的面中心处。使蓄热部件通过铝垫片(100mm×100mmm×3.6mm)层叠在作为热源的硅橡胶加热器(ThreeHigh制造，100mm×100mm×1.5mm，125Ω)的两面上并固定。
然后，将层叠固定了的蓄热部件用绝热材料(聚氨酯泡沫材料，厚度60mm，热导率：0.0415W/(m·K)(25℃))包围，安装在温度设定为5℃的恒温槽(大和科学，IE21)中。
确认层叠固定了的蓄热部件的温度稳定了后，使加热器开始输出(20W)，并测定蓄热部件规定位置处的温度变化。
图10和图11表示蓄热部件CH1、CH4和CH7处的温度变化。图10为蓄热部件AF0、图11为蓄热部件AF34。图10和图11中，横轴为加热时间，纵轴为温度。
根据图10和图11，对任一蓄热部件，距离热源越远，越显示出低温倾向，但与蓄热部件AF0相比，蓄热部件AF34的温度分布范围窄。即，蓄热部件AF34中，热量得以均匀分散。认为这是因为含有导热填料而对热的灵敏度提高了的缘故。
附图标记说明
1模具
2原料
3蜂窝结构体

Claims (4)

1.一种蓄热部件，其具备具有多个小室的蜂窝结构体，并通过在各所述小室内填充内部包含蓄热材料的胶囊和导热填料而制成。
2.根据权利要求1所述的蓄热部件，其中，向所述内部包含蓄热材料的胶囊的所述小室内的填充率为65％以上且90％以下。
3.根据权利要求1所述的蓄热部件，其中，相对于100重量份所述内部包含蓄热材料的胶囊，以10重量份以上且45重量份以下的比例含有所述导热填料。
4.一种蓄热部件的制造方法，其包括：以覆盖蜂窝结构体小室开口部的至少一面的方式使原料接触配置，并在4MPa以上且10MPa以下的压力下进行压力成形，从而将所述原料填充于所述小室内，所述原料由内部包含蓄热材料的胶囊和导热填料混合而成。
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