CN103269571B - 一种快速响应储能散热板 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种快速响应储能散热板，包括泡沫材料(1)、辐射板(2)以及相变材料(3)；其中，所述辐射板（2）具有若干形状规则、大小均匀的内腔，其中一部分内腔中填充所述泡沫材料（1），另一部分内腔中充装循环工质形成大量微型热管，相变材料（3）经加热后以液态填充到泡沫材料（1）的空隙内，相变材料（3）降温凝固后，将辐射板（2）的四周封闭。本发明利用微型热管的高导热性能、泡沫材料的大比表面积、相变材料的大相变潜热，具有热容大、导温系数大等特点。可应用于体积小、热流密度高，而又周期性工作的航天用电子器件。具有热响应速度快、温控精度高、短期吸热量比较大、重量轻、系统可靠等优点。<!-- 2 -->
Description
技术领域
本发明涉及散热装置，更具体的说，涉及一种快速响应储能散热板。属于航天器热控制领域。
背景技术
航天器热控制技术发展的驱动力主要来自航天器未来任务发展的需求。对于航天器热控制系统而言，推动发展的关键因素包括功率水平、控制的温度水平、温度控制精度、仪器热流密度、热输送距离以及热量排散的有效热沉等。
随着空间技术的发展，一些设备的局部或瞬时的功率可高达数百瓦/平方厘米，如激光二极管、高功率传感芯片、高功率定向能武器等。现有的冷却方法已无法满足要求，近年来，NASA正在发展的微通道蒸发冷却技术和喷雾冷却技术有可能解决极高热流密度的冷却问题。但这些技术尚处于研究阶段，离开实际应用尚有相当距离。
另外，随着航天器上仪器的温度控制范围亦变的愈来愈窄，一般为±1℃，一些空间光学系统为±0.1℃，更精密的已达mK量级。因此，需要一种具有高效传热和高温控精度的冷却装置，已经成为制约航天器发展的瓶颈问题。急需微型高效的传热技术为其发展铺平道路。而作为一种新型散热冷却技术，微型热管因其尺寸小、重量轻等特点在这一领域显示出了优势，在电子元器件领域内已有应用。然而，虽然上述微型热管的导热系数很高，但是换热面积却有限。这使得微型热管与热汇间的热阻仍然比较大。
Cotter首先提出微型热管的概念。微型热管被定义为液气交界面的平均曲率在数量上和液体总流通截面水力直径的倒数相当的一种热管。典型的微型热管有凸面、锐角的截面(例如多边形)，水力半径范围为10～500μm。微型热管可以直接设置在电子芯片的底层表面，即微型热管成为电子芯片内部的一部分。然而微型热管的散热面有限，且空间采用辐射散热的方式，单位面积散热量比较小。
新型泡沫材料是近十年来新兴的一种具有各方面优异性能的新材料。根据孔隙平均直径和孔隙结构的不同，新型泡沫材料具有相当大的比表面积，现有的新型泡沫材料的比表面积已经超过10000m2/m3。而普通六面体的比表面积只有6m2/m3，常用翅片的比表面积也只有30～100m2/m3。大比表面积的新型泡沫材料应用于散热器使散热器的散热面积提高了几个数量级。另外，新型泡沫材料可以制造成各向异性材料。美国一家公司制作了一种高温烧结石墨泡沫，其密度只有固体石墨的10％，平面二维方向的导热系数为233W/(m.℃)，厚度方向导热系数为4.5W/(m.℃)。这种各向异性的导热性能十分有利于做热管的扩展散热面。垂直于热管的平面方向的良好导热性能使散热器的有效散热面积比较大，平行于热管方向的较差导热性能有利于热管在小负荷下的启动。
相变材料具有很大的潜热。例如，十六烷的融化潜热为237KJ/kg。其能够吸收大功率密度器件工作时所产生的峰值热负荷，在仪器不工作时将热量散掉。然而，相变材料的导热系数往往比较小，不能快速有效的吸收大功率器件工作时的峰值负荷，导致大功率密度器件温度升高超出仪器的正常工作温度范围。
目前，解决周期性工作大功率密度器件的热控问题时，往往应用普通热管将
热量传导到散热面。当器件体积比较小、功率密度又比较大时，普通热管由于存在接触热阻比较大等原因无法进行有效散热。这不仅产生了航天器增重的问题，还可能因为无法有效散热而导致器件的损毁，使整星的可靠性降低。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的技术问题，提供一种快速响应储能散热板，体积小、重量轻、制造成本低廉、热响应快、传热性能高、加工方便、运行稳定。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种快速响应储能散热板，包括具有大比表面积的新型泡沫材料、辐射板、相变材料；其中，所述辐射板具有若干形状规则、大小均匀的内腔，其中一部分内腔中填充所述泡沫材料，另一部分内腔中充装循环工质形成大量微型热管，相变材料经加热后以液态填充到泡沫材料的空隙内，相变材料降温凝固后，将辐射板的四周封闭形成与外部隔绝的腔体。
所述泡沫材料具有不小于10000m2/m3的比表面积。
所述泡沫材料包括金属泡沫、石墨泡沫或炭泡沫。
所述四周封闭的辐射板的腔体横截面形状为三角形或四边形。
所述相变材料根据使用温度范围的不同可以选择高温相变材料、中温相变材料或低温相变材料。
所述高温相变材料主要包括一些熔融盐或金属合金。
所述中温相变材料主要包括一些水合盐、有机物或高分子材料。
所述低温相变材料主要包括冰或水凝胶
本发明的工作原理：利用相变材料的相变潜热吸收周期性工作器件工作时产生的热量，保持器件的温度；相变潜热大的材料，例如：水、石蜡等往往存在导热性能不佳，导温系数比较小的问题。利用微型热管的高导热性能，使器件工作时的发热量以尽量快的响应速度传导到相变材料；微型热管的导热系数虽高，但是，其与相变材料的接触面积较小，不能将热量高效传导给相变材料。新型泡沫材料拥有大的比表面积和较大的导热系数，并且，其比表面积和导热系数随材料的平均孔径、孔隙率等的不同而不同。本发明结合相变材料的大比热容、微型热管的高导热系数和新型泡沫材料的大比表面积，发明一种拥有大热容、大导温系数的散热安装板。
本发明技术方案中，新型泡沫材料通过发泡的方式填充到辐射板的部分内腔中；相变材料加热后以液体状态填充到新型泡沫材料的空隙中；相变材料降温凝固后，通过焊接的方式将辐射板的四周封闭形成与外部隔绝的空腔。
仪器工作时产生的热量以热传导的方式通过辐射板的底板；底板以热传导的方式将热量传递到形成的微型热管、新型泡沫材料和相变材料；利用新型泡沫材料的大比表面积和微型热管高导热性能将热量均匀的扩散在辐射板上；相变材料以相变的方式将热量吸收；辐射板的外表面通过辐射换热的方式将热量传递到深冷空间。
由于仪器的发热量很大，在仪器工作时，辐射板难以将热量同步的释放到深冷空间。不能释放的仪器发热量以相变的方式储存在相变材料里。仪器不工作时，相变材料以凝固放热的方式加热仪器，使仪器的温度保持在控制温度范围内。同时，相变材料通过辐射板向空间放热，储存仪器下一次工作时所需的冷量。
通过合理的设计，相变材料在仪器工作时吸收的热量在仪器下一次工作时释放完毕。这样仪器的温度能被保持在相变材料的相变温度附近，使仪器的温度控制在窄的范围内，提高仪器的控温精度。
与现有的控温技术往往在仪器不工作时，通过电加热的方式保持仪器的温度不致过低的技术方案相比较，本发明以相变储能的方式，节省了航天器上宝贵的能源。
本发明中应用的新型泡沫材料具有重量轻的特点，复合航天器减重的需求。相同体积的新型泡沫材料一般为同种纯金属重量的5％～20％。通过调整新型泡沫材料的孔隙率，可达到调整材料导热率和重量的目的。
本发明主要是在微型热管外部发泡了新型泡沫材料，具有体积小、重量轻、成本低、传热效率高、运行稳定等优点，适合于温控精度高、大功耗周期性间歇工作的航天器用电子器件。
本发明由于重量非常轻、可靠性比较高。在微纳米卫星的热控制方面将有很好的发展前景。
附图说明
图1是本发明所公开的快速响应储能散热板实施例的装置原理图；
图2是图1沿A-A的剖面图；
图3是图1沿B-B的剖面图。
图中：1：新型泡沫材料，2：辐射板，3：相变材料，4：循环工质
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明技术方案做进一步详细的说明：
如图1～图3所示，本发明所提供的快速响应储能散热板，包括新型泡沫材料1、辐射板2、相变材料3、循环工质4。辐射板2通过铣床将一厚壁铝板铣出大量具有形状规则、大小均匀的内腔。通过发泡的方式将新型泡沫材料1填充到辐射板2的部分内腔中，没有填充新型泡沫材料1的辐射板2内腔充装氨或其它循环工质4形成大量微型热管；将相变材料3加热后以液态填充到新型泡沫材料1的空隙内。相变材料3降温凝固后，通过焊接的方式将辐射板2的四周封闭形成与外部隔绝的空腔。辐射板2的内腔截面形状为三角形、四边形等具有锐角的规则形状。
本实施例中相变材料3为十六烷，其熔点为16.7℃。新型泡沫材料5为铝泡沫，比表面积为10000m2/m3，其孔隙率为90％，导热系数为43W/(m.℃)。
新型泡沫材料5也可以是比表面积不小于10000m2/m3的其他金属泡沫、石墨泡沫或炭泡沫。相变材料3可以根据所使用温度范围的不同，选择一些熔融盐或金属合金作为高温相变材料；或者选择一些水合盐、有机物或高分子材料作为中温相变材料；或者选择冰或水凝胶作为低温相变材料。
本发明基于微型热管技术成熟，体积小，传热热流密度大，传热量大等特点。本发明装置尤其适于对热流密度大，散热量较大的器件的散热。具有热响应速度快、控温精度高、重量轻、可靠性高等优点。
Claims (8)
1.一种快速响应储能散热板，其特征在于，包括泡沫材料(1)、辐射板(2)以及相变材料(3)；其中，所述辐射板(2)具有若干形状规则、大小均匀的内腔，其中一部分内腔中填充所述泡沫材料(1)，另一部分内腔中充装循环工质形成大量微型热管，填充泡沫材料的内腔和充装循环工质的内腔间隔设置，两层铺设，同一层内的内腔走向为平行结构，上下层之间的内腔走向为垂直交叉结构，相变材料(3)经加热后以液态填充到泡沫材料(1)的空隙内，相变材料(3)降温凝固后，将辐射板(2)的四周封闭。
2.根据权利要求1所述的一种快速响应储能散热板，其特征在于，所述泡沫材料(1)具有不小于10000m2/m3的比表面积。
3.根据权利要求2所述的一种快速响应储能散热板，其特征在于，所述泡沫材料(1)包括金属泡沫、石墨泡沫或炭泡沫。
4.根据权利要求1所述的一种快速响应储能散热板，其特征在于，所述四周封闭的辐射板(2)的腔体横截面形状为三角形或四边形。
5.根据权利要求1所述的一种快速响应储能散热板，其特征在于，所述相变材料(3)根据使用温度范围的不同可以选择高温相变材料、中温相变材料或低温相变材料。
6.根据权利要求5所述的一种快速响应储能散热板，其特征在于，所述高温相变材料主要包括一些熔融盐或金属合金。
7.根据权利要求5所述的一种快速响应储能散热板，其特征在于，所述中温相变材料主要包括一些水合盐、有机物或高分子材料。
8.根据权利要求5所述的一种快速响应储能散热板，其特征在于，所述低温相变材料主要包括冰或水凝胶。
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