CN104019685B - 一种航天散热用平板式水升华冷板 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种航天散热用平板式水升华冷板，主要由盖板、聚四氟乙烯垫块、密封圈、多孔板、金属泡沫或微孔翅片、基体、供水槽道密封压板、供水管路、连接螺栓和防松螺母组成；所述基体底面上设有沿周向的供水槽道，所述基体上表面预留有与金属泡沫或微孔翅片、多孔板及密封圈相匹配的安装空间，所述金属泡沫或微孔翅片位于安装空间内，多孔板位于金属泡沫或微孔翅片的上方，且通过多孔板与基体焊接将金属泡沫或微孔翅片压紧于基体上；基体与金属泡沫或微孔翅片厚度方向的接触面上设有多个通孔，多个通孔与供水槽道相通，盖板上设有加强筋和出气通道。本发明利用水工质的三相点特性和通过结构设计，使水工质升华从而达到散热功能。

Description

一种航天散热用平板式水升华冷板

技术领域

本发明属于航天器热控技术领域，具体涉及一种航天散热用平板式水升华冷板。

背景技术

航天型号热控设计中经常会面对一些短期或一次性工作的大热耗部件，目前的热控思路不外乎以下三种：被动散热加补偿法：即针对部件工作时热排散需求设置足够的被动散热途径，设备不工作时消耗电源进行加热补偿；相变储能法：利用相变材料的相变来吸收部件工作时热耗的一部分或大部分；主动热控：利用流体回路、喷雾冷却等手段进行热流收集与排散。

随着航天器紧凑度越来越高、部件热耗越来越大，完全可能出现上述技术均不能满足要求的情况，这种不满足可能体现为：欲采用被动散热加补偿法，但系统构形无法提供足够的散热面积或者没有足够的补偿加热能量预算；相变储能法的换热效率较低导致不能满足部件温度要求；系统重量不支持采用复杂的主动热控技术。

发明内容

本发明的目的是克服传统热控手段在面临无足够散热面、无足够补偿加热能量预算、相变储能方法换热效率不足、系统不支持复杂主动热控技术等方面的限制，提出一种航天散热用平板式水升华冷板，利用水工质的三相点特性和通过结构设计，使水工质升华从而达到散热功能。

本发明的技术解决方案是：

一种航天散热用平板式水升华冷板，主要由盖板、聚四氟乙烯垫块、密封圈、多孔板、金属泡沫或微孔翅片、基体、供水槽道密封压板、供水管路、连接螺栓和防松螺母组成；

所述基体底面上设有沿周向的供水槽道，供水槽道密封压板焊接于基体底面上，形成对外密闭的供水槽道，供水管路与所述供水槽道贯通；所述基体上表面预留有与金属泡沫或微孔翅片、多孔板及密封圈相匹配的安装空间，所述金属泡沫或微孔翅片位于所述安装空间内，所述多孔板位于金属泡沫或微孔翅片的上方，且通过多孔板与基体焊接的形式将金属泡沫或微孔翅片压紧于基体上；所述密封圈位于多孔板与基体相连接处；连接螺栓连接防松螺母后穿过盖板与聚四氟乙烯垫块进行螺纹连接，并使聚四氟乙烯垫块的底面与多孔板的上表面处于同一水平面内；盖板压在密封圈上，连接螺栓穿过盖板与基体的孔位，通过连接螺栓与防松螺母的配合实现盖板与基体的紧固连接。

所述基体与金属泡沫或微孔翅片厚度方向的接触面上设有多个通孔，所述多个通孔与供水槽道相通(即与金属泡沫或微孔翅片接触的供水槽道壁面上设有多个通孔)，所述盖板上设有加强筋和出气通道。

进一步地，本发明所述供水槽道壁面上设的多个通孔为均匀分布。

进一步地，本发明所述密封圈的材料为丁腈橡胶。

进一步地，本发明所述多孔板采用粉末烧结技术一体成型，其厚度为毫米量级，孔径为微米量级，且孔隙率为40％。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明中的水升华冷板，供水腔体内采用周向打孔的均流设计，使得水升华冷板在航天任务中不论出于何种姿态，都能够保证其供水均匀性，有利于水升华冷板的正常工作。

(2)本发明中的水升华冷板，盖板采用一体加工技术，通过加强筋来增强其机械强度有效降低了整个盖板的重量，同时给水升华冷板正常工作的气体排放预留了通道，因此可以很好的满足航天器经历的力学环境要求。

(3)本发明中的水升华冷板，金属泡沫或微孔翅片设置于多孔板与基体之间，其可以增强水升华冷板的机械强度，同时起到强化换热的作用；同时基体、金属泡沫或微孔翅片、多孔板都采用一体加工技术，保证其结构能够满足航天器所经历的力学环境。

(4)本发明中水升华冷板，具有重量轻、布局、总装方便等优点，可以有效降低着陆器热控系统对于总体的反要求。

(5)本发明中水升华冷板，盖板与多孔板之间增加弹性材料密封圈，一方面避免了盖板与多孔板经受力学环境时刚性接触导致的多孔板受到损坏；另一方面，保证了水升华冷板的密封性。

(6)本发明中的水升华冷板，盖板上留有螺栓孔位，通过螺栓连接聚四氟乙烯垫块，而后通过螺母对其进行紧固操作对多孔板进行压紧，保证多孔板处于同一平面内且增加了其力学环境适应能力。

(7)本发明水升华冷板本身具有结构相对简单、体积小、重量轻的特点，且随着任务的进行工质不断消耗，航天器整体重量降低，可以为后续的飞行任务节省燃料。

附图说明

图1水升华冷板结构分解图。

图2水升华冷板结构一体图。

图3参与真空热性能试验的水升华冷板实物图。

其中，1-盖板，2-聚四氟乙烯垫块，3-密封圈，4-多孔板，5-金属泡沫或微孔翅片，6-基体，7-供水槽道密封压板，8-供水管路，9-连接螺栓，10-防松螺母.101-加强筋，102-出气通道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1-3所示，本发明航天散热用平板式水升华冷板，主要由盖板1、聚四氟乙烯垫块2、密封圈3、多孔板4、金属泡沫或微孔翅片5、基体6、供水槽道密封压板7、供水管路8、连接螺栓9和防松螺母10组成；

所述基体6底面上设有沿周向的供水槽道，供水槽道密封压板7焊接于基体6底面上，供水管路8与所述供水槽道贯通；所述基体上表面预留有“阶梯型”的与金属泡沫或微孔翅片5、多孔板4及密封圈3相匹配的安装空间，所述金属泡沫或微孔翅片5位于所述安装空间内，所述多孔板4位于金属泡沫或微孔翅片5的上方的安装空间内，且多孔板4与基体6以焊接形式将金属泡沫或微孔翅片5压紧于基体6上；所述密封圈3位于多孔板与基体相连接处；连接螺栓9连接防松螺母10后穿过盖板1与聚四氟乙烯垫块2进行螺纹连接，且使聚四氟乙烯垫块2的底面多孔板4的上表面处于同一水平面内；盖板1压在密封圈3上，连接螺栓9穿过盖板1与基体6的孔位，通过连接螺栓9与防松螺母10的配合实现盖板1与基体6的紧固连接；

其中所述基体6与金属泡沫或微孔翅片5的接触面上设有多个通孔，所述多个通孔与供水槽道相通(即与金属泡沫或微孔翅片5接触的供水槽道壁面上设有多个通孔)，所述盖板1上设有加强筋101和出气通道102。

在航天型号应用中，保证水升华冷板底面与散热面的平面度以后，在两者之间涂抹相应的导热材料，减少其接触热阻，将水升华冷板底面与散热面直接耦合并固定。当水升华冷板处于真空环境中，设备需要散热时，以一定的压力通过供水管路给水升华冷板供水，水升华冷板通过自身结构在多孔板4内结冰升华，发生相变传热，将设备热量排散出去。

本发明根据热控对水升华冷板提出的功能和散热能力需求，首先通过热分析计算确定水升华冷板内各关键组件的参数，而后根据水升华冷板在任务周期内所要经历的各个环境，且考虑到水升华冷板的工作性能，对其结构进行优化设计。

水升华冷板的基体6的设计制作。水升华基体6制作要采用一体加工成型工艺技术，材料要求与水工质相容。基体6要预留与多孔板4和金属泡沫或微孔翅片5相匹配的空间，本实施例中通过在基体6上加工“阶梯型”与金属泡沫或微孔翅片5、多孔板4和密封圈3尺寸相匹配的安装空间。在基体6内预留周向供水的槽道，采用激光打孔技术将与金属泡沫或微孔翅片5接触的槽道壁面进行周向打孔，保证水升华冷板处于不同姿态的供水均匀性。基体6要预留供水槽道密封压板7的安装空间，其宽度大于供水槽道且要保证槽道密封压板7能与基体6实现有效焊接连接。

水升华冷板盖板1的设计制作。通过力学分析软件模拟其包含加强筋101的结构设计是否满足航天器经历的力学环境要求，之后采用一体加工工艺技术对盖板1进行机械加工。加工过程中要预留通过热分析计算得出的水升华冷板正常工作时气体排放所需要的通道大小。盖板1的周边实现对多孔板4和基体6进行压紧的宽度，要与基体6预留的多孔板4安装受力面和基体6受力面相匹配。螺栓孔的设计要与所采用满足强度要求的螺栓相匹配，能够满足水升华冷板所经历的力学环境要求。

水升华冷板密封圈3的设计制作。水升华冷板的密封圈3要采用弹性材料且与水相容的材料，本发明中密封圈材料选用丁腈橡胶，保证其弹性和相容性满足要求，且密封圈3的宽度和厚度要与基体预留空间相匹配，在设计过程中要参考相关机械手册。

水升华冷板多孔板4的设计制作。采用粉末烧结技术对多孔板4进行一体成型。多孔板4的材料选择要与水相容，多孔板4的厚度为毫米量级，孔径为微米量级，孔隙率在保证整板机械强度的基础上，越大越好，但就目前国内工艺水平来看，一般处于40％左右。成型后要对其各要求的性能参数进行测试，保证其满足要求。

水升华冷板的金属泡沫或微孔翅片5的设计制作。金属泡沫和微孔翅片5的加工工艺都要求采用一体加工成型技术，保证其机械强度和平面度。材料要求与水相容，厚度为毫米量级，孔径为毫米量级，孔隙率不仅要保证其机械强度且被水浸满时的导热系数也要满足热设计要求。成型后要对其各要求的性能参数进行测试，保证其满足要求。

水升华冷板供水槽道密封压板7的设计制作。密封压板7的材料选择要求与水相容且与基体材料相同以便与基体6实现有效的焊接连接。尺寸要与基体6预留的供水槽道密封压板7的空间尺寸相匹配，

水升华冷板各组件装配。所有的组件都必须经过严格清洗操作，保证各组件的洁净度。将金属泡沫或微孔翅片5直接放进基体6内预留的安装空间，多孔板4与基体6采用焊接连接，将金属泡沫或微孔翅片5压紧。而后，将供水槽道密封压板7与基体6进行有效的焊接连接。将密封圈3放在多孔板4与基体6连接位置，且密封圈3尺寸要与基体6预留空间相匹配。将连接螺栓9连接防松螺母10后穿过盖板1与聚四氟乙烯垫块2进行螺纹连接并保证其与盖板1底面处于同一水平面内，将盖板1压在密封圈3上，将连接螺栓9穿过盖板1与基体6的孔位，通过连接螺栓9与防松螺母10的配合实现盖板1与基体6的紧固连接操作。调节盖板1上的防松螺母10使聚四氟乙烯垫块2压紧多孔板4并与多孔板4的上表面处于同一水平面上。整个装配过程完成。

水升华冷板的航天应用。保证水升华冷板底面与散热面的平面度以后，在两者之间涂抹相应的导热材料，减少其接触热阻，将水升华冷板底面与散热面直接耦合并固定。当水升华冷板处于真空环境中，设备需要散热时，以一定的压力通过供水管路给供水腔体供水，多孔板依靠自身的毛细力将水“吸到”孔内，由于水本身的三相点特性，合理参数的多孔板可保证水工质以可控形式发生相变换热，从而将设备的热量排散出去。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种航天散热用平板式水升华冷板，其特征在于，该水升华冷板主要由盖板(1)、聚四氟乙烯垫块(2)、密封圈(3)、多孔板(4)、金属泡沫或微孔翅片(5)、基体(6)、供水槽道密封压板(7)、供水管路(8)、连接螺栓(9)和防松螺母(10)组成；

所述基体(6)底面上设有沿周向的供水槽道，供水槽道密封压板(7)焊接于基体(6)底面上，供水管路(8)与所述供水槽道贯通；所述基体(6)上表面预留有与金属泡沫或微孔翅片(5)、多孔板(4)及密封圈(3)相匹配的安装空间，所述金属泡沫或微孔翅片(5)位于所述安装空间内，所述多孔板(4)位于金属泡沫或微孔翅片(5)的上方，且通过多孔板(4)与基体(6)焊接的形式将金属泡沫或微孔翅片(5)压紧于基体(6)上；所述密封圈(3)位于多孔板(4)与基体(6)的相连接处；连接螺栓(9)连接防松螺母(10)后穿过盖板(1)与聚四氟乙烯垫块(2)进行螺纹连接，并使聚四氟乙烯垫块(2)的底面与多孔板(4)的上表面处于同一水平面内；盖板(1)压在密封圈(3)上，连接螺栓(9)穿过盖板(1)与基体(6)的孔位，通过连接螺栓(9)与防松螺母(10)的配合实现盖板(1)与基体(6)的紧固连接；

所述基体(6)与金属泡沫或微孔翅片(5)厚度方向的接触面上设有多个通孔，所述多个通孔与供水槽道相通，所述盖板(1)上设有加强筋(101)和出气通道(102)。

2.根据权利要求1所述航天散热用平板式水升华冷板，其特征在于，所述供水槽道壁面上设的多个通孔为均匀分布。

3.根据权利要求1所述航天散热用平板式水升华冷板，其特征在于，所述密封圈(3)的材料为丁腈橡胶。

4.根据权利要求1所述航天散热用平板式水升华冷板，其特征在于，所述多孔板(4)采用粉末烧结技术一体成型，其厚度为毫米量级，孔径为微米量级，且孔隙率为40％。