CN107328279A - 高可靠度高传热性能的相变热管 - Google Patents

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史奇良
翟载腾
胡小康
程锋
赵小翔
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Abstract

本发明提供了一种高可靠度高传热性能的相变热管，包括第一相变孔、第二相变孔、第三相变孔、第一热管孔、第二热管孔、相变热管本体、相变材料，第一热管孔位于第一相变孔和第二相变孔之间，第一相变孔位于第二相变孔左边，第二热管孔位于第二相变孔和第三相变孔之间，第二相变孔位于第三相变孔的左边，第一相变孔、第二相变孔、第三相变孔、第一热管孔、第二热管孔都与相变热管本体相连，相变材料装在相变热管本体内。本发明能够达到卫星对热管使用可靠度的要求，而且满足卫星载荷天线和单机的控温要求。

Description

高可靠度高传热性能的相变热管
技术领域
本发明涉及一种相变热管，特别是涉及一种高可靠度高传热性能的相变热管。
背景技术
目前，卫星上的大功率载荷天线和单机大部分通过金属铝氨相变热管来均衡温度、抑制载荷单机工作时的温升，减少载荷单机的温度波动。随着卫星技术的发展和需求的不断扩大，短期工作的大功率、高热流密度的载荷单机越来越多，其结构复杂、测量精度要求高，单机自身发热量大、温度控制要求高、单机温升指标严苛、热管布局空间紧促，而传统的单孔相变铝氨热管传热能力有限、单孔无备份设计，已经不能完全适应复杂的温度控制要求，且不能满足可靠性要求。
因此，本发明采用与相变材料相结合的双孔相变热管，以便提高相变热管的可靠度和传热性能，更方便的对大功率载荷单机实现温度控制。已知许多物质在特定温度下会发生固液两相转变，这些物质通称为相变材料(Phase Change Material-PCM)。相变材料在改变形态时会吸收或释放能量，称之为潜能。将相变材料与热管结合成一体的形式，放置于被控温仪器设备、仪器板与外界环境之间，即利用热管良好的导热、等温性能，又能利用相变材料在相变时，吸收/释放大量的热量，而温度基本维持不变的特性，减小载荷工作时的瞬时温升、关机时的降温速率，从而防止大功率载荷瞬时工作温度太高、减少某些对温度敏感载荷的温度波动，从而实现对载荷天线和单机进行更好的温控。
传统技术的相变热管为“1+4”(一个热管孔、四个相变孔)设计，单个热管孔的工质氨传热性能有限，且热管孔内工质氨与最外侧的相变孔内相变材料不直接接触，互相之间热传导热阻较大，相变热管工作时相变材料固——液两相转换不充分，制约了相变材料吸收/释放热量的性能。单孔设计的相变热管因没有备份热管孔，存在单点失效的风险，如果设置两根单孔相变热管互为备份，则增加了热管重量，需要占据更大的预埋空间，与载荷天线复杂的结构布局产生冲突。
因此，只要相变热管根据载荷天线和单机的实际情况，设计双热管孔的相变热管，通过设计合理的截面形状，选定合适的热管孔和相变孔布局，选择合理的相变材料，就可以避免相变热管单点失效、提高相变热管可靠度，同时提高单根相变热管的传热性能、节省热管预埋空间和重量、满足载荷天线和单机的控温需求。
目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高可靠度高传热性能的相变热管，其能够达到卫星对热管使用可靠度的要求，而且满足卫星载荷天线和单机的控温要求。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种高可靠度高传热性能的相变热管，其特征在于，包括第一相变孔、第二相变孔、第三相变孔、第一热管孔、第二热管孔、相变热管本体、相变材料，第一热管孔位于第一相变孔和第二相变孔之间，第一相变孔位于第二相变孔左边，第二热管孔位于第二相变孔和第三相变孔之间，第二相变孔位于第三相变孔的左边，第一相变孔、第二相变孔、第三相变孔、第一热管孔、第二热管孔都与相变热管本体相连，相变材料装在相变热管本体内。
优选地，所述第一热管孔和第二热管孔的形状都为Ω形状。
优选地，所述第一相变孔、第二相变孔、第三相变孔内注入相变材料后密封，构成相变材料腔室。
优选地，所述相变热管本体的截面尺寸为42mm*9.1mm，相变材料的腔室截面积为161mm2。
优选地，所述第一热管孔和第二热管孔的截面积都为57mm2。
优选地，所述相变热管本体的工质为高纯度氨。
优选地，所述相变材料的材料为十四烷、十六烷或十八烷。
本发明的积极进步效果在于：本发明能够解决了单孔相变热管可靠度和传热性能低，难以满足卫星载荷天线和单机控温需求等问题，取得了可靠度高、传热能力大、重量指标小、等温性能良好、热管型材便于生产加工等有益效果。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明高可靠度高传热性能的相变热管包括第一相变孔1、第二相变孔2、第三相变孔3、第一热管孔4、第二热管孔5、相变热管本体6、相变材料7，第一热管孔4位于第一相变孔1和第二相变孔2之间，第一相变孔1位于第二相变孔2左边，第二热管孔5位于第二相变孔2和第三相变孔3之间，第二相变孔2位于第三相变孔3的左边，第一相变孔1、第二相变孔2、第三相变孔3、第一热管孔4、第二热管孔5都与相变热管本体6相连，相变材料7装在相变热管本体6内。
所述第一热管孔4和第二热管孔5的形状都为Ω形状，这样提高强度。
所述第一相变孔1、第二相变孔2、第三相变孔3内注入相变材料后密封，构成相变材料腔室，这样方便存储，提高密封性。
所述相变热管本体6的截面尺寸为42mm*9.1mm，相变材料的腔室截面积为161mm2，减小体积。
所述第一热管孔4和第二热管孔5的截面积都为57mm2，减小体积。
所述相变热管本体6的工质为高纯度氨，这样降低成本。
所述相变材料7的材料为十四烷、十六烷或十八烷等，这样结构简单，成本低。
实施例1
本实施例的相变热管本体为高纯氨，相变材料为十六烷(相变热管本体为700mm，相变材料的充装长度为670mm)，其计算测试的相关数据如表1所示。
表1
由表1所示，42mm×9.1mm双孔相变热管本体相比单孔相变热管本体，在外形尺寸几乎不变，重量仅增加8％的情况下，20℃的最大传热能力提高了41.7％，双孔相变热管本体的传热能力提高明显。
对本发明相变热管本体进行可靠度计算，相变热管本体基本失效率为100fit，按照热管在轨运行寿命≥5年的要求，单孔相变热管本体五年末的基本可靠度为Rs＝0.99561763，双孔相变热管本体基本可靠度为Rd＝1-(1-Rs)2＝0.999981，双孔相变热管本体五年末的可靠度明显高于单孔相变热管本体。
对相变热管进行性能测试，包括测试相变热管本体等温性能和相变材料对单机温升抑制效果；相变热管本体充装正十六烷作为相变材料，正十六烷相变温度为18.2℃；将相变热管预埋在10mm厚的铝蜂窝板内，在相变热管预埋区域布置两台单机(分别为第一单机和第二单机)，在两台单机上分别设置一个测温点，测温元器件为热电偶，两台单机按周期进行开关机，单机热耗值相同。
定义相变温度±1℃(即15.8～17.8℃)为相变温度区域，测试的每个周期时间为97分钟，每周期的0～8分钟内单机开机，单机产生瞬时温升，温升区域覆盖相变温度区域时，通过统计相同开始时间的温升幅度，评估相变材料对单机温升抑制情况；每周期8～97分钟单机关机降温，第三个周期单机的降温区域覆盖相变温度区域，将降温段分成相变温度区域前温度段大于17.8℃、相变温度区域的范围在15.8和17.8℃之间、相变温度区域后温度段小于15.8℃，单机降温依次经过上述三个温度段，由于相变温度区域后温度段内单机温度基本平衡，降温速率近似为0℃/min，故不作统计，仅比较相变温度区域前和相变温度区域内的降温速率。如此进行四个周期的测试，观察全过程中两台单机的温度变化趋势。
由表2的数据所示，第三个周期内单机开关机时的升降温均经过相变温度区域，开机时的单机温升幅度从之前周期的近15℃降到10℃，表明相变热管本体对抑制单机温升产生良好的效果。单机关机后，相变材料释放热量延阻了单机降温速率，经过相变温度段的降温速率明显低于其他时间段。表明本发明的相变热管能有效的防止了单机温度波动过大。
表2
同时，布置在同一根相变热管本体的两台单机的最大温差为1.4℃，符合相变热管预埋后等温性<3℃的要求，表明本发明的相变热管传热性能良好。
由上实施例证明，本发明的相变热管可靠度高、传热能力强、可充装不同类型的相变材料、等温传热性较好，同时相变热管型材也便于生产加工。
综上所述，本发明既能利用热管的良好等温性，又可利用相变材料在相变温度区域时的良好恒温性，达到对大功率载荷天线和单机周期性开机时实现温度控制的效果；若工作温度不在相变温度区域，其就如普通的热管一样起导热作用；若工作温度在相变温度区域，除了起导热作用外，相变材料会吸收或释放相应的热量，抑制单机工作时的温升，防止单机工作温度波动过大。
以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高可靠度高传热性能的相变热管，其特征在于，包括第一相变孔、第二相变孔、第三相变孔、第一热管孔、第二热管孔、相变热管本体、相变材料，第一热管孔位于第一相变孔和第二相变孔之间，第一相变孔位于第二相变孔左边，第二热管孔位于第二相变孔和第三相变孔之间，第二相变孔位于第三相变孔的左边，第一相变孔、第二相变孔、第三相变孔、第一热管孔、第二热管孔都与相变热管本体相连，相变材料装在相变热管本体内。
2.根据权利要求1所述的高可靠度高传热性能的相变热管，其特征在于，所述第一热管孔和第二热管孔的形状都为Ω形状。
3.根据权利要求1所述的高可靠度高传热性能的相变热管，其特征在于，所述第一相变孔、第二相变孔、第三相变孔内注入相变材料后密封，构成相变材料腔室。
4.根据权利要求3所述的高可靠度高传热性能的相变热管，其特征在于，所述相变热管本体的截面尺寸为42mm*9.1mm，相变材料的腔室截面积为161mm2。
5.根据权利要求1所述的高可靠度高传热性能的相变热管，其特征在于，所述第一热管孔和第二热管孔的截面积都为57mm2。
6.根据权利要求1所述的高可靠度高传热性能的相变热管，其特征在于，所述相变热管本体的工质为高纯度氨。
7.根据权利要求1所述的高可靠度高传热性能的相变热管，其特征在于，所述相变材料的材料为十四烷、十六烷或十八烷。
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