CN108662933A - 一种空间用相变储能式温控器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种空间用相变储能式温控器，包括热扩散装置、热存储装置与热致变色涂料层；所述热扩散装置由蒸发段、气液相变腔体、支撑架、吸液芯、冷凝段与填充在所述气液相变腔体内部的气液两相介质构成，所述支撑架在所述气液相变腔体内点阵布置；所述热存储装置由冷凝段、渐缩分层肋片、辐射段与填充在所述渐缩分层肋片间隙之间的固液相变存储介质构成；所述渐缩分层肋片宽度沿垂直方向从上往下减缩；所述热致变色涂料层涂覆于所述热存储装置辐射段的外表面。本发明具有点阵支撑架的热扩散装置具有良好的均温性，可消除局部热点；渐缩分层肋片强化了热扩散装置与热存储装置中固液相变存储介质之间的换热，使得能量存储更高效。

Description

一种空间用相变储能式温控器

技术领域

本发明涉及一种温控装置，具体涉及的是一种用于卫星上周期性高功率电子器件的温度控制装置。

背景技术

热控技术是保证航天器正常工作的关键。而随着各科技领域对卫星数量需求的增加，以及对卫星工作目标的多样化要求，卫星的工作方式和所处的工作环境日趋复杂，从而出现了更多新的散热问题。如何消除小型卫星上因电子器件短时间高功率工作而产生的局部热点则是目前航天领域热控技术亟待解决的主要问题之一。目前，大多数卫星采用的是主、被动结合的热控模式，这种方式可以在一定程度上完成温度控制的任务，但对因瞬时高热流密度而产生的局部高温的调节能力较差，容易出现局部温度失控，超出电子器件正常工作温度范围的问题，使得电子器件失效甚至烧毁，最终导致卫星无法正常工作。因此，迫切需要开发先进可靠的热控手段，消除卫星上电子设备工作时产生的局部热点，将电子器件的工作温度维持在安全范围内，保证卫星的正常运行。

以相变储能为原理的相变温控技术，以其温度恒定，储能密度大，易控制的优势逐渐受到广泛关注，目前已成功应用在卫星热控系统中。但常见的相变储能温控技术存在传热系数低、温度分布不均匀等问题，其储能、放热性能有待优化。为此，本发明提出一种新型空间用相变储能式温控器，该温控器将基于气液相变过程的热扩散装置和基于固液相变过程的热存储装置相结合，以点阵支撑架与渐缩分层肋片为强化传热器件，分散温控器内的热流，增大与固液相变存储介质之间的传热面积，进而改善温控器内储能过程的传热性能，实现卫星在周期性工作情况下的自适应温控。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供了一种将基于气液相变过程的热扩散装置和基于固液相变过程的热存储装置相结合，以点阵支撑架与渐缩分层肋片为强化传热器件的空间用相变储能式温控器，基于气液相变过程的热扩散装置可以将瞬时高热流迅速转移；基于固液相变过程的热存储装置则可以将来自热扩散装置的热量进行高效存储；而点阵支撑架与渐缩分层肋片能够强化热扩散装置与热存储装置之间的换热，将两者之间的传热过程从二维平面拓展为三维立体，大大增加了换热面积，提高了换热效率。本发明能有效保障卫星周期性高功率电子器件的温度自适应调控。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种空间用相变储能式温控器，其特征在于：包括热扩散装置、热存储装置与热致变色涂料层；所述热扩散装置由蒸发段、气液相变腔体、支撑架、吸液芯、冷凝段与填充在所述气液相变腔体内部的气液两相介质构成，所述支撑架在所述气液相变腔体内点阵布置；所述热存储装置由冷凝段、渐缩分层肋片、辐射段与填充在所述渐缩分层肋片间隙之间的固液相变存储介质构成；所述渐缩分层肋片宽度沿垂直方向从上往下减缩；所述渐缩肋片上表面与下表面分别与冷凝段和辐射段紧密接触，以圆形阵列方式布置在所述的冷凝段与所述的辐射段所构成的密闭空腔内；所述热致变色涂料层涂覆于所述热存储装置辐射段的外表面。

所述渐缩分层肋片共有X个分层单元，每个分层单元有M级，M为大于等于2的整数，每级肋片又分为2个肋片，第i+1层肋片的长度L_i+1与第i层肋片长度li之间满足L_i+1/L_i＝R_L的关系，第i+1层肋片与第i层肋片在同一高度h处的截面宽度w_i+1，h与w_i，h之间满足w_i+1，h/w_i，h＝R_w的关系，其中，i为大于0且小于等于M-1的整数，长度比例系数R_L为大于1的实数，宽度比例系数R_w为大于1的实数，所述渐缩分层肋片的分层角度为 的范围在0°与90°之间。

所述渐缩分层肋片的分级数M为2-4，分层单元X为3-8。

气液两相介质根据工作温度可选择水、氨、甲醇、乙醇、丙醇、丙酮、有机物、制冷剂等流体工质。

吸液芯根据工作温度、气液两相介质物性等可为丝网、烧结金属、微槽道以及聚乙烯多孔体等结构。

支撑架可为圆形、“十”字形、矩形、星形等多种多边形结构。其材料根据工作温度、气液两相介质物性、吸液芯结构、刚度等要求可选用金属，无机非金属材料，以及高分子材料等。

固液相变存储介质，根据电子器件发热功率，工作温度，工作周期，温控器温控要求，储热容量要求等，可选用结晶水合盐、共晶水合盐、直链烷烃、石蜡类、脂肪酸类、聚二乙醇等材料。

热致变色涂层可为掺杂锶和钙的锰酸镧复合材料、二氧化钒等，其涂层本身可以根据温度的变化调节向外界的辐射热量，在电子器件不工作的间歇，利用涂层的低发射率，减小热存储装置的热量散失，控制系统整体温度保持在正常的范围之内。

本发明温控器，支撑架与气液相变腔体的上、下壁面相连，贴合在支撑架表面的吸液芯与贴合在气液相变腔体的上、下壁面的吸液芯连成一体，气液两相介质可沿着支撑架在上下壁面之间进行流通而无需先流动至四周壁面后再回到上下壁面中心位置，大大减小了气液两相介质的循环路径距离，增加了气液两相介质的循环效率，提高了热扩散装置的传热能力。另外，支撑架在气液相变腔体中呈点阵布置，为气液两相介质提供了多个流通路径，能够有效地均匀分散气液两相介质的流动与扩散，消除局部高热流密度。因此，支撑架的设计布置达到了高效传热和消除局部热点的目的。

渐缩分层肋片，通过分层产生越来越多的分支，使得肋片与固液相变存储介质的换热面积大幅增加；而肋片上部宽度较大，则大大增加了肋片与高导热性隔层的导热面积，有利于将热量更快地输送到热存储装置的下部空间，提高换热效率；另外，肋片下部宽度较小，则减小了肋片在所述冷凝段中所占体积比，增大了固液相变存储介质的体积，增加了热存储装置的储能容量。将渐缩分层肋片以圆形阵列方式布置在所述的冷凝段内，可以均匀分散热流，消除局部高热流密度，使电子器件温度均匀分布，增强了热存储装置的换热性能。因此，渐缩分层肋片的设计布置达到了高效换热和消除局部热点的目的。

有益效果：本发明涉及一种基于气液相变过程完成热量转移的热扩散装置和依靠渐缩分层肋片强化传热的热存储装置共同构成的一种空间用相变储能式温控器。该温控器充分利用了吸液芯质量轻便，结构简单的优势，减轻了系统的重量；具有点阵支撑架的热扩散装置具有良好的均温性，可消除局部热点；渐缩分层肋片强化了热扩散装置与热存储装置中固液相变存储介质之间的换热，使得存储过程灵敏快捷，与电子器件的工作周期保持相同时间步调；温控器外表面的热致变色涂层减小了电子器件不工作期间，温控器向外界的辐射散热量，降低热损失，使电子器件的保温同样得到保障。

附图说明

图1空间用相变储能式温控器立体结构示意图。

图2电子器件工作时空间用相变储能式温控器工作原理图。

图3电子器件不工作时空间用相变储能式温控器工作原理图。

图4渐缩分层肋片结构示意图。

图5分层单元结构示意图。

图6支撑架结构示意图；其中a为圆形，b为“十”字形，c为矩形，d为星形。

图中1.电子器件；2.吸液芯；3.支撑架；4.高导热性隔层；5.冷凝段；6.蒸发段；7.气液相变腔体；8.辐射段；9.渐缩分层肋片；10.固液相变存储介质；11气液两相介质；12.气液两相介质；13.热量。

具体实施方式

下面结合附图对本说明作进一步的描述：

图1给出了本发明的结构示意图，一种将基于气液相变过程的热扩散装置和基于固液相变过程的热存储装置相结合，以渐缩分层肋片为强化传热器件的空间用相变储能式温控器，具体结构包括：电子器件1、吸液芯2、支撑架3、高导热性隔层4、冷凝段5、蒸发段6、气液相变腔体7、辐射段8、渐缩分层肋片9、固液相变存储介质10等主要部分组成。电子器件1位于气液相变腔体7上壁面外表面，吸液芯2紧贴在气液相变腔体7内壁面以及支撑架3表面上，气液相变腔体7与冷凝段6通过高导热性隔层4分隔，渐缩分层肋片9均匀分布在冷凝段6内部，固液相变存储介质10填充在渐缩分层肋片9的间隙中，热致变色涂层均匀涂覆在辐射段8壁面外表面。

图2给出了在电子器件工作时，所述空间用相变储能式温控器的工作原理图。电子器件1产生的热量13首先传递到气液相变腔体7上壁面内侧的吸液芯2中，随后由吸液芯2中的气液两相介质饱和蒸汽11将热量13输送至气液相变腔体7下壁面内侧的吸液芯2中，所述的气液两相介质饱和蒸汽11在此冷凝成为饱和液体12，在失重的环境中，饱和液体12在由所述的吸液芯2提供的毛细力作用下，沿着紧贴气液相变腔体7壁面以及支撑架3表面的吸液芯2重新返回至气液相变腔体7上壁面内侧的吸液芯2中。热量13经过高导热性隔层4，一部分传递给固液相变存储介质10，另外大部分传递给渐缩分层肋片9后，再传递给固液相变存储介质10，固液相变存储介质10吸收热量后发生相变，最终将热量进行存储。由于具有点阵支撑架的热扩散装置具有良好的均温性，能够使高温热量均匀冷却；渐缩分层肋片则能够分散热流，使换热均匀。以上几项措施对于实现高效换热是有益的。

图3给出了在电子器件停止工作时，空间用相变储能式温控器的工作原理图。当电子器件1不工作时，固液相变存储介质10存储的热量13被释放出来，一部分经过高导热性隔层4直接传递到气液相变腔体7下壁面内侧的吸液芯2中，另外大部分传递给渐缩分层肋片9后，再经过高导热性隔层4传递到气液相变腔体7下壁面内侧的吸液芯2中，吸液芯2中的气液两相介质饱和液体12受热成为饱和蒸汽11，运动至气液相变腔体7上壁面并在此冷凝成为饱和液体12。饱和液体12在由所述的吸液芯提供的毛细力作用下，沿着紧贴气液相变腔体7壁面以及支撑架3表面的吸液芯2重新返回至气液相变腔体7下壁面内侧的吸液芯2中。由饱和液体12释放出的热量13则传递给电子器件1，使电子器件1在不工作时其温度可维持在正常工作范围之内，避免电子器件1因温度过低而无法启动的问题。

图4为渐缩分层肋片结构示意图，图5为分层单元结构示意图。渐缩分层肋片共有X个分层单元，每个分层单元有M级，M为大于等于2的整数，每级肋片又分为2个肋片，第i+1层肋片的长度L_i+1与第i层肋片长度li之间满足L_i+1/L_i＝R_L的关系，第i+1层肋片与第i层肋片在任意同一高度h处的截面宽度w_i+1，h与w_i，h之间满足w_i+1，h/w_i，h＝R_w的关系，其中，i为大于0且小于等于M-1的整数，长度比例系数R_L为大于1的实数，宽度比例系数R_w为大于1的实数，所述渐缩分层肋片的分层角度为 的范围在0°与90°之间。在本实施例中，分层单元X为5，分级数M为2。

从图4与图5中可以看到，渐缩分层肋片，通过分层产生越来越多的分支，使得肋片与固液相变存储介质的换热面积大幅增加；而肋片上部宽度较大，则大大增加了肋片与高导热性隔层的导热面积，有利于将热量更快地输送到热存储装置的下部空间，提高换热效率；另外，肋片下部宽度较小，则减小了肋片在所述冷凝段中所占体积比，增大了固液相变存储介质的体积，增加了热存储装置的储能容量。将渐缩分层肋片以圆形阵列方式布置在所述的冷凝段内，可以均匀分散热流，消除局部高热流密度，使电子器件温度均匀分布，增强了热存储装置的换热性能。

图6为支撑架结构示意图。从图中可以看出，支撑架3表面附着有一层吸液芯2。支撑架3结构可为圆形、“十”字形、矩形、星形等多种结构。

Claims (9)

1.一种空间用相变储能式温控器，其特征在于：包括热扩散装置、热存储装置与热致变色涂料层；所述热扩散装置由蒸发段、气液相变腔体、支撑架、吸液芯、冷凝段与填充在所述气液相变腔体内部的气液两相介质构成，所述支撑架在所述气液相变腔体内点阵布置；所述热存储装置由冷凝段、渐缩分层肋片、辐射段与填充在所述渐缩分层肋片间隙之间的固液相变存储介质构成；所述渐缩分层肋片宽度沿垂直方向从上往下减缩；所述渐缩肋片上表面与下表面分别与冷凝段和辐射段紧密接触，以圆形阵列方式布置在所述的冷凝段与所述的辐射段所构成的密闭空腔内；所述热致变色涂料层涂覆于所述热存储装置辐射段的外表面。

2.根据权利要求1所述的一种空间用相变储能式温控器，其特征在于：所述渐缩分层肋片共有X个分层单元，每个分层单元有M级，M为大于等于2的整数，每级肋片又分为2个肋片，第i+1层肋片的长度L_i+1与第i层肋片长度l_i之间满足L_i+1/L_i＝R_L的关系，第i+1层肋片与第i层肋片在同一高度h处的截面宽度w_i+1，h与w_i，h之间满足w_i+1，h/w_i，h＝R_w的关系，其中，i为大于0且小于等于M-1的整数，长度比例系数R_L为大于1的实数，宽度比例系数R_w为大于1的实数，所述渐缩分层肋片的分层角度为 的范围在0°与90°之间。

3.根据权利要求2所述的一种空间用相变储能式温控器，其特征在于：所述渐缩分层肋片的分级数M为2-4，分层单元X为3-8。

4.根据权利要求1所述的一种空间用相变储能式温控器，其特征在于：所述吸液芯紧密贴合在所述支撑架表面以及气液相变腔体的上壁面、下壁面及侧壁面的内侧，包围形成的空腔即为所述气液相变腔体。

5.根据权利要求1所述的一种空间用相变储能式温控器，其特征在于：所述热扩散装置与所述热存储装置通过一层高导热性隔层分离。

6.根据权利要求1-5所述的一种空间用相变储能式温控器，其特征在于：所述热量扩散装置壳体和热量存储装置壳体的形状均为圆柱形。

7.根据权利要求1-5任一所述的一种空间用相变储能式温控器，其特征在于：所述热致变色涂料层为掺杂锶和钙的锰酸镧复合材料或二氧化钒。

8.根据权利要求1-5任一所述的一种空间用相变储能式温控器，其特征在于：所述气液两相介质选用水、氨、甲醇、乙醇、丙醇、丙酮、有机物或制冷剂。

9.根据权利要求1-5任一所述的一种空间用相变储能式温控器，其特征在于：所述固液相变存储介质选用结晶水合盐、共晶水合盐、直链烷烃、石蜡类、脂肪酸类或聚二乙醇。