CN109163591B - 一种大功率相变储能换热器 - Google Patents

一种大功率相变储能换热器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大功率相变储能换热器，包括从下往上依次封装的底板、外回路板、内回路板、相变层板和盖板，所述盖板上设有内回路进口管、内回路出口管、外回路进口管、外回路出口管和相变层充装管，所述内回路板和外回路板均由高导热系数的轻质金属基底和肋片矩阵构成，肋片矩阵用于强化换热，肋片矩阵间隙分别用于形成内回路流体域和外回路流体域，相变层板由相变材料和矩阵肋片构成。本发明能够实现短时、大功率热量的快速存储和缓慢排散，实现控系统的优化。另一方面，肋片矩阵提高了石蜡类相变材料导热性能，改善了相变材料融化过程温度均匀性，防止局部区域的相变材料融化后积聚，胀裂换热器，适用于航天器流体回路热控系统。

Description

一种大功率相变储能换热器
技术领域
本发明涉及热管理技术领域，具体是一种大功率相变储能换热器。
背景技术
随着航天技术的发展，载荷的种类越来越多，有一类载荷具有超高热流密度超大功率等特点，并且是短时、周期性工作。如果这些热量不及时排散，将会使载荷的温度急剧升高，导致载荷烧毁。解决这类超高热流密度和和超大发热量的载荷热控难题，需要采用机械泵驱动单相流体回路，以完成高热流大功率载荷的热量收集。要解决几百W/cm2的热流密度的热量收集难题，需要驱动泵提供较大的工质流量，大流量下工质在管路里的阻力会大大增加，势必对驱动泵的扬程提出更高的要求，流量和扬程的增加最终转化为泵功、质量和体积的大幅增加；基于系统优化的角度，泵驱动单相流体回路的管路不宜太长，这就限制了流体回路长度。
在优先解决超大功率超高热流密度载荷的热量收集后，无法满足长距离热量传输的需求；同时，超大功率热量的排散需要非常大辐射面积，将导致辐射器非常庞大。因此，需要综合考虑长距离热量输送和超大功率热量排散两个需求。蒸汽压缩热泵系统采用工质的相变潜热吸收、传输和排散热量，可大大减少工质流量，增长输送距离，实现热量的长距离输送；同时，基于热泵系统的工作原理，会明显提高辐射散热面的温度，因此，可以明显减小辐射器的面积，降低热量排散系统的规模。
石蜡是一类广泛应用于热控技术的相变材料，其熔点分布广泛。但石蜡类相变材料最大的缺陷是导热率极低(一般在0.1W/m·K左右)，这严重影响了热量在其内部的传递，从而降低其换热性能。
发明内容
为解决上述现有技术中的缺陷，本发明提供了一种大功率相变储能换热器，将泵驱动单相流体回路和大功率相变储能技术结合起来使用，再用小规模的外回路就爱那个相变材料储存的热量慢慢排散出去，组成内、外回路结构的流体回路系统，可以充分发挥两者的优势，满足超大功率超高热流密度载荷的热排散需求。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种大功率相变储能换热器，包括从下往上依次封装的底板、外回路板、内回路板、相变层板和盖板，所述盖板上设有内回路进口管、内回路出口管、外回路进口管、外回路出口管和相变层充装管，所述内回路板和外回路板均由高导热系数的轻质金属基底和肋片矩阵构成，肋片矩阵用于强化换热，肋片矩阵间隙分别用于形成内回路流体域和外回路流体域，所述相变层板由相变材料和矩阵肋片构成，矩阵肋片用于强化相变材料的传热能力。内回路与热流体接触，将短时、大功率载荷的热量传递到相变层，相变材料迅速吸收热量并融化，维持内回路出口处的流体温度在相变点附近。外回路接入小规模流体回路系统，吸收相变材料凝固放出的热量，并缓慢排散掉。
优选地，所述底板下底面对称安装有若干安装角。
优选地，所述肋片矩阵以高导热系数的轻质金属为材料，呈圆柱体状，以阵列形式间隔分布在金属基底上以强化内、外回路的对流换热能力。
优选地，所述矩阵肋片以高导热系数的轻质金属为材料，呈圆柱体状，以阵列形式间隔分布在金属基底上方以强化相变层的综合换热能力。
优选地，所述相变热层除相变材料外，所用材料均为高导热系数的轻质金属。
优选地，所述相变材料为石蜡类，分子式为CnH2n+2，相变点在5～40℃之间。
优选地，所述内回路进口管、内回路出口管7与内回路板相连通，所述外回路进口管、外回路出口管与外回路板相连通，所述相变层充装管与相变层板相连通。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
一方面，利用高导热系数的轻质金属做肋片矩阵，增强了石蜡相变材料内部的换热过程，并且金属密度小，在航天器热控应用方面能够有效减轻重量。
另一方面，对于短时、周期性工作的超高热流密度、超大功率载荷，在载荷工作时，内回路将热量传递给相变材料，相变材料吸收短时大热量，小规模外回路将热量慢慢排散出去。此相变储能换热器既可以维持单机温度在一个定的范围内不被烧毁，又能大大减小流体回路规模，减轻流体回路重量。
附图说明
图1为本发明实施例一种大功率相变储能换热器的外观图。
图2为本发明实施例一种大功率相变储能换热器的内部结构示意图。
图3为本发明实施例中内回路层、相变层、外回路层示意图。
图4为本发明实施例中相变层肋片矩阵图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种大功率相变储能换热器，包括从下往上依次封装的底板1、外回路板3、内回路板2、相变层板4和盖板5，所述盖板5上设有内回路进口管6、内回路出口管7、外回路进口管8、外回路出口管9和相变层充装管11，所述内回路进口管6、内回路出口管7与内回路板2相连通，所述外回路进口管8、外回路出口管9与外回路板3相连通，所述相变层充装管11与相变层板4相连通。该换热器为长方体形，具体尺寸为250mm×130mm×114.6mm，内部包括相变层20层，内回路板17层，外回路板2层。
相变层为扁平长方体形，具体尺寸为250mm×130mm×3.9mm，壁厚0.4mm。相变层用肋片矩阵强化换热，肋片数为66×30根，肋片为圆柱形，每一根肋片尺寸为半径1.5mm×高度3.5mm。所用材料为铝。
外回路板为扁平长方体形，具体尺寸为250mm×130mm×2.9mm，壁厚0.4mm。外回路用肋片矩阵强化换热，肋片数为66×30根，肋片为圆柱形，每一根肋片尺寸为半径1.5mm×高度2.5mm。所用材料为铝。
内回路板为扁平长方体形，具体尺寸为250mm×130mm×1.6mm，壁厚0.4mm。外回路用肋片矩阵强化换热，肋片数为66×30根，肋片为圆柱形，每一根肋片尺寸为半径1.5mm×高度1.2mm。所用材料为铝。
本实施例的相变材料为石蜡类，其主要成分分子式为CnH2n+2，如十四烷熔点5.5℃，融化潜热226kJ/kg、十六烷熔点16.7℃，融化潜热237kJ/kg、十八烷熔点28.0℃，融化潜热247kJ/kg。
本实施例使用时，内回路与周期性工作热源通过流体回路连接，在内回路中通入热流体，内回路流体吸收热源热量，通过内回路进口管6流经内回路板2将热量传递给石蜡类相变层板4，相变层内相变材料迅速融化吸收热量，使得内回流流体降温冷却，足够的换热能力使内回路流体在内回路出口处的温度保持在相变材料的相变点附近，最后由内回流出口管7流出，完成内回路与相变层板4之间的换热。在外回路中通入冷流体，流体流经外回路板时缓慢地吸收相变材料凝固放出的热量，将热量从相变层带走，经过相对较长的时间后，相变材料完全凝固，为下一个工作周期做好准备，最后由外回路流体层出口管9流出。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (3)

1.一种大功率相变储能换热器，包括从下往上依次封装的底板(1)、外回路板(3)、内回路板(2)、相变层板(4)和盖板(5)；
所述盖板(5)上设有内回路进口管(6)、内回路出口管(7)、外回路进口管(8)、外回路出口管(9)和相变层充装管(11)，所述内回路进口管(6)、内回路出口管(7)与内回路板(2)相连通，所述外回路进口管(8)、外回路出口管(9)与外回路板(3)相连通，所述相变层充装管(11)与相变层板(4)相连通；
所述内回路板(2)和外回路板(3)均由高导热系数的轻质金属基底和肋片矩阵构成，所述肋片矩阵呈圆柱体状并以阵列形式间隔分布在金属基底上，所述肋片矩阵用于强化换热，肋片矩阵间隙分别用于形成内回路流体域和外回路流体域；
所述相变层板(4)由相变材料和矩阵肋片构成，所述矩阵肋片呈圆柱体状并以阵列形式间隔分布在金属基底的上方，所述矩阵肋片用于强化相变材料的传热能力，其中，内回路与热流体接触，将短时、大功率载荷的热量传递到相变层，相变材料迅速吸收热量并融化，维持内回路出口处的流体温度在相变点附近；外回路接入小规模流体回路系统，吸收相变材料凝固放出的热量，并缓慢排散掉；
所述相变层板(4)除相变材料外，所用材料采用高导热系数的轻质金属，采用高导热系数的轻质金属做肋片矩阵，增强了石蜡相变材料内部的换热过程，减轻了航天器热控设备的重量；
对于超高热流密度、超大功率载荷，在载荷工作时，内回路将热量传递给相变材料，相变材料吸收短时大热量，小规模外回路将热量慢慢排散出去，能够维持单机温度在一定的范围内不被烧毁，减小流体回路体积，减轻流体回路重量。
2.如权利要求1所述的一种大功率相变储能换热器，其特征在于，所述底板(1)下底面对称安装有若干安装角(10)。
3.根据权利要求1所述的一种大功率相变储能换热器，其特征在于，所述相变材料为石蜡类，分子式为CnH2n+2，相变点在5～40℃之间。
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