CN110113902B - 一种集成隔热、储热及热反射的多层热防护系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集成隔热、储热及热反射的电子器件多层热防护系统，主要用于电子器件热防护领域，包括由内至外依次包裹在所述电子器件的隔热层、储热层、热反射层。本发明通过热反射层的作用减少辐射传热，将高温热辐射大部分反射回高温环境中，从而降低热防护系统最外层温度，降低向内的传热温差；通过储热层的作用吸收透过热反射层的高热流，防止大量热量进入内部导致剧烈升温；通过隔热层的作用阻碍热量进入最内部的热防护空间，保护内部温度条件。本热防护系统结构紧凑，稳定性高，根据储热层材料的不同，适用于突发火灾等意外时，暴露在高温环境下的电子器件单次热防护。

Description

一种集成隔热、储热及热反射的多层热防护系统
技术领域
本发明涉及电子器件热防护系统，特别涉及将隔热、储热和热反射三种隔热技术相结合的电子器件热防护系统。
背景技术
较高的环境温度会影响电子产品可靠性和运行效率，甚至发生电路烧毁造成火灾等严重事故，因此有必要对电子产品进行热的管理和防护。电子器件的热防护目的主要为确保其能在可接受的温度下工作，通常电子器件的工作温度要求小于70℃，一些特殊器件如黑匣子的温度要求为小于125℃。
隔热技术、储热技术和热反射技术是当前最常见的电子器件热防护技术。隔热技术的作用机理为利用低热导率的材料减小外部进入内部的热流进而维持内部低温。然而隔热材料成本高，热容小，难以应付器件在高温长时条件下的隔热需求。储热技术的作用机理为利用储热材料吸收热量保护内部低温。储热技术根据储热材料类型可以分为显热储热、潜热储热和热化学储热。显热储热密度不大，应用不广。潜热储热，又称相变储热，是利用材料固液相变过程实现热量的储存与释放，具有储热密度大、储热过程温度波动小等优点。热化学储热利用可逆化学反应实现热量的储存与释放，储热密度较相变材料高一个数量级，储热过程温度波动小，是非常具有前景的储热技术。储热材料可以极大程度提升热防护系统热容，大大延长热防护系统工作时间。热反射技术的作用机理为反射高温环境对物体的辐射传热从而达到减少热量输入的效果。由于温度越高，辐射传热越强，所以热反射技术在高温隔热领域尤为重要。热反射材料通常具有高的辐射系数和良好的耐高温特性。
当前电子元件现有的热防护技术往往采用其中一种技术实现热防护，如CN106304772A采用相变储热技术来实现电子设备温控，CN207496916U采用有机硅隔热密封机层设计了一种飞行器舱段内部热防护结构，确保飞行器内部电路工作温度正常。但是隔热、储热与热反射技术各自存在缺陷，限制其在热防护系统中的应用。单一的隔热材料热导率低，但热容较小，控温时间短；单一的储热材料可以储存大量热能，但存在热导率过大的问题，热量渗透速率快；单一的热反射材料能够有效减少热通量，但热容过小易造成局部高温，引发热反射材料失效。单一的热防护结构往往对材料的性能提出很高的要求，并且通常需要辅助以主动冷却，系统结构复杂，稳定性差；特别在一些高温、高热流条件下，用单一的热防护技术存在材料制备困难，成本过高的问题。为此将多种热防护技术进行耦合，充分利用不同防护技术的优势，能够实现高热流密度环境下的高效热防护。CN105120639A公布了一种结合了隔热层与相变储热层相结合的热防护结构，其热防护时间较单一的隔热结构能够延长30％。然而，该结构未采用热反射材料，因此当应用于环境温度在150℃以上的高温热防护时，该系统会有20％以上的额外热量进入。只有将热反射层、隔热层与储热层有机结合在一起，才能最大限度的提升系统的热防护性能。
发明内容
本发明针对上述背景中指出的不足，设计了一种集成隔热、储热及热反射的多层热防护系统，通过梯级热防护的方法，有效地将不同热防护技术的优点相结合，在一些热防护场合下既降低了热防护成本，也简化了热防护系统。
一种集成隔热、储热及热反射的电子器件多层热防护系统，包括由内至外依次包裹在所述电子器件的隔热层、储热层、热反射层。
优选地，所述电子器件的环境温度为100～700℃。
优选地，所述的隔热层的热导率低于0.2W/(m·K)。
优选地，所述的隔热层的材料包括隔热涂层或隔热填充剂。
优选地，所述所述的隔热层采用气凝胶隔热层。
优选地，所述储热层的材料包括热化学储热材料和脱附储热材料。
优选地，所述储热层的作用温度为100～200℃、焓值为600～1500kJ/kg。
优选地，所述储热层采用硼酸储热层。
优选地，当所述的储热层吸热前后压力发生明显变化时，还设置有确保热防护系统压力稳定排气孔。
优选地，所述的隔热层、储热层、热反射层通过耐高温材料封装以固定形状和位置。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明采用高储热密度的热化学储热材料或脱附储热材料，在高热流冲击的热防护中效果显著。
2、本发明结构紧凑，在小空间热防护领域有重要意义。
3、本发明采取梯级热防护的方法，有效结合各热防护技术的优点，可以在获得好的热防护效果的同时，也降低热防护成本。
4、本发明可以根据热防护要求选取和设计不同的热防护方案，适用范围广泛。
附图说明
图1是本发明实施例一的一种集成隔热、储热及热反射的多层热防护系统的半剖示意图。
图2是本发明实施例二的一种集成隔热、热化学储热及热反射的黑匣子的半剖示意图。
图3是本发明实施例三的一种集成隔热、热化学储热及热反射的黑匣子的半剖示意图。
图4是实施例二测得温度曲线图，包括黑匣子环境温度T11、外壁温度T12、内壁温度T13、硼酸层与隔热层交界温度T14、内腔体内壁温度T15。
图5是实施例三测得的温度曲线图，包括黑匣子环境温度T21、内壁温度T22、储热层温度T23、内腔体内壁温度T24。
图中：1-热反射层、2-储热层、3-隔热层、4-热防护空间、5-不锈钢内腔体、6-不锈钢外腔体。
实施例一
如图1所示，一种集成隔热、储热及热反射的电子器件多层热防护系统，包括由内至外依次包裹在所述电子器件的隔热层3、储热层2、热反射层1，隔热层3内侧形成包裹所述电子器件的热防护空间4。所述电子器件的环境温度为100～700℃。
所述的隔热层3的所述的隔热层3的材料采用隔热涂层或隔热填充剂，热导率低于0.2W/(m·K)。
所述储热层2的材料包括热化学储热材料和脱附储热材料，作用温度为100～200℃、焓值为600～1500kJ/kg。
实施例二
以用于黑匣子热防护的集成隔热、储热及热反射的多层热防护系统为例，对其结构和工作原理进行如下说明：
如图2所示，选用的黑匣子为一个外观尺寸为75×100×140mm、壁厚为5mm的不锈钢外腔体6，腔体中心即为用作数据记录的电路板，置于另一个外观尺寸为28×55×110mm、壁厚为3mm的不锈钢内腔体5中。根据有关设计标准，黑匣子需要在300℃环境温度中1h或者在650℃环境温度中0.5h保持内腔体中的电路板温度不高于125℃。
本案例采用集成隔热、储热及热反射的多层热防护系统对黑匣子进行热防护设计，包括贴附在不锈钢外腔体外壁的铝箔热反射层、由内至外依次设置包裹在所述用作数据记录的电路板的气凝胶隔热层、硼酸储热层。
制作过程具体如下：
(1)隔热层3的制作：将不锈钢外腔体6与不锈钢内腔体5之间的空隙均分为两层，外层为硼酸储热层，内层为气凝胶隔热层。气凝胶隔热层由厚度均匀的气凝胶包裹不锈钢内腔体5构成。气凝胶隔热层外观尺寸为5×8×13mm，隔热材料为二氧化硅气凝胶，其热导率为0.03W/(m·K)。
(2)储热层2的制作：本案例选用硼酸作为储热材料。硼酸具有热分解热性，加热至100～105℃时失去一分子水而形成偏硼酸，于104～160℃时长时间加热转变为焦硼酸，更高温度则形成无水物，并且热分解过程吸收大量的热。将隔热层置于不锈钢外腔体6的中心，然后在隔热层与不锈钢外腔体6的空隙填充硼酸，制得硼酸储热层，并封闭黑匣子，最终硼酸用量为350g。
(3)热反射层1的制作：将封装好的黑匣子用铝箔完全包裹，即制得铝箔热反射层。
热防护系统制作完成后，将整个黑匣子置于300℃的马弗炉中恒温1h，通过热电偶测得黑匣子内腔体温度始终可以维持在125℃以内，系统热防护效果显著，测得的温度曲线如图4所示。
实施例三
如图3所示，本实施例选用与实施例一相同的黑匣子，其区别主要在于：铝箔热反射层贴附在不锈钢外腔体6的内壁、隔热层3材料不同，制作过程具体如下：
(1)热反射层1的制作：在黑匣子的不锈钢外腔体6内壁贴上一层铝箔，制得铝箔热反射层。
(2)隔热层3的制作：采用厚度为8mm、热导率为0.2W/(m·K)的隔热棉将不锈钢内腔体5包裹，制得隔热棉隔热层，置于不锈钢外腔体6内部中心。
(2)储热层2的制作：本案例选用某水基脱附储热材料作为储热层，该材料在100-110℃发生相变，并吸收大量热。用该材料充满热反射层1与隔热层2的间隙，制得储热层2，最终相变材料用量为900g。
热防护系统制作完成后，将黑匣子置于650℃的马弗炉中恒温0.5h后停止加热，通过热电偶测得黑匣子内腔体温度在5130s内始终未超过125℃，系统热防护效果显著，测得的温度曲线如图5所示。
本集成隔热、储热及热反射的电子器件多层热防护系统的主要原理是：
通过热反射层的作用减少辐射传热，将高温热辐射大部分反射回高温环境中，从而降低热防护系统最外层温度，降低向内的传热温差；通过储热层的作用吸收透过热反射层的高热流，防止大量热量进入内部导致剧烈升温；通过隔热层的作用阻碍热量进入最内部的热防护空间，保护内部温度条件。本热防护系统结构紧凑，稳定性高，根据储热层材料的不同，适用于突发火灾等意外时，暴露在高温环境下的电子器件单次热防护。
上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围。根据热防护要求，系统可调整为集成隔热及储热的热防护系统、集成热反射及隔热的热防护系统和集成热反射及储热的热防护系统；根据热防护要求，储热材料既可以采用一次性使用的材料，也可采用可多次循环使用的材料。凡依本发明的内容所作的均等变化与修饰，均为本发明权利要求所要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种集成隔热、储热及热反射的电子器件多层热防护系统，其特征在于，包括由内至外依次包裹在所述电子器件的隔热层(3)、储热层(2)、热反射层(1)；所述储热层(2)的材料包括热化学储热材料和脱附储热材料；所述储热层(2)的作用温度为100~200 ℃、焓值为600~1500 kJ/kg；所述储热层(2)采用硼酸储热层，当所述的储热层(2)吸热前后压力发生明显变化时，还设置有确保热防护系统压力稳定排气孔。
2.根据权利要求1所述的电子器件多层热防护系统，其特征在于，所述电子器件的环境温度为100~700 ℃。
3.根据权利要求1所述的电子器件多层热防护系统，其特征在于，所述的隔热层(3)的热导率低于0.2 W/(m·K)。
4.根据权利要求2所述的电子器件多层热防护系统，其特征在于，所述的隔热层(3) 的材料包括隔热涂层或隔热填充剂。
5.根据权利要求4所述的电子器件多层热防护系统，其特征在于，所述的隔热层(3)采用气凝胶隔热层。
6.根据权利要求1所述的电子器件多层热防护系统，其特征在于，所述的隔热层(3)、储热层(2)、热反射层(1)通过耐高温材料封装以固定形状和位置。
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