CN111465260B - 一种用于减轻质量的航天器用大面积辐射散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种用于减轻质量的航天器用大面积辐射散热装置，包括蒙皮、热管、蜂窝结构、蒙皮、石墨、蒙皮、胶粘剂、导热填料和散热涂层；所述蜂窝结构与蒙皮、蒙皮通过胶粘剂粘贴在一起，形成高刚度蜂窝板，为辐射散热装置提供力学支撑；石墨上有多个均布的通孔，胶粘剂通过石墨上均布的多个通孔将蒙皮和蒙皮牢固连接起来，形成对石墨的多点固定；热管通过导热填料与蒙皮连接，散热涂层位于蒙皮的外表面。本发明质量轻，扩热能力强，成本较低，可靠性较高。

Description

一种用于减轻质量的航天器用大面积辐射散热装置

技术领域

本发明涉及一种用于减轻质量的航天器用大面积辐射散热装置。属于温度控制技术领域，尤其适用于散热面面积大，质量要求轻的大型散热装置。

背景技术

航天器在外空间工作时会产生热量，热量需要及时排散出去，否则设备温度难以满足指标要求，轻则会影响设备的的工作性能，重则会烧毁器件或者大大缩短器件的使用寿命。由于外空间为4K的真空环境，与一般设备的工作温度300K附近的温差非常大，所以飞行器一般均为通过开设散热面与冷空间进行辐射换热来实现散热。常规散热面主要2类：第一类为铝板散热面，如文献中《空问光学遥感器CCD焦面组件热设计》采用3mm的铝合金散热面。另一类为蜂窝板散热面，散热面由两层铝板中间夹一层铝蜂窝或泡沫材料形成主体结构，然后在铝蜂窝或泡沫材料中嵌入热管。见文献《AMS散热板的太空模拟试验》中的阿尔法磁谱仪散热板。

采用铝合金板散热面的优点是铝板各向同性，且导热系数(一般120W/(m.K))不低，当散热面面面积较小时，板在厚度方向和平面内的热阻均较小。结构简单，有较好的力学性能。但缺点是当散热面面积较大(0.5平米以上)时，由于板平面内导热系数相对较低，为满足散热面扩热性能要求和力学性能要求，往往需要较厚的铝板。而铝板重量的增加又带来其支撑结构重量的增加，这导致大面积使用时铝板散热面往往质量较重。

蜂窝板散热面由上、下两层薄薄的蒙皮和中间一层蜂窝结构组成，蒙皮和蜂窝结构间采用胶粘接。蜂窝板散热面的优点是质量轻，刚度高，力学性能好。缺点是蜂窝板不论是平面内还是厚度方向上的等效导热系数均很低，一般蒙皮厚度为0.3mm，蜂窝结构厚度为25mm的铝蜂窝板，其厚度方向上的等效导热系数仅1W/(m.K)左右，平面内的导热系数仅4W/(m.K)左右。而要提高蜂窝板散热面的等效导热系数则需要大量增加在蜂窝板内预埋热管的数目，由于热管生产升本较高且可靠性小于1，大量增加热管这一方面会增加重量，降低散热装置的可靠性，同时还会使得散热面制造成本高。

高导热石墨膜采用聚酰亚胺薄膜高温碳化石墨化而制成，其优点是平面内导热系数高，可到1500W/(m.K))以上。生产成本较低，目前已广泛应用于手机散热等领域，但其缺点是厚度方向导热系数较低，一般在1～10W/(m.K)之间。此外高导热石墨膜厚度较薄，一般在10～30um之间，要大功率传热的话须多层高导热石墨膜复合起来使用，高导热石墨膜通过溶剂型压敏类胶粘贴在一块的见专利“一种石墨膜/金属复合散热片及其制备方法”。通过环氧树脂类粘贴在一起的见专利“一种石墨膜复合体及其制备方法”，这些方法制备的多层复合的高导热石墨复合件均具有石墨自身固有的层间结合力弱，容易掉粉产生多余物的缺点。同时复合件还具有厚度方向上热阻大，进行大面积，大功率的传热时温差巨大的缺点。因此其目前在航天领域的应用很少。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种质量轻，扩热能力强，成本较低，可靠性较高的大面积辐射散热装置。

本发明的技术方案是：一种用于减轻质量的航天器用大面积辐射散热装置，包括蒙皮、热管、蜂窝结构、蒙皮、石墨、蒙皮、胶粘剂、导热填料和散热涂层；

所述蜂窝结构与蒙皮、蒙皮通过胶粘剂粘接在一起，形成高刚度蜂窝板，为辐射散热装置提供力学支撑；石墨上有多个均布的通孔，胶粘剂通过石墨上均布的多个通孔将蒙皮和蒙皮牢固连接起来，形成对石墨的多点固定；热管通过导热填料与蒙皮连接，散热涂层位于蒙皮的外表面；

热量从热源首先传递至热管上，通过热管扩散至与热管连接的石墨上，然后通过石墨将热量由线扩散成面，最终扩散到整个辐射散热器上，辐射散热器通过其表面的散热涂层将热量辐射至热沉。

所述热管均匀布置在辐射散热器表面，将辐射散热器划分为若干等分的小区域，不同位置相同长度的每小段热管经石墨到热沉的热阻相当。

所述石墨上均布若干通孔，通孔总面积与石墨的总面积之比在5％-10％之间。

所述通孔分布为正三角形分布，通孔半径R与通孔高度h之比在3-10之间。

所述石墨位采用若干层厚度仅为几十微米的高导热石墨膜通过第二胶粘剂粘接而成。

所述第二胶粘剂每层厚度为2um-4um；优选溶剂型聚丙烯酸酯。高导热石墨厚度为25um，通过高温碳化石墨化而制成，其导热系数不小于1500W/(m.K)。

所述蒙皮、蒙皮、蒙皮均选择厚度薄、力学性能好、密度小的材料。

胶粘剂为胶粘剂或胶粘剂与蒙皮材料的混合物，胶粘剂优选J-133环氧树脂，聚丙烯酸树脂、聚硅氧烷、酚醛树脂中的一种或几种的混合。

导热填料优选导热硅脂，导热硅胶，导热绝缘垫。散热涂层优选OSR片，白漆。蜂窝结构优选铝蜂窝结构，纸蜂窝，在力学环境较好，散热面强度满足力学要求的情况下，蜂窝结构也可以去掉，热管优选铝合金槽道热管。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)热管与高导热石墨相结合，热管2均匀的布置在辐射散热器表面，将辐射散热器划分为若干个小区域，不同位置相同长度的每小段热管经石墨到热沉的热阻基本相当，利用热管优异的(线性)传热均温能力(等效导热系数为10⁴～10⁵W/(m.K))，将来自热源的热量均匀快速的传递至辐射散热器的每个小区域，将热量由点热源高效的扩散成线热源，然后再利用高导热石墨在平面内的高导热性能(面内等效导热系数不小于1500W/(m.K))，将热量由线热源高效的扩散成面热源。由于热管长度较长，与石墨的接触面积大，即使石墨厚度方向上导热系数较低，石墨厚度方向上的导热热阻也会较小，因此，与现有技术相比，热管与石墨相结合的布置方式大大减少了从热源到辐射散热器各个角落的传热热阻。

2)石墨独特的多点固定方式既解决了高导热石墨自身层间结合力差，容易掉粉产生多余物的缺点，同时又不会显著降低高导热石墨的导热性能；同时石墨上圆形通孔呈正三角形均布的布置方式既广泛适用于各种散热面形状，又便于大面积，大批量的机械化作业，可显著降低产品的生产时间和生产成本。

3)石墨5位若干层高导热石墨膜通过溶剂型胶粘剂粘接而成，其面内导热系数为传统散热面材料铝合金(120W/(m.K))的10倍，而密度(1800kg/m3)仅为铝合金的1/3，可大大降低产品重量，其中高导热石墨膜目前已经大批量用于手机散热领域，具有来源广，成本低的优点，溶剂型聚丙烯酸酯大量用于工业领域，具有成本低，厚度薄的优点。

4)蒙皮优选厚度薄的凯夫拉布，碳纤维布等，相对传统散热材料铝合金具有力学性能好，密度低的优点，同样的力学性能要求下可大大减低产品质量，1公斤质量代价为1公斤黄金的航天领域，减少产品质量即为减少成本。

5)胶粘剂优选J-133环氧树脂，其具有良好的韧性和耐久性，适应温度范围宽的特点，

6)蜂窝结构优选铝蜂窝，其具有重量轻，力学性能，耐久性好的特点，OSR片是目前太阳吸收率/红外发射率比最低的散热涂层，散热性能优异。导热填料8优选导热硅脂或导热硅胶，其可以大大降低热管与蒙皮之间的接触热阻。

附图说明

图1a、图1b、图1c为实施例1中的装置的结构三视图；

图2为实施例1中的装置的温度场仿真结果；

图3为对比例1中的装置的结构示意图；

图4为对比例1中的装置的温度场仿真结果；

图5为对比例2中的装置的结构示意图；

图6为对比例2中的装置的温度场仿真结果。

具体实施方式

如图1所示，由蜂窝结构3与蒙皮1、蒙皮6通过胶粘剂7粘接在一起，形成高刚度的蜂窝板，为辐射散热装置提供力学支撑，石墨5上有多个均布的通孔，蒙皮6和蒙皮4通过胶粘剂7将石墨5固封在二者中间。胶粘剂7通过石墨5上的均布的多个通孔将蒙皮4和蒙皮6牢固连接起来，形成对石墨5的多点固定。热管2通过导热填料8与蒙皮4连接，散热涂层9位于蒙皮4的外表面。

热量从热源首先传递至热管2上，通过热管2将热量由点扩散成线，将热量快速均匀的扩散至与热管连接的石墨5上，然后通过石墨5将热量由线扩散成面，最终扩散到整个辐射散热器上，辐射散热器通过其表面的散热涂层将热量辐射至低温热沉上。

上述具体实施方式中的高导热石墨复合件5是由若干层厚度仅几十微米的高导热石墨膜通过第二胶粘剂粘在一起的产品。优选的为采用溶剂型聚丙烯酸酯胶粘剂粘贴而成的产品，第二胶粘剂厚度仅2um-4um，优选的高导热石墨膜厚度为25um由聚酰亚胺膜通过高温碳化石墨化而制成的产品，其导热系数不小于1500W/(m.K)。蒙皮1、蒙皮4、蒙皮6均优选厚度较薄、质量较轻的蒙皮类材料如：凯夫拉布，碳纤维布，铝合金蒙皮，等。蜂窝结构3优选铝蜂窝，纸蜂窝。胶粘剂7优选J-133环氧树脂，聚丙烯酸树脂、聚硅氧烷、酚醛树脂等的一种或几种的混合。别的材料优选与蒙皮同种的材料。蒙皮4外部的散热涂层优选OSR片，白漆等。热管2优选铝合金槽道热管。

实施例1

散热要求及散热条件：发热功耗100w，长期发热，热源面积为30mm×400mm，要求温度稳定后，热源温度在-6℃附近。散热面面积资源为不大于1000mm×500mm。散热面外表面可向温度为-269℃的外空间散热，散热面外表面涂层选OSR片，其发射率为0.8，散热面的另一面包多层可看成与环境绝热处理。本专利设计的辐射散热装置如下：实施例1结构见图1，蒙皮1，蒙皮4，蒙皮6，均为厚度为0.08～0.16mm的凯夫拉布材料。面积均为1000mm×500mm。蜂窝结构为铝蜂窝，厚度为10mm，密度50kg/m³。面积为1000mm×500mm。外贴热管采用横截面积为30×10mm，长度为1000mm的热管。传热能力大于200w。外贴热管一端与散热面连接，另一端与热源连接。接触面均涂导热硅脂。其中高导热石墨复合件5是由32层厚度25微米高导热石墨膜通过溶剂型聚丙烯酸酯压敏胶粘在一起的，总厚度0.87mm。蒙皮4外部涂有OSR散热涂层。通过专业的热仿真软件ideas-TMG对本散热面进行仿真，散热面外表面温度场见附图2。

对比例1

散热要求及条件与实施例1相同，满足散热要求时，对比例1的散热设计结构见附图3：采用5A06铝合金板作为散热面，散热面面积同样为1000mm×500mm，散热面背面中部横向安装1根与实施例1中相同类型的均温热管2，长1000m，采用卡箍固定，安装面涂抹导热硅脂。热源与均温热管2的另一端相贴合，贴合处涂抹导热硅脂，热量通过均温热管2沿热管长度方向扩散，然后通过铝合金板向散热面其他位置扩散。通过专业的热仿真软件ideas-TMG对本散热面进行仿真，散热面外表面温度场见附图4。，

对比例2

散热要求与散热条件与实施例1相同，满足散热要求时，对比例2的散热设计如下，结构示意图见图5，采用铝蜂窝+铝蒙皮结构，铝蒙皮1，铝蒙皮4，厚度均为0.3mm的铝合金。面积均为1000mm×500mm。蜂窝结构为铝蜂窝，厚度为10mm，密度50kg/m³。面积为1000mm×500mm。热管均采用与实施例1中相同类项热管，其中8根纵向热管7，长度为500mm，沿散热面长边均布，固定在铝蜂窝板内部，通过树脂与铝蜂窝和铝蒙皮1、4连接。1根横向热管，长1000m，与散热面外部贴合，采用卡箍固定安装，贴合面涂导热硅脂。横向热管与纵向热管形成正交热管网，为散热面热量传递的主干路，热量从主干路最终通过铝蒙皮扩散到散热面的各个位置。热源与热管2的另一端连接，连接面涂导热硅脂。通过专业的热仿真软件ideas-TMG对本散热面进行仿真，散热面外表面温度场见附图6。

不同散热装置对比汇总：

表1各例下散热装置及热源温度场仿真结果对比

表2各案例下散热装置质量对比

由表1可看出不同类型散热装置的散热能力基本一致，热源温度均在-6.5±1℃附近，满足热源温度稳定在-6℃散热要求。

而由表2可知：

1)与对比例1的相比，本发明的实施例1的重量仅为1.94kg，为对比例1的1/4。

2)与对比例2相比，本发明的实施例1的质量仅为对比例2约1/2，而且本发明仅用了1根热管，远少于对比例2的9根。由于热管不但生产成本高，而且可靠性也不为1，故相比对比例2，本发明还有着高可靠性以及成本低的优点。

通过以上对比可知：同等散热能力下，本发明的辐射散热装置的质量远小于传统的辐射散热装置。

Claims (9)

1.一种用于减轻质量的航天器用大面积辐射散热装置，其特征在于：包括蒙皮(1)、热管(2)、蜂窝结构(3)、蒙皮(4)、石墨(5)、蒙皮(6)、胶粘剂(7)、导热填料(8)和散热涂层(9)；

所述蜂窝结构(3)与蒙皮(1)、蒙皮(6)通过胶粘剂(7)粘接在一起，形成高刚度蜂窝板，为辐射散热装置提供力学支撑；石墨(5)上有多个均布的通孔，胶粘剂(7)通过石墨(5)上均布的多个通孔将蒙皮(4)和蒙皮(6)牢固连接起来，形成对石墨(5)的多点固定；热管(2)通过导热填料(8)与蒙皮(4)连接，散热涂层(9)位于蒙皮(4)的外表面；

热量从热源首先传递至热管(2)上，通过热管(2)扩散至与热管连接的石墨(5)上，然后通过石墨(5)将热量由线扩散成面，最终扩散到整个辐射散热器上，辐射散热器通过其表面的散热涂层将热量辐射至热沉。

2.根据权利要求1所述的用于减轻质量的航天器用大面积辐射散热装置，其特征在于：所述热管(2)均匀布置在辐射散热器表面，将辐射散热器划分为若干等分的小区域，不同位置相同长度的每小段热管经石墨到热沉的热阻相当。

3.根据权利要求1所述的用于减轻质量的航天器用大面积辐射散热装置，其特征在于：所述石墨(5)上均布若干通孔，通孔总面积与石墨(5)的总面积之比在5％-10％之间。

4.根据权利要求3所述的用于减轻质量的航天器用大面积辐射散热装置，其特征在于：所述通孔分布为正三角形分布，通孔半径R与通孔高度h之比在3-10之间。

5.根据权利要求1所述的用于减轻质量的航天器用大面积辐射散热装置，其特征在于：所述石墨(5)位采用若干层厚度为几十微米的高导热石墨膜通过第二胶粘剂粘接而成。

6.根据权利要求5所述的用于减轻质量的航天器用大面积辐射散热装置，其特征在于：所述第二胶粘剂每层厚度为2um-4um，具体选择溶剂型聚丙烯酸酯；高导热石墨膜厚度为25um，通过高温碳化石墨化而制成，其导热系数不小于1500W/(m.K)。

7.根据权利要求1-6任一所述的用于减轻质量的航天器用大面积辐射散热装置，其特征在于：胶粘剂(7)为胶粘剂或胶粘剂与蒙皮材料的混合物，胶粘剂选择J-133环氧树脂、聚丙烯酸树脂、聚硅氧烷、酚醛树脂中的一种或几种混合。

8.根据权利要求1-6任一所述的用于减轻质量的航天器用大面积辐射散热装置，其特征在于：所述导热填料(8)选择导热硅脂或导热硅胶或导热绝缘垫。

9.根据权利要求1-6任一所述的用于减轻质量的航天器用大面积辐射散热装置，其特征在于：所述散热涂层(9)选择OSR片或白漆；蜂窝结构(3)选择铝蜂窝结构或纸蜂窝；热管(2)选择铝合金槽道热管。

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