CN112050672A - 一种用于空间相机的高性能相变储能装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于空间相机的高性能相变储能装置，包括热管壳体、柔性导热带和相变工质，热管壳体通过若干弹性组件与焦平面组件基板连接，热管壳体紧贴焦平面组件的热源侧面布置，在热管壳体的两端各设置一密封端盖，在热管壳体与基板的接触面和与热源的接触面之间均涂覆一层导热界面材料，在热管壳体的上表面和热源的上表面铺设柔性导热带，在热管壳体内均匀排布有若干换热翅片，在热管壳体内充有相变工质。本发明利用相变材料在相变过程中吸收(释放)大量潜热，迅速吸收焦平面组件在工作中产生的热量，不工作时释放热量，维持焦平面温度，减小焦平面温度波动，通过弹性连接安装于焦平面组件内部，有效降低相变储能装置与焦平面的机械耦合。

Description

一种用于空间相机的高性能相变储能装置

技术领域

本发明属于航空航天领域，尤其是涉及一种用于空间相机的高性能相变储能装置。

背景技术

随着科学技术的发展，航天遥感相机得到了极大的发展，同时对图像的清晰度有了更高的要求，焦面组件为遥感相机的关键部件。为了获得高质量图像，热控总体需要保证焦面组件温度稳定性。焦面组件瞬时功耗大，通过辐射换热方式换热速度慢、换热效率低、温差大不能满足焦面组件温度要求。

焦平面组件整体要求质量轻，体积小，且焦面组件不能与其他部组件有刚性连接，刚性连接会对焦面组件产生作用力，导致焦面组件变形，影响成像质量。焦平面的热解决方案要求质量，体积都要足够小，但热容要尽量大，且与其他组件有结构上的联系尽量少。

现有的相变热管结构在金属壳体上设有相互隔离的氨工质腔体和相变材料腔体，相变材料用于储存热量，氨工质用于提高导热效率。为了保证现有热管的密封性，在热管的两端分别设置有一定长度的封头和堵头。由于氨工质及封头、堵头的存在，会使相变热管体积变大，储热能力降低。由于体积大，现有的相变热管都是安装在焦平面组件的外部，不能与热源直接接触。这样一来，相变材料不能得到有效利用，故不能对焦平面组件进行有效的热控制，且相变热管与焦平面组件刚性连接易使焦平面产生变形。因此有必要设计一种用于空间相机的高性能相变储能装置。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种用于空间相机的高性能相变储能装置，利用相变材料在相变过程中吸收(释放)大量潜热，可迅速吸收焦平面组件在工作过程中产生的热量，降低温升，同时在焦平面组件不工作时，释放热量，维持焦平面温度，从而达到减小焦平面温度波动的目的。相变储能装置通过弹性连接安装于焦平面组件内部，这种弹性连接可有效降低相变储能装置与焦平面的机械耦合，且不影响热传导效果。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种用于空间相机的高性能相变储能装置，包括热管壳体、密封端盖、柔性导热带、热界面材料、弹性组件和相变工质，所述的热管壳体四周通过若干弹性组件与焦平面组件的基板连接，所述的热管壳体紧贴焦平面组件的热源侧面布置，在热管壳体的两端各设置一密封端盖，在热管壳体与基板的接触面和与热源的接触面之间均涂覆一层导热界面材料，在热管壳体的上表面和热源的上表面上铺设若干并排设置的柔性导热带，在热管壳体内均匀排布有若干换热翅片，在热管壳体内充有相变工质，所述相变工质为液体工质。

进一步的，在热管壳体为矩形壳体，在热管壳体的四周设有安装座，每一所述弹性组件各通过一安装座与基板连接。

进一步的，所述弹性组件包括弹簧、金属套和螺钉，所述弹簧套设在金属套的外部，螺钉穿过金属套及安装座与基板上相对应的螺纹孔连接。

进一步的，所述热管壳体壁厚为1-1.5mm，所述换热翅片的厚度为0.4-0.6mm，且相邻两换热翅片之间的间距为2-3mm。

进一步的，在所述热管壳体内还设有提高刚度的若干支撑肋片，且支撑肋片厚度为0.8-1mm，相邻两支撑肋片之间的间距为10mm。

进一步的，在密封端盖上设有加注相变工质的加注孔。

进一步的，所述密封端盖与热管壳体之间焊接连接，且密封端盖四周焊缝内外涂敷密封胶，加注孔处通过螺纹密封。

进一步的，所述柔性导热带由热解石墨薄膜制成。

进一步的，所述柔性导热带采用25um聚酰亚胺薄膜封装，通过硅橡胶固定。

进一步的，所述相变工质为正十六烷，导热界面材料为玻璃纤维基材硅胶垫，厚度0.25-0.5mm。

相对于现有技术，本发明所述的一种用于空间相机的高性能相变储能装置具有以下优势：

本发明所述的一种用于空间相机的高性能相变储能装置，与传统储能装置相比，具有热容大、密封方式简单可靠、体积小、质量轻的优点，且安装方便，从热源到相变储能装置利用柔性导热带、界面材料来提高传热效率，从热管壳体到相变材料利用结构翅片来提高传热效率，使所述相变储能装置具有响应时间短的特点，适用于瞬态大功耗焦面组件，从而将焦面组件产生的热量通过加强导热的方式储存到相变材料之中，通过相变材料的液化来吸收大量热量，使焦面组件温度波动被控制在要求范围内。同时，为了削弱相变储能装置与焦平面组件的机械耦合关系，相变储能装置与焦平面采用弹性连接，以此减小由储能装置与焦平面热胀系数不匹配所引起的安装面变形。

本发明采用柔性导热带，界面材料和结构翅片提高热量传递效率，比普通相变储能装置吸收热量更迅速，相变过程更彻底。与相同质量相变热管相比，本发明的高性能相变储能装置的等效热容比传统储能装置高出2倍。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的一种用于空间相机的高性能相变储能装置的立体结构示意图；

图2为本发明实施例所述的一种用于空间相机的高性能相变储能装置的剖视图；

图3为弹性组件的结构示意图。

附图标记说明：

1-柔性导热带，2-热管壳体，3-导热界面材料，4-密封端盖，5-基板，6-热源，7-相变工质，8-螺钉，9-金属套，10-弹簧，11-换热翅片，12-支撑肋片，13-安装座，14-加注孔。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-图3所示，一种用于空间相机的高性能相变储能装置，包括热管壳体2、密封端盖4、柔性导热带1、导热界面材料3、弹性组件和相变工质7，所述的热管壳体2四周通过若干弹性组件与焦平面组件的基板5连接，所述的热管壳体2紧贴焦平面组件的热源6侧面布置，焦平面组件的热源为焦平面组件的中的传感器，在热管壳体2的两端各设置一密封端盖4，在热管壳体2与基板5的接触面和与热源6的接触面之间均涂覆一层导热界面材料3，在热管壳体2的上表面和热源6的上表面上铺设若干并排设置的柔性导热带1，在热管壳体2内均匀排布有若干换热翅片11，在热管壳体2内充有相变工质7，所述相变工质7为液体工质。

在热管壳体2为矩形壳体，在热管壳体2的四周设有安装座13，每一所述弹性组件各通过一安装座13与基板5连接。

弹性组件包括弹簧10、金属套9和螺钉8，所述弹簧10套设在金属套9的外部，螺钉8穿过金属套9及安装座13与基板5上相对应的螺纹孔连接，弹簧10的一端抵在金属套9头部法兰处，另一端抵在安装座13上。

热管外壳2通过机加工的方式成型，热管外壳2中的换热翅片11和支撑肋片12利用线切割成型，热管壳体2壁厚为1-1.5mm，所述换热翅片11的厚度为0.4-0.6mm，起到提高热管导热性能的作用，相邻两换热翅片11之间的间距为2-3mm。在所述热管壳体2内还设有提高刚度的若干支撑肋片12，且支撑肋片厚度为0.8-1mm，相邻两支撑肋片12之间的间距为10mm，如此布置，换热效果更好且热管不易变形。

所述热管壳体2的尺寸和相变工质7的种类由焦平面组件功率、质量约束、体积约束共同决定。所述热管壳体2在加注相变工质前后都需要用密封胶进行处理。所述热界面材料3尺寸及厚度由热管壳体2的安装面尺寸和热管壳体2的高度决定。所述柔性导热带1的尺寸、厚度由热源(传感器)与相变储能装置尺寸、传热量大小共同决定。

密封端盖4通过激光焊接或者电子束焊接的方式与热管壳体2相连，并做打压试验，保证密封性。密封端盖4上开有加注孔14，用于热管壳体2内部密封胶的灌注和相变工质7的加注。密封端盖4四周焊缝处通过密封胶密封，将密封胶通过密封端盖4上加注孔14灌注在热管壳体内部焊缝处，对焊缝进行密封加固作用。待密封胶固化后，进行相变工质7的加注，相变工质7为正十六烷，充液量在75％-85％之间。加注相变工质7后，密封端盖4的加注孔14用螺纹密封，并在密封端盖4外侧也涂敷一层密封胶，胶的厚度在1-2mm。

待胶固化后，将热管壳体2安装在焦平面组件的基板5上，利用螺钉8固定金属套9，金属套9通过下方的弹簧10施加一定的力固定热管壳体2，但仍使热管壳体2在6个自由度上有微小的移动空间，相变储能装置与焦平面组件的基板5采用弹性连接，削弱相变储能装置与焦平面组件的机械耦合关系，减小由储能装置与焦平面组件热胀系数不匹配所引起的安装面变形，且不影响热传导效果。热管壳体2在基板5上的安装要保证热管壳体与热源及焦平面基板都有良好的接触。

将热管壳体2与焦平面组件的所有接触位置均铺设减小界面热阻的导热界面材料3。导热界面材料3为玻璃纤维基材硅胶垫，厚度0.25-0.5mm。并将热源与热管壳体2顶部用柔性导热带1连接，提高热量的导出效率。柔性导热带1由热解石墨薄膜制成。柔性导热带采用25um聚酰亚胺薄膜封装，通过硅橡胶固定。

经过试验，采用了一个总重量100g的相变储能装置，将热源6工作十分钟的温升从23℃降低至5℃以内，有效吸收焦平面组件在工作过程中产生的热量，降低了温升。该相变储能装置的等效热容约为同质量铝的热容的130倍。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于空间相机的高性能相变储能装置，其特征在于：包括热管壳体(2)、密封端盖(4)、柔性导热带(1)、导热界面材料(3)、弹性组件和相变工质(7)，所述的热管壳体(2)四周通过若干弹性组件与焦平面组件的基板(5)连接，所述的热管壳体(2)紧贴焦平面组件的热源(6)侧面布置，在热管壳体(2)的两端各设置一密封端盖(4)，在热管壳体(2)与基板(5)的接触面和与热源(6)的接触面之间均涂覆一层导热界面材料(3)，在热管壳体(2)的上表面和热源(6)的上表面上铺设若干并排设置的柔性导热带(1)，在热管壳体(2)内均匀排布有若干换热翅片(11)，在热管壳体(2)内充有相变工质(7)，所述相变工质(7)为液体工质。

2.根据权利要求1所述的一种用于空间相机的高性能相变储能装置，其特征在于：在热管壳体(2)为矩形壳体，在热管壳体(2)的四周设有安装座(13)，每一所述弹性组件各通过一安装座(13)与基板(5)连接。

3.根据权利要求2所述的一种用于空间相机的高性能相变储能装置，其特征在于：所述弹性组件包括弹簧(10)、金属套(9)和螺钉(8)，所述弹簧(10)套设在金属套(9)的外部，螺钉(8)穿过金属套(9)及安装座(13)与基板(5)上相对应的螺纹孔连接。

4.根据权利要求1所述的一种用于空间相机的高性能相变储能装置，其特征在于：所述热管壳体(2)壁厚为1-1.5mm，所述换热翅片(11)的厚度为0.4-0.6mm，且相邻两换热翅片(11)之间的间距为2-3mm。

5.根据权利要求1所述的一种用于空间相机的高性能相变储能装置，其特征在于：在所述热管壳体(2)内还设有提高刚度的若干支撑肋片(12)，且支撑肋片厚度为0.8-1mm，相邻两支撑肋片(12)之间的间距为10mm。

6.根据权利要求1所述的一种用于空间相机的高性能相变储能装置，其特征在于：在密封端盖(4)上设有加注相变工质的加注孔(14)。

7.根据权利要求6所述的一种用于空间相机的高性能相变储能装置，其特征在于：所述密封端盖(4)与热管壳体(2)之间焊接连接，且密封端盖(4)四周焊缝内外涂敷密封胶，加注孔(14)处通过螺纹密封。

8.根据权利要求1所述的一种用于空间相机的高性能相变储能装置，其特征在于：所述柔性导热带(1)由热解石墨薄膜制成。

9.根据权利要求8所述的一种用于空间相机的高性能相变储能装置，其特征在于：所述柔性导热带(1)采用25um聚酰亚胺薄膜封装，通过硅橡胶固定。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的一种用于空间相机的高性能相变储能装置，其特征在于：所述相变工质(7)为正十六烷，导热界面材料(3)为玻璃纤维基材硅胶垫，厚度0.25-0.5mm。

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