CN202869337U - 一种微型槽道热管 - Google Patents

Abstract

一种微型槽道热管，是一种利用工质相变进行传热的高效散热设备，由管壳、吸液芯和蒸汽腔组成。管壳为中空的长方体结构，中空部分为圆柱形蒸汽腔，蒸汽腔的外围环绕着多个吸液芯，每一个吸液芯截面为梯形的槽道结构；液体工质密封在蒸汽腔内，受热时液体工质蒸发为气体并顺着圆形蒸汽腔流动，流动过程中遇冷后工质冷凝为液体，通过吸液芯的毛细作用回流。本实用新型采用热挤压工艺，结构简单轻巧，能够适应安装在空间光学遥感器CCD器件的狭小空间内，与现有的微型槽道热管相比提高了传热能力，足以满足多片CCD拼接的散热要求，从而显著降低成像电路热噪声，提高成像质量，还能够留有足够的设计余量。

Description

一种微型槽道热管

技术领域

本实用新型属于航天热控领域，涉及一种应用于空间光学遥感器的新型微型槽道热管。

背景技术

CCD器件是传输型空间光学遥感器的核心部件，其热控效果对成像质量有显著影响，而解决CCD器件散热的主要途径就是槽道热管。槽道热管技术是航天器热控领域的一项重要技术，具备可靠性高、传热能力强、重量轻等优点。

如图1所示，CCD器件通过管脚与后部电路板连接，热管安装的空间宽度受限于两排CCD管脚间宽度约16mm～20mm，安装的空间的高度受限于CCD器件与焦面电路板间距离仅有5mm～7mm，这就决定了用于CCD散热的槽道热管高度不能超过5mm，称之为微型槽道热管。微型槽道热管不仅型材加工难度大，而且传热能力较常规尺寸槽道热管差距明显。目前现有的微型槽道热管外形尺寸5mm×3.4mm，20℃时最大传热能力为3.2W·m。

随着遥感器性能指标不断提高，焦面电子学集成度越来越高，不同规格和工作模式下的CCD器件，其热耗一般约为3W，考虑焦面电路板向CCD器件漏热带来的寄生热负载，单片CCD器件热耗最大约为5W。目前主流的高分辨率遥感器多采用5片以上CCD拼接的形式，以光学拼接方式为例，两个拼接面互相垂直，分别沿线阵方向拼接2片和3片CCD器件。这种情况下，3片器件的拼接面上热耗最大，热耗总量约为9～15W。如采用现有的微型槽道热管，即有效长度为1m时最大传热量为3.2W。根据实际使用经验，微型槽道热管产品长度一般在800mm左右，根据公式Φ_max＝L_eff’×Φ_max’，其中，Φ_max表示热管有效长度为1m时的毛细极限热流量，单位是W·m；Φ_max’表示热管的毛细力极限热流量，单位是W；L_eff’表示热管的有效长度，单位是m；计算得出5mm×3.4mm微型热管的实际传热能力约为4W，三根并联(CCD背后安装空间允许的上限)也无法满足多片CCD拼接的散热要求。当CCD的自身热耗无法及时排散时，器件温度会迅速升高，不仅导致成像电路热噪声增加，图像质量下降，甚至会影响CCD器件的寿命及可靠性。

实用新型内容

本实用新型的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种微型槽道热管，解决了现有微型槽道热管传热能力不足的问题。

本实用新型的技术解决方案是：一种微型槽道热管，包括管壳、吸液芯和蒸汽腔；所述的管壳为中空的长方体结构，长方体结构的中空部分为圆柱形的蒸汽腔，蒸汽腔的外围环绕着多个吸液芯，每一个吸液芯的截面为梯形槽道结构；液体工质密封在蒸汽腔内，受热时液体工质蒸发为气体并顺着圆形蒸汽腔流动，流动过程中遇冷后工质冷凝为液体，通过吸液芯的毛细作用回流。

所述的中空长方体结构的截面尺寸为5mm×4mm。

所述管壳的材料为1060纯铝。

所述的吸液芯共有8个，每个吸液芯的截面尺寸为：上底0.28mm，下底0.7mm，槽深0.6mm。

所述的蒸汽腔的腔体直径为1.7mm。

本实用新型与现有技术相比的优点在于：本实用新型通过理论计算得出槽道的最优结构，整体结构简单小巧，能够适应安装在空间光学遥感器CCD器件的狭小空间内；工作时3根槽道热管并联后总的传热能力可以达到19.2W，与现有的微型槽道热管相比大大提高了传热能力，足以满足多片CCD拼接的散热要求，从而显著降低成像电路热噪声，提高成像质量，还能够留有足够的设计余量。

附图说明

图1为CCD器件与焦面电路板连接关系示意图；

图2a为本实用新型槽道热管结构图；

图2b为本实用新型槽道热管截面图；

图3为本实用新型槽道不同参数组合下的热管传热能力曲面图；

图4为本实用新型微型槽道热管应用实例。

具体实施方式

如图2所示的一种微型槽道热管，包括管壳1、吸液芯2和蒸汽腔3；所述的管壳1为中空的长方体结构，长方体结构的中空部分为圆柱形的蒸汽腔3，蒸汽腔3的外围环绕着多个吸液芯2，每一个吸液芯2的截面为梯形槽道结构；液体工质密封在蒸汽腔3内，受热时液体工质蒸发为气体并顺着圆形蒸汽腔3流动，流动过程中遇冷后工质冷凝为液体，通过吸液芯2的毛细作用回流。如此周而复始，循环往复，达到热量高效搬运的目的。

为适应CCD器件背后的安装空间，首先限定微型槽道热管截面外形为5mm×4mm矩形。为了兼顾强化传热能力及降低加工难度的需要，型材材质选择1060纯铝，槽道类型选择了内梯形。为使热管达到最优的换热性能，需要对热管结构参数进行优化设计。根据槽道热管传热能力计算公式：

其中，Q_cap表示毛细限极限传热量，单位W；I_eff表示有效长度，单位m；σ表示液体表面张力，单位N·m^-1；θ表示接触角，单位rad；w表示槽宽，单位m；ρ_l表示工作液体密度，单位kg/m³；ρ_v表示工作气体密度，单位kg/m³；g表示重力加速度，单位N/kg；D_v表示蒸汽通道直径，单位m；β表示热管直径方向和重力方向的夹角，单位rad；μ_l表示液体粘度，单位N·s/m²；μ_v表示气体粘度，单位N·s/m²；K表示渗透率，单位m²；A_w表示毛细芯截面积，单位m²；r_v表示蒸汽通道半径，单位m；L表示液体的汽化潜热，单位J/kg；Ψ为无量纲数；

为无量纲数据，根据雷诺数的不同而不同，当雷诺数Re＜2000时，

当雷诺数Re≥2000时，

由于梯形槽道的毛细力相对较大，制作工艺相对简单，故本实用新型采用采用梯形槽道作为吸液芯。针对吸液芯梯形槽上底、下底及槽深等关键参数开展了详细的组合仿真计算，各种组合下得到的传热能力如图3所示。计算结果显示：当内梯形槽道的上底越窄，下底越宽，槽深越深时，传热量越大，但是由于制作时热挤压工艺的限制，再综合考虑热管成型时的直线度、平面度等要求，以及热管成品后的管壳抗压能力要求，最终确定的槽道热管结构如图2a和图2b，具体参数如下表所示：

通过理论分析，该5×4微型槽道热管传热能力达到7W·m，通过实验实测传热量为5.1W·m，对比现有技术的5mm×3.4mm热管的3.2W·m，传热能力有了显著提升，本实用新型按一般长度折算后传热能力为6.4W，3根并联后总的传热能力可以达到19.2W，足以满足多片CCD拼接的散热要求。

如图4所示，实用时将2根，最多可将3根5mm×4mm的微型槽道热管并排排列并粘于发热元件CCD背后，另一端贴于转接铜板上。CCD器件的热耗使微型热管中的液体工质吸热气化，气体经蒸汽腔流至转接铜板放热冷凝为液体，液体通过吸液芯回流至发热源CCD处，如此循环将CCD器件的热耗迅速传递至转接铜板上，而后由普通槽道热管将热量转移到辐冷器上，最终散至冷黑空间，从而实现CCD器件的热控要求，有效地降低成像电路热噪声。

本实用新型说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种微型槽道热管，其特征在于：包括管壳(1)、吸液芯(2)和蒸汽腔(3)；所述的管壳(1)为中空的长方体结构，长方体结构的中空部分为圆柱形的蒸汽腔(3)，蒸汽腔(3)的外围环绕着多个吸液芯(2)，每一个吸液芯(2)的截面为梯形槽道结构；液体工质密封在蒸汽腔(3)内，受热时液体工质蒸发为气体并顺着圆形蒸汽腔(3)流动，流动过程中遇冷后工质冷凝为液体，通过吸液芯(2)的毛细作用回流。

2.根据权利要求1所述的一种微型槽道热管，其特征在于：所述的中空长方体结构的截面尺寸为5mm×4mm。

3.根据权利要求1所述的一种微型槽道热管，其特征在于：所述管壳(1)的材料为1060纯铝。

4.根据权利要求1所述的一种微型槽道热管，其特征在于：所述的吸液芯(2)共有8个，每个吸液芯(2)的截面尺寸为：上底0.28mm，下底0.7mm，槽深0.6mm。

5.根据权利要求4所述的一种微型槽道热管，其特征在于：所述的蒸汽腔(3)的腔体直径为1.7mm。

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