[發(fā)明專利]一種快速響應散熱儲能裝置

有效

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• 申請日: 2011-11-15
• 公開（公告）號: CN102497764A
• 公開（公告）日: 2012-06-13
• 發(fā)明（設計）人: 陳福勝;童鐵峰;毛云杰;翟載騰
• 申請（專利權）人: 上海衛(wèi)星工程研究所
• 主分類號: H05K7/20
• 分類號: H05K7/20
• 代理公司: 中國和平利用軍工技術協(xié)會專利中心 11215
• 代理人: 容敦璋

技術領域

本發(fā)明涉及一種散熱裝置，尤其涉及一種快速響應散熱儲能裝置。屬于航天器熱控制領域。

背景技術

航天器熱控制技術發(fā)展的驅(qū)動力主要來自航天器未來任務發(fā)展的需求。對于航天器熱控制系統(tǒng)而言，推動發(fā)展的關鍵因素包括功率水平、控制的溫度水平、溫度控制精度、儀器熱流密度、熱輸送距離以及熱量排散的有效熱沉等。

隨著空間技術的發(fā)展，一些設備的局部或瞬時的功率可高達數(shù)百瓦/平方厘米，如激光二極管、高功率傳感芯片、高功率定向能武器等。現(xiàn)有的冷卻方法已無法滿足要求，近年來，NASA正在發(fā)展的微通道蒸發(fā)冷卻技術和噴霧冷卻技術有可能解決極高熱流密度的冷卻問題。但這些技術尚處于研究階段，離開實際應用尚有相當距離。

另外，隨著航天器上儀器的溫度控制范圍亦變的愈來愈窄，一般為±1℃，一些空間光學系統(tǒng)為±0.1℃，更精密的已達mK量級。

因此，需要一種具有高效傳熱和高溫控精度的冷卻裝置，已經(jīng)成為制約航天器發(fā)展的瓶頸問題。急需微型高效的傳熱技術為其發(fā)展鋪平道路。而作為一種新型散熱冷卻技術，振蕩熱管因其尺寸小、重量輕和當量傳熱量大等特點在這一領域顯示出了優(yōu)勢。然而，雖然振蕩熱管的導熱系數(shù)很高，但是換熱面積卻有限。這使得振蕩熱管與熱匯間的熱阻仍然比較大。

振蕩熱管是在一封閉的蛇形回路毛細管中，充有一定量的工作介質(zhì)，該介質(zhì)在表面張力及冷熱端溫差的作用下形成氣液塞狀流，并隨機的出現(xiàn)在蛇形回路中，通過相變(蒸發(fā)和冷凝)和氣液振蕩實現(xiàn)熱量傳遞。與普通熱管不同，振蕩熱管內(nèi)部不是單純的相變傳熱，而是集顯熱傳熱、相變傳熱、膨脹功于一體，涉及多物理學科、多參數(shù)的氣液兩相流系統(tǒng)。振蕩熱管體積小，結(jié)構簡單。管徑小決定了整體尺寸小，符合航天器減重的需求。普通熱管受毛細限、沸騰性等的影響，其傳熱熱流密度有限。振蕩熱管可傳遞熱流密度非常高，沒有普通熱管所特有的傳熱限制。Nishio等人的實驗實現(xiàn)了1000W/cm²的熱流密度的傳遞。振蕩熱管適應性好，其形狀可以任意彎曲。這對航天器中復雜形狀器件的熱控制十分有利。

泡沫材料是近十年來新興的一種具有各方面優(yōu)異性能的新材料。根據(jù)孔隙平均直徑和孔隙結(jié)構的不同，泡沫材料具有相當大的比表面積，現(xiàn)有的泡沫材料的比表面積已經(jīng)超過10000m²/m³。而普通六面體的比表面積只有6m²/m³，常用翅片的比表面積也只有30～100m²/m³。大比表面積的泡沫材料應用于散熱器使散熱器的散熱面積提高了幾個數(shù)量級。另外，泡沫材料可以制造成各向異性材料。美國一家公司制作了一種高溫燒結(jié)石墨泡沫，其密度只有固體石墨的10％，平面二維方向的導熱系數(shù)為233W/(m.℃)，厚度方向?qū)嵯禂?shù)為4.5W/(m.℃)。這種各向異性的導熱性能十分有利于做熱管的擴展散熱面。垂直于熱管的平面方向的良好導熱性能使散熱器的有效散熱面積比較大，平行于熱管方向的較差導熱性能有利于熱管在小負荷下的啟動。

相變材料具有很大的潛熱。例如，十六烷的融化潛熱為237KJ/kg。其能夠吸收大功率器件工作時所產(chǎn)生的峰值熱負荷，在儀器不工作時將熱量散掉。然而，相變材料的導熱系數(shù)往往比較小，不能快速有效的吸收大功率器件工作時的峰值負荷，導致大功率器件溫度升高超出儀器的正常工作溫度范圍。

目前，解決周期性工作大發(fā)熱量器件的熱控問題時，往往應用展開式輻射器。這不僅產(chǎn)生了航天器增重的問題，還因為增加了許多存在單點失效問題的驅(qū)動機構，使整星的可靠性降低。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術問題是解決上述散熱器所存在的問題，提供一種體積小、重量輕、制造成本低廉、熱響應快、傳熱性能高、加工方便、運行穩(wěn)定的應用泡沫材料和振蕩熱管的散熱裝置。

提供一種快速響應散熱儲能裝置，其特征在于，其包括相變材料1、泡沫材料2、振蕩熱管3和輻射盒4，振蕩熱管3設置在輻射盒內(nèi)部，為多組封閉的蛇形回路，每組振蕩熱管包括加熱段和冷卻段，所述加熱段底部以焊接的方式連接到輻射盒4的底板內(nèi)側(cè)，泡沫材料2設置在輻射盒內(nèi)部，并通過發(fā)泡方式連接到振蕩熱管3的外壁和輻射盒4的內(nèi)壁上，相變材料1以液體狀態(tài)灌入輻射盒4中，填充在輻射盒4的內(nèi)壁、泡沫材料2和振蕩熱管3之間。

泡沫材料2為金屬泡沫、石墨泡沫或炭泡沫。

泡沫材料)發(fā)泡時的纖維的方向平行于輻射盒4的底板平面。

輻射盒4為四周封閉的金屬腔。