本發(fā)明涉及一種快響應相變溫控裝置，尤其是適用于高功率、短時間工作、結構尺寸嚴格受控的彈載、星載設備的快響應相變溫控裝置。

背景技術：

隨著微波技術的進步，相控陣天線正朝著高集成、大功耗(熱耗達2000w)、小型化的方向發(fā)展,對天線的熱設計提出了更高的要求。相控陣天線具有高功率工作時間有限、工作時發(fā)熱量大、散熱環(huán)境缺失的特點，但受限于結構尺寸、能源攜帶總量等因素，無法提供強迫風冷和液冷、低溫制冷溫控等主動熱控手段，熱沉儲熱是其散熱的最主要方式。衛(wèi)星在軌運行時，因軌道的外熱流變化很大，致使星載設備的熱負荷發(fā)生巨大變化。尤其是對如星載光學成像探測系統(tǒng)等周期性脈沖式工作、熱容較小工作溫度范圍窄、對溫度波動性有很高要求的設備而言，對發(fā)熱設備實現(xiàn)等溫和恒溫控制就顯得尤其重要。

由于相變材料在相變過程中具有等溫或近似等溫、吸收/釋放潛熱量大的優(yōu)點，特別適用于星載儀器設備，相變材料的另一特點是沒有運動部件，原則上可以在壽命周期內進行多次的可逆工作，具有很高的可靠性。

目前符合航空航天領域電子、光學類器件/設備環(huán)境的相變材料為石蠟類，譬如天線后端的溫控插拔模塊、阿波羅月球車通訊中繼單元溫控裝置、“漫游者”火星著陸器電池溫控裝置其相變材料主體均為高碳醇、正十二烷、十六烷、二十烷等石蠟材料。這些傳統(tǒng)的相變溫控裝置在當前的背景及環(huán)境條件下存在以下缺陷和不足：

a)熱響應速率低

傳統(tǒng)相變溫控裝置的pcm為普通石蠟，其導熱系數在0.24w/(m·k)左右，低導熱率使得相變材料在吸收或釋放能量時響應速率低，影響被控器件/設備的熱量傳輸，降低了相變材料的傳熱性能和儲能性能，不能快速的發(fā)生相變以使溫控裝置滿足短時高功率熱沖擊的工作場合。

b)固液相變體積變化大，易泄漏，可靠性低

傳統(tǒng)相變溫控裝置相變材料由固相到液相的變化，其體積發(fā)生較大變化。一方面，固液相變的相變材料封裝困難，使用時長期體積的往復變化會使得相變材料性能降低；另一方面，由體積變化所導致的膨脹力非常巨大，會引起封裝相變材料的金屬儲能腔體變形或破壞，導致相變材料泄露或對其他設備造成擠壓損傷，在使用時存在一定的安全隱患，降低了相變溫控系統(tǒng)使用的可靠性。

c)對安裝平臺空間要求高，需設計專門安裝空間

傳統(tǒng)相變溫控裝置相變材料的低熱導率限制其只能布置在發(fā)熱器件/設備的周邊，以彌補其低導熱率帶來的低響應速率，這對以前結構空間尺寸有余量的平臺而言是可行的。而對當下結構空間非常緊湊、形狀又不規(guī)則的彈載、星載平臺而言，需控溫器件/設備的發(fā)熱量越來越大，需要的相變材料填充量也越來越多，此時傳統(tǒng)相變溫控裝置已無用武之地。

d)通用性差，模塊率低

傳統(tǒng)相變溫控裝置由于其相變材料自身熱擴展率低，所以溫控裝置在設計時必須照顧熱源的外形及位置，通常將相變材料用金屬儲能腔體封裝后緊貼在發(fā)熱組件邊上或是用相變材料將發(fā)熱組件包裹后再整體封裝，這些設計使得溫控裝置結構千差萬別，無法形成系列化的產品，通用性差，模塊率低，組件維護替換的成本巨大。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對當前彈載、星載平臺日益增長的熱設計難題，結合傳統(tǒng)相變溫控裝置的不足之處與相變材料的技術發(fā)展，提供一種熱響應速率快、無泄露、可靠性高、適用于狹小空間與復雜平臺安裝環(huán)境、通用性強、能夠滿足當前彈載與星載器件/設備的溫控要求，適合模塊化設計生產的快響應相變溫控裝置。

本發(fā)明實現(xiàn)上述目的快響應相變溫控裝置包括：一種快響應相變溫控裝置包括：一端通過金屬儲能腔體2，另一端與被控溫器件/設備5集成的脈動熱管php1，其特征在于：脈動熱管php1為u型循環(huán)管，u型循環(huán)管通過填充有石墨基石蠟復合材料作為相變材料的高導熱相變材料4和肋片網格結構3，將熱端發(fā)出的熱量通過中空金屬環(huán)路管體內充的液態(tài)介質發(fā)生相變，被金屬儲能腔體2內設高導熱相變材料4吸收，經的肋片網格結構3提高熱響應速率后，將吸熱量后的熱量反饋至脈動熱管php1冷端；當被控溫器件/設備5處于低溫環(huán)境時，高導熱相變材料4通過肋片網格結構3將被控溫器件/設備工作時所吸收的熱量放出，再經脈動熱管php1，循環(huán)傳遞至被控溫器件/設備5，對其被控溫器件/設備5保溫，減小溫度波動。

本發(fā)明相比傳統(tǒng)溫控裝置具有如下有益效果。

a)熱響應速率快

本發(fā)明采用一端通過金屬儲能腔體2，另一端與被控溫器件/設備5集成的脈動熱管php1，將特殊工藝制成的導熱系數可達10w/(m·k)～50w/(m·k)的石墨基石蠟復合材料作為相變材料，相比傳統(tǒng)裝置的純石蠟或利用金屬泡沫等進行導熱增強的傳統(tǒng)相變材料，在大幅度提高其導熱系數的同時，相變焓變亦可高達175j/g；其中，在金屬儲能腔體內設肋片網格結構，相比于現(xiàn)有技術直接將一整塊相變材料封裝在金屬儲能腔體內，肋片網格結構增大了相變材料與金屬的傳熱面積，顯著提高了熱量進入或流出相變材料的速率和熱管與金屬的高導熱響應速率。金屬儲能腔體內的肋片間距是根據溫度梯度規(guī)律進行優(yōu)化設計的，相比于等間距的肋片，利用溫度梯度規(guī)律進行優(yōu)化設計的肋片結構能使得金屬儲能腔體內各處相變材料溫度更加均勻，在相變材料相變過程中能更好的為被控溫器件/設備提供一個穩(wěn)定的溫度平臺。所以本發(fā)明不僅可以快速讓發(fā)熱器件/設備達到溫控效果，還能提供一個穩(wěn)定的溫度平臺，提升了器件/設備的安全余量。

b)無泄露，可靠性高

本發(fā)明采用u型循環(huán)管通過填充有石墨基石蠟復合材料作為相變材料的高導熱相變材料4和肋片網格結構3，將熱端發(fā)出的熱量通過中空金屬環(huán)路管體內充的液態(tài)介質發(fā)生相變，被金屬儲能腔體2內設高導熱相變材料4吸收，經的肋片網格結構3提高熱響應速率后，將吸熱量后的熱量反饋至脈動熱管php1冷端；相變材料為定形材料在發(fā)生相變后在宏觀上仍保持固態(tài)時的形狀，無過冷現(xiàn)象與相分離現(xiàn)象，且經過多次儲熱放熱也能保持初始的結構形狀與儲熱密度，其膨脹系數小，相變體積變化小。因此相對于傳統(tǒng)的相變材料，既不會因為相變產生液體，也不會因相變前后體積變化大會導致封裝金屬腔體變形，避免了傳統(tǒng)相變溫控裝置的泄露問題，還能在多次重復加熱/冷卻循環(huán)后保持自身的物理穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，可靠性高。

c)布置靈活，空間利用率高

本發(fā)明將高導熱相變材料4通過肋片網格結構3將被控溫器件/設備工作時所吸收的熱量放出，再經脈動熱管php1，循環(huán)傳遞至被控溫器件/設備5，對其被控溫器件/設備5保溫，防止低溫凍傷器件/設備。將被控器件/設備與金屬儲能腔體分離設計，并利用傳熱效率高、傳熱距離遠、受重力影響小的脈動熱管作為器件/設備與相變材料間的熱量傳遞媒介，突破了彈載、星載平臺結構空間緊湊、形狀不規(guī)則的限制。因為一方面脈動熱管可以根據安裝平臺的結構空間進行彎折布置，其長度也能根據被控溫器件/設備與金屬儲能腔體的距離進行設計；另一方面對被控器件/設備與金屬儲能腔體采用分離設計后，金屬儲能腔體理論上便可以布置于彈載、星載平臺上的任何剩余空間處，這對增加相變材料的填充量，使電子器件/設備能以大功率高性能狀態(tài)工作，提升其整體性能大有裨益。

d)便于模塊化及系列化

本發(fā)明對同樣的平臺而言，金屬儲能腔體的外形可制成與其他電子設備模塊一致的標準模塊，譬如機箱的插拔模塊，另外由于本發(fā)明并不與電子設備模塊進行一體化結構設計，因此在維護和更換時電子設備模塊與溫控裝置可以分開進行維護與更換，相比傳統(tǒng)組件在維護時將兩者一齊替換掉的方式，大大地降低了維護成本。對平臺的后續(xù)發(fā)展型號而言，本發(fā)明的金屬儲能腔體體積可根據其所需要的相變材料填充量進行設計，脈動熱管的直徑與長度也能相應進行設計，然而制作工藝并無明顯變化，因此本發(fā)明還可以根據平臺型號的發(fā)展制成系列化產品。既能在需溫控器件或設備發(fā)熱時對其溫控，也能在其不工作，環(huán)境溫度較低時對其保溫。

附圖說明

圖1是本發(fā)明快響應相變溫控裝置pcm吸熱模式原理圖。

圖2是本圖1的結構示意圖。

圖3是本發(fā)明快響應相變溫控裝置實施例示意圖。

圖中：1脈動熱管，2金屬儲能腔體，3肋片網格結構，4高導熱相變材料，5被控溫器件/設備，6熱源加熱板。

具體實施方式

參閱圖1、圖2。在以下描述的實施例中，快響應相變溫控裝置包括：通過內部液體工質相變進行傳熱的脈動熱管php1，填充高導熱相變材料4的金屬儲能腔體2，用于提高熱響應速率的肋片網格結構3，用于儲存熱量的高導熱相變材料4。

當被控溫器件/設備5工作時，其發(fā)出的熱量傳遞至脈動熱管php1熱端，通過中空金屬環(huán)路管體內充的液態(tài)介質發(fā)生相變，將熱量帶至脈動熱管php1冷端，并傳遞至肋片網格結構3，被金屬儲能腔體2內設高導熱相變材料4吸收，防止被控溫器件/設備超溫；當被控溫器件/設備不工作且處于低溫環(huán)境時，高導熱相變材料將被控溫器件/設備工作時所吸收的熱量放出，再經脈動熱管php傳遞至被控溫器件/設備，對其保溫，防止低溫凍傷器件/設備。

被控溫器件/設備5與金屬儲能腔體2采用分離設計，兩者通過脈動熱管1聯(lián)結。

脈動熱管php1為封閉式回路結構，其中一端埋設在金屬儲能腔體2內部，埋設的方式為將熱管直管部分焊接安裝在金屬儲能腔體2設計預留的通孔內，彎曲部分裸露，另一端用于與被控溫器件/設備5集成。

金屬儲能腔體內的肋片間距是根據溫度梯度規(guī)律進行優(yōu)化設計的。肋片網格結構3間距沿著遠離被控溫器件/設備5的方向逐漸減小，高導相變材料(4)均勻緊實地填充于金屬儲能腔體2中。

金屬儲能腔體2封裝的高導熱相變材料4為導熱系數在10w/(m·k以上的石墨基石蠟復合材料，該相變材料為粉末狀，在相變過程中無宏觀對流產生，相變前后體積變化小。

金屬儲能腔體2四周包覆隔熱材料與環(huán)境隔熱。金屬儲能腔體2為焊接密封，不會產生鼓包與泄漏等情況。

參閱圖3。本圖是一種典型的實施例，應用了圖1快響應相變溫控裝置的原理與圖2的結構。本實施例處于一密閉封閉罩環(huán)境，由2套快響應相變溫控裝置對熱源加熱板6進行溫控，熱源加熱板6加熱功率由直流穩(wěn)壓電源提供，模擬電子設備的發(fā)熱。本實施例采用的定形相變材料為相變溫度為85℃的石墨基石蠟復合相變材料。溫控裝置的脈動熱管一端交叉并列布置在熱源底面，可以有效的保證熱源表面溫度的一致性。如果熱源較大，還可以在此基礎上進行擴展，配備更大的或多套快響應相變溫控裝置，形成一套穩(wěn)定可靠的高熱流密度電子設備。