專利名稱：一種冷凝輻射散熱板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于微重力環(huán)境下航天器熱控系統(tǒng)的散熱裝置，具體涉及的是一 種基于毛細(xì)自循環(huán)式的冷凝輻射散熱板。
背景技術(shù)：
可靠高效的熱控系統(tǒng)是保障航天飛行器安全飛行的首要前提之一，隨著航天飛行 器制造技術(shù)的迅捷發(fā)展，其機(jī)載電子、電器設(shè)備的熱可靠性指標(biāo)也越來(lái)越苛刻，這就對(duì)機(jī)載 換熱器件的散熱能力、航天器表面的散熱性能提出了更高的要求。傳統(tǒng)的依靠消耗泵功來(lái) 進(jìn)行熱量傳遞的散熱裝置，由于運(yùn)動(dòng)部件的存在，大大增加了對(duì)航天器熱控系統(tǒng)的難度要 求，迫切需要發(fā)展無(wú)泵驅(qū)動(dòng)便能實(shí)現(xiàn)熱量傳遞的散熱系統(tǒng)。空間微重力環(huán)境中，由于重力的 缺失，汽液分界面導(dǎo)致的表面張力將成為兩相流動(dòng)的主要作用力。為此，本發(fā)明提供了一種自回流冷凝相變輻射散熱器，該散熱器利用流體工質(zhì)在 熱源處吸熱產(chǎn)生蒸發(fā)相變，然后在冷凝輻射面冷凝，釋放出的熱量可直接通過(guò)輻射散發(fā)至 太空。另外，為強(qiáng)化冷凝輻射面內(nèi)表面冷凝相變傳熱，將冷凝輻射面內(nèi)表面進(jìn)行表面改性技 術(shù)處理，以實(shí)現(xiàn)冷凝輻射面內(nèi)表面上形成可持續(xù)的珠狀凝結(jié)；為改善冷凝輻射散熱器的輻 射表面條件，將輻射面設(shè)計(jì)成自仿射分形結(jié)構(gòu)表面，以最大限度的提高輻射散熱面面積，進(jìn) 而達(dá)到在微重力條件下高效、安全、穩(wěn)定地進(jìn)行對(duì)外輻射散熱。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種冷凝輻射散熱板，通過(guò)在散熱板內(nèi)部填充多孔泡沫蜂窩結(jié)構(gòu)吸液 芯實(shí)現(xiàn)毛細(xì)熱驅(qū)動(dòng)，同時(shí)，將面向太空的冷凝輻射面內(nèi)表面進(jìn)行超疏水技術(shù)處理成疏水層， 將面向太空的冷凝輻射面外表面設(shè)計(jì)成具有隨機(jī)自仿射分形結(jié)構(gòu)特征的表面，來(lái)實(shí)現(xiàn)在無(wú) 泵驅(qū)動(dòng)條件下的高效擴(kuò)散飛行器內(nèi)機(jī)載電器設(shè)備產(chǎn)生的熱量，進(jìn)而保證航天飛行器內(nèi)機(jī)載 設(shè)備的高效、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。技術(shù)方案為解決航空航天器在微重力條件下高效散熱要求和熱量傳遞無(wú)泵驅(qū)動(dòng)需求的雙重難 題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種冷凝輻射散熱板，由中空導(dǎo)熱面板、毛細(xì)結(jié)構(gòu)和氣液兩相流體構(gòu)成，所述的毛細(xì)結(jié) 構(gòu)由燒結(jié)芯和吸液芯組成，所述的燒結(jié)芯襯于所述的中空導(dǎo)熱面板的內(nèi)表面四周及其受熱 面的內(nèi)側(cè)表面，所述的吸液芯填充于所述的中空導(dǎo)熱面板的中空部分并與所述的燒結(jié)芯緊 密連接，所述的氣液兩相流體浸于所述的吸液芯和燒結(jié)芯的孔隙結(jié)構(gòu)中，其特征在于所述 的中空導(dǎo)熱面板的輻射面內(nèi)側(cè)表面設(shè)置有疏水層，該疏水層與所述的吸液芯緊密相連，所 述的輻射冷凝面外表面為分形表面，所述的分形表面為自仿射分形結(jié)構(gòu)表面，至少具有2 級(jí)的凹凸結(jié)構(gòu)；所述的吸液芯結(jié)構(gòu)為多孔泡沫蜂窩結(jié)構(gòu)。散熱板內(nèi)蒸汽在冷凝輻射面內(nèi)表面冷凝時(shí)，若采用普通的壁面，一般情況下，在輻 射面內(nèi)表面發(fā)生膜狀冷凝，這樣，壁面總是被一層液膜覆蓋著，凝結(jié)放出的相變熱(潛熱)必須穿過(guò)液膜才能傳到冷卻壁面上去。這樣，液膜層會(huì)成為換熱的主要熱阻。本發(fā)明將中空 導(dǎo)熱面板的冷凝輻射面內(nèi)表面進(jìn)行改性技術(shù)處理，通過(guò)超疏水特性表面的生成來(lái)實(shí)現(xiàn)連續(xù) 持續(xù)的珠狀凝結(jié)，生成都冷凝液通過(guò)毛細(xì)結(jié)構(gòu)及時(shí)抽吸回到受熱面。珠狀冷凝的表面?zhèn)鳠?系數(shù)要比其他條件相同的膜狀凝結(jié)大幾倍甚至大一個(gè)數(shù)量級(jí)，進(jìn)而達(dá)到強(qiáng)化冷凝相變傳熱 的目的。所述的超疏水特性表面的制備可采用兩種方法一是在粗糙表面修飾低表面能的 物質(zhì)；二是在疏水性表面構(gòu)建粗糙結(jié)構(gòu)?？刹捎玫闹苽浼夹g(shù)有氣相沉淀法、納米二氧化硅 摻雜法、溶膠-凝膠法、電化學(xué)法、激光刻蝕法、靜電紡絲法等。在太空環(huán)境接近真空的條件下，散熱板的散熱只能依靠輻射，因此只有增加散熱 板的有效散熱面積才能提高散熱板的散熱效率。本發(fā)明將中空導(dǎo)熱面板的冷凝輻射熱面設(shè) 計(jì)成具有隨機(jī)自仿射分形結(jié)構(gòu)特征的表面，通過(guò)多級(jí)表面的生成，充分利用了輻射散熱板 表面空間，使得在有限空間內(nèi)最大限度布置了散熱表面，進(jìn)而大幅增加了散熱板與宇宙空 間的輻射換熱面積，進(jìn)而提高了散熱板的輻射散熱能力，同時(shí)也減少了散熱器本身的自重。 所述的具有隨機(jī)自仿射分形結(jié)構(gòu)特征表面的生成過(guò)程為(1)分別在水平面的x、_F軸方向?qū)⒌?級(jí)表面進(jìn)行Zs-I Cs為表面的級(jí)數(shù))等分，生成 (Zs-I)2個(gè)單元表面，行列同為奇數(shù)的單元表面為第1級(jí)表面，將所述第1級(jí)表面中每個(gè)單 元表面加工成凹凸體，凹、凸通過(guò)隨機(jī)擲骰子的方法來(lái)決定。(2)第2級(jí)表面將在第1級(jí)表面上不斷重復(fù)上述步驟產(chǎn)生。第η級(jí)表面上產(chǎn)生的凹 凸體深度為第η-1代表面上產(chǎn)生的凹凸體深度的1//ζ (/ζ為ζ方向的比例系數(shù))，這里/； > 1。(3)根據(jù)這種方法不斷生成凹凸體，就會(huì)得到具有不規(guī)則的隨機(jī)自仿射分形結(jié)構(gòu) 特征的表面。將吸液芯設(shè)計(jì)成蜂窩結(jié)構(gòu)應(yīng)用于散熱板內(nèi)，一方面實(shí)現(xiàn)了將板內(nèi)氣流通道與冷凝 液回流通道進(jìn)行了分離，另一方面也擴(kuò)展了氣液兩相流體在受熱面和冷凝輻射面之間的輸 送通道。另外，蜂窩結(jié)構(gòu)在滿足結(jié)構(gòu)應(yīng)力要求和減輕輻射散熱板的自重方面也具有一定的 優(yōu)勢(shì)。將燒結(jié)芯襯于中空導(dǎo)熱面板的內(nèi)表面，不僅大大增加了有效的蒸發(fā)和冷凝換熱面 積，還為冷凝輻射面/受熱面提供了流體流動(dòng)的多向輸運(yùn)通道，可及時(shí)輸送補(bǔ)充多個(gè)局部 高熱流密度點(diǎn)蒸發(fā)相變的所需液體工質(zhì)，進(jìn)而消除了多個(gè)熱源點(diǎn)可能產(chǎn)生的局部熱點(diǎn)。所述中空導(dǎo)熱面板的材料為銅(銅合金)、鋁(鋁合金)、鋼(合金鋼)、銀等多種高導(dǎo) 熱性能金屬。所述的冷凝輻射散熱板內(nèi)氣液兩相流體為水、氨、丙酮、乙醇、甲醇、液態(tài)金屬或制 冷劑等工質(zhì)，該流體工質(zhì)在腔體內(nèi)維持氣液兩相狀態(tài)。所述的冷凝輻射散熱板的熱源為單個(gè)熱源、兩個(gè)熱源或多個(gè)熱源，熱源之間的相 對(duì)位置是可以任意布置的。本發(fā)明提供的冷凝輻射散熱板是利用氣液兩相流體工質(zhì)在熱源處吸熱進(jìn)而在燒 結(jié)芯的孔隙結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生蒸發(fā)相變，蒸發(fā)相變產(chǎn)生的蒸汽迅速通多孔泡沫蜂窩結(jié)構(gòu)的空腔體 擴(kuò)散到冷凝輻射面內(nèi)表面的燒結(jié)芯表面，在具有超疏水特性的冷凝輻射面內(nèi)表面進(jìn)行珠狀 凝結(jié)，釋放出的相變熱通過(guò)通過(guò)熱傳導(dǎo)作用將熱量傳遞至具有隨機(jī)自仿射分形結(jié)構(gòu)特征的 冷凝輻射面外表面并輻射散發(fā)至太空。冷凝產(chǎn)生的液體工質(zhì)可在蜂窩結(jié)構(gòu)吸液芯中產(chǎn)生的 毛細(xì)力的作用下實(shí)現(xiàn)自循環(huán)，無(wú)須泵功消耗。相變換熱吸收或者釋放的潛熱很大，故很小的流體流量即可滿足散熱需求，這些因素對(duì)于減輕空間飛行器的自重及功耗具有重要的意 義，且由于熱量傳遞基于相變過(guò)程，故使散熱板受熱面表面溫度和散熱強(qiáng)度分布均勻，可以 實(shí)現(xiàn)近似等溫?zé)崃總鬏敗Ｓ捎诒景l(fā)明所提供的散熱器是基于毛細(xì)蒸發(fā)相變來(lái)實(shí)現(xiàn)的熱量的 傳遞，使得其導(dǎo)熱率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出傳統(tǒng)的純金屬導(dǎo)熱基板。有益效果本發(fā)明涉及的一種冷凝輻射散熱板，為強(qiáng)化冷凝輻射面內(nèi)表面冷凝相變換熱，將冷凝 輻射面內(nèi)表面進(jìn)行改性技術(shù)處理，來(lái)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的珠狀凝結(jié)；將散熱板面向太空的冷凝輻 射面外表面設(shè)計(jì)成具有隨機(jī)自仿射分形結(jié)構(gòu)特征的表面，充分利用了輻射散熱板表面空 間，使得在有限空間內(nèi)最大限度布置了散熱表面。另外，該型散熱板是基于毛細(xì)蒸發(fā)相變來(lái) 實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞，無(wú)須泵功消耗，其導(dǎo)熱率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出傳統(tǒng)的純金屬導(dǎo)熱基板。以上這些有 利因素使得該型冷凝輻射散熱器具有散熱強(qiáng)度高，無(wú)泵驅(qū)動(dòng)，自重輕，且溫度分布均勻的獨(dú) 特優(yōu)點(diǎn)，能有效地消除多個(gè)局部高熱量密度熱源點(diǎn)可能產(chǎn)生的局部熱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了在無(wú)泵驅(qū) 動(dòng)條件下高效擴(kuò)散飛行器機(jī)載電器設(shè)備產(chǎn)生的熱量，進(jìn)而保證航天飛行器內(nèi)機(jī)載設(shè)備的高 效、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。


圖1冷凝輻射散熱板的立體示意圖。圖2本發(fā)明中多孔泡沫蜂窩結(jié)構(gòu)吸液芯局部示意圖。圖3本發(fā)明中具有隨機(jī)自仿射分形結(jié)構(gòu)特征的冷凝散熱面外表面平面示意圖。圖4本發(fā)明中冷凝散熱面外表面的隨機(jī)凹凸體局部示意圖。圖5本發(fā)明中吸液芯布置示意圖(局部剖面)。圖6本發(fā)明冷凝輻射散熱板的工作原理示意圖。圖中1.中空導(dǎo)熱面板；2.多孔泡沫蜂窩結(jié)構(gòu)吸液芯；3.中空導(dǎo)熱面板的冷凝輻 射面；4.隨機(jī)自仿射凹凸體；5.輻射散熱；6.高熱流密度熱源；7.中空導(dǎo)熱面板的受熱面； 8.燒結(jié)芯；9.蜂窩結(jié)構(gòu)吸液芯的空腔體；10.蒸氣；11.凝結(jié)液；12.冷凝散熱面向太空輻 射；13.疏水層。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖進(jìn)行更進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明圖1給出了冷凝輻射散熱板的立體圖，一種冷凝輻射散熱板，由中空導(dǎo)熱面板1、多孔 泡沫蜂窩結(jié)構(gòu)吸液芯2、燒結(jié)芯8和氣液兩相流體構(gòu)成，燒結(jié)芯8襯于中空導(dǎo)熱面板1的內(nèi) 表面，吸液芯2填充于中空導(dǎo)熱面板1的中空部分并與燒結(jié)芯8緊密連接，氣液兩相流體浸 于吸液芯2和燒結(jié)芯8的孔隙結(jié)構(gòu)中。中空導(dǎo)熱面板的冷凝輻射面3的內(nèi)表面為超疏水表 面疏水層13，外表面為分形表面，分形表面采用自仿射分形結(jié)構(gòu)表面，至少具有兩級(jí)的隨機(jī) 凹凸結(jié)構(gòu)，吸液芯2的結(jié)構(gòu)為多孔泡沫蜂窩結(jié)構(gòu)。圖2給出了多孔泡沫蜂窩結(jié)構(gòu)吸液芯局部示意圖，該圖清晰地表達(dá)本發(fā)明涉及的 冷凝輻射散熱板內(nèi)部結(jié)構(gòu)。多孔泡沫蜂窩結(jié)構(gòu)吸液芯2將板內(nèi)氣流通道與冷凝液回流通道 進(jìn)行了分離，大幅度擴(kuò)展了流體工質(zhì)在導(dǎo)熱面板的冷凝輻射面與受熱面之間的輸送通道。圖3給出了本發(fā)明散熱板的冷凝輻射面外表面的平面布置示意圖，該實(shí)施列中表面級(jí)數(shù)s=3。圖4給出了本發(fā)明中具有隨機(jī)自仿射分形結(jié)構(gòu)特征的冷凝輻射面外表面上隨機(jī) 凹凸體立體圖。通過(guò)多級(jí)凹凸體的生成，充分利用了輻射散熱板表面空間，使得在有限空間 內(nèi)最大限度布置了散熱表面，進(jìn)而大幅增加了散熱板與宇宙空間的輻射換熱面積，大大提 高了散熱板的輻射散熱能力。圖5給出了本發(fā)明冷凝輻射散熱板內(nèi)吸液芯與燒結(jié)芯的布置局部示意圖。圖6給出了本發(fā)明冷凝輻射散熱板的工作原理圖。冷凝輻射散熱板的工作原理為 氣液兩相流體工質(zhì)在高熱流密度熱源6作用下吸收熱源熱量，進(jìn)而在燒結(jié)芯8的孔隙結(jié)構(gòu) 中發(fā)生蒸發(fā)相變，蒸發(fā)相變產(chǎn)生的蒸汽10迅速通過(guò)蜂窩結(jié)構(gòu)吸液芯的空腔體9擴(kuò)散到冷凝 輻射面內(nèi)表面的燒結(jié)芯8表面，在具有超疏水特性的冷凝輻射面3內(nèi)表面進(jìn)行珠狀凝結(jié)，釋 放出的相變熱通過(guò)熱傳導(dǎo)作用將熱量傳遞至具有隨機(jī)自仿射分形結(jié)構(gòu)特征的冷凝輻射面3 外表面并輻射散發(fā)至太空。冷凝產(chǎn)生的液體工質(zhì)11可在毛細(xì)力的作用下實(shí)現(xiàn)自循環(huán)，無(wú)須 泵功消耗。這些有利因素使得該型散熱器具有散熱強(qiáng)度高、無(wú)泵驅(qū)動(dòng)、自重輕、體積小等獨(dú) 特優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了在無(wú)泵驅(qū)動(dòng)條件下的高效擴(kuò)散行器機(jī)載電器設(shè)備產(chǎn)生的熱量，進(jìn)而保證航 天飛行器內(nèi)機(jī)載設(shè)備的高效、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。
權(quán)利要求
1. 一種冷凝輻射散熱板，由中空導(dǎo)熱面板、毛細(xì)結(jié)構(gòu)和氣液兩相流體構(gòu)成，所述的毛細(xì) 結(jié)構(gòu)由燒結(jié)芯和吸液芯組成，所述的燒結(jié)芯襯于所述的中空導(dǎo)熱面板的內(nèi)表面四周及其受 熱面的內(nèi)側(cè)表面，所述的吸液芯填充于所述的中空導(dǎo)熱面板的中空部分并與所述的燒結(jié)芯 緊密連接，所述的氣液兩相流體浸于所述的吸液芯和燒結(jié)芯的孔隙結(jié)構(gòu)中，其特征在于所 述的中空導(dǎo)熱面板的輻射面內(nèi)側(cè)表面設(shè)置有疏水層，該疏水層與所述的吸液芯緊密相連， 所述的輻射冷凝面外表面為分形表面，所述的分形表面為自仿射分形結(jié)構(gòu)表面，至少具有2 級(jí)的凹凸結(jié)構(gòu)；所述的吸液芯結(jié)構(gòu)為多孔泡沫蜂窩結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種冷凝輻射散熱板，由中空導(dǎo)熱面板、毛細(xì)結(jié)構(gòu)和氣液兩相流體構(gòu)成，毛細(xì)結(jié)構(gòu)由燒結(jié)芯和吸液芯組成，燒結(jié)芯襯于所述的中空導(dǎo)熱面板的內(nèi)表面四周及其受熱面的內(nèi)側(cè)表面，吸液芯填充于中空導(dǎo)熱面板的中空部分并與燒結(jié)芯緊密連接，氣液兩相流體浸于所述的吸液芯和燒結(jié)芯的孔隙結(jié)構(gòu)中，中空導(dǎo)熱面板的輻射面內(nèi)側(cè)表面設(shè)置有疏水層，該疏水層與所述的吸液芯緊密相連，輻射冷凝面外表面為分形表面，分形表面為自仿射分形結(jié)構(gòu)表面，至少具有2級(jí)的凹凸結(jié)構(gòu)；所述的吸液芯結(jié)構(gòu)為多孔泡沫蜂窩結(jié)構(gòu)。該散熱板實(shí)現(xiàn)了在無(wú)泵驅(qū)動(dòng)條件下高效擴(kuò)散飛行器機(jī)載電器設(shè)備產(chǎn)生的熱量，進(jìn)而保證空間飛行器內(nèi)機(jī)載設(shè)備的高效、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。
文檔編號(hào)H05K7/20GK102056468SQ20111000527
公開(kāi)日2011年5月11日 申請(qǐng)日期2011年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月12日
發(fā)明者張程賓, 施明恒, 眭佳佳, 陳永平 申請(qǐng)人:東南大學(xué)