一种用于卫星的一体化柔性储能散热装置的制作方法

1.本发明涉及航空航天设备技术领域，尤其涉及一种用于卫星的一体化柔性储能散热装置。


背景技术：

2.目前，相变材料和导热索是卫星系统常用于解决热控问题的两种技术。
3.相变材料通常布置在热源表面或热源附件表面上，通过自身熔化和凝固的潜热在高负荷时吸收能量，低负荷时释放能量来抑制热源的温变速率和温度极值。但卫星系统的目标重量和可用空间有限，具有瞬时发热量大、发热周期间隔短且持续时间长等特性的热源容易造成相变材料完全熔化。
4.导热索通常由热源和热沉两个固定端以及中间的柔性导热带构成，通过柔性导热带的高导热特性进行热流定向传输。面对发热件大量瞬时发热量，导热索也存在难以快速将热量及时排除的问题。鉴于短时周期性工作的载荷具有大瞬时功耗、高热流密度的热特性，需要高效率、低耗散的热控系统在空间和能源有限的卫星平台上完成热量排散，满足目标热源的温度分布要求。
5.为解决上述问题，专利名称：包括组合热管和相变材料的无源热系统和含该系统的卫星，专利号：201680028052.7公开了一种用于卫星和其他航空航天应用的无源热系统，具体结构为：热管工作流体设置在容器的第一腔中，并且pcm容纳在基本上围绕第一腔的第二腔中。根据典型热管设计，第一腔包含用于热传输的芯。第一腔的外部具有延伸到pcm中用于散热和增大界面面积翅片等，用于散热和增大界面面积。但该装置不利于在有活动组件等需要柔性连接的卫星系统中使用。
6.为解决上述问题，专利名称：一种大功率相变储能换热器，专利号：201810664426.5，其将泵驱动单相流体回路和大功率相变储能技术结合起来使用，再用小规模的外回路将相变材料储存的热量慢慢排散出去，组成内、外回路结构的流体回路系统，可以充分发挥两者的优势，满足超大功率超高热流密度载荷的热排散需求。但该装置属于有源热控系统，不利于在低能源占用率趋势下的热控系统中推广。
7.因此，本领域技术人员提供了一种用于卫星的一体化柔性储能散热装置，以解决上述背景技术中提出的问题。


技术实现要素：

8.本发明提供了一种能解决上述问题，将相变材料和导热索进行耦合集成，利用相变材料将热源瞬时热量进行快速存储，同时利用导热索将吸收的热量及时排出，组成无源一体化的柔性储能传热装置，充分发挥两者的优势特点，解决卫星载荷热量的收集、传输和排散需求的一种用于卫星的一体化柔性储能散热装置。
9.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
10.本发明的一种用于卫星的一体化柔性储能散热装置，该装置包括：
11.相变储能盒，所述相变储能盒内部具有一空腔，所述相变储能盒上远离发热件表面的侧壁上具有热源连接部；
12.柔性轻质导热索，所述柔性轻质导热索包括高导热石墨带，所述高导热石墨带的一端与所述热源连接部连接，另一端与热沉连接部连接；
13.所述相变储能盒内上靠近发热件表面的侧壁内侧具有多个肋片，所述空腔内填充有相变材料。
14.进一步的，所述相变储能盒包括左侧壁、右侧壁、顶壁、底壁和两个端盖，所述左侧壁、右侧壁、顶壁和底壁由3d打印设备一体化成型为中空的长方体，两个所述端盖分别通过激光焊接密封于中空的长方体两端，所述端盖上开设有加注口，所述左侧壁和右侧壁的底部以及热沉连接部的侧壁分别向外凸起形成多个安装角。
15.进一步的，所述热源连接部为插槽，所述插槽的槽口位于右侧壁的顶部、并延伸至顶壁内，所述插槽的厚度不超过所述空腔最大厚度的百分之二十，所述高导热石墨带的一端插入该插槽内，且高导热石墨带与插槽内壁之间设置有第一导热层。
16.进一步的，所述肋片由底壁向顶壁延伸，所述肋片的高度为空腔最大厚度的百分之三十至百分之六十。
17.进一步的，所述热沉连接部的侧壁上开设有凹槽，所述高导热石墨带的另一端插入该凹槽内、且高导热石墨带与凹槽内壁之间设置有第二导热层。
18.进一步的，所述热沉连接部上靠近散热表面的底面和所述底壁的底面均具有热界面，所述热界面的材料为导热脂。
19.优选的，所述高导热石墨带由热解石墨导热薄膜与粘接剂层叠加压制成，并采用聚酰亚胺薄膜封装。
20.优选的，所述空腔内还填充有增强相变材料导热率的颗粒物质，所述相变材料为石蜡，所述颗粒物质为金属粉末或石墨烯粉末。
21.所述第一导热层和第二导热层为导热材料，所述导热材料选自导热粘胶、导热凝胶以及导热膏中的一种或几种。
22.所述第一导热层和第二导热层为金属材料，所述金属材料选自镓铋合金、镓锡合金以及镓铟合金中的一种或几种。
23.在上述技术方案中，本发明提供的一种用于卫星的一体化柔性储能散热装置，具有以下有益效果：
24.1、将相变储能盒与热源连接部进行一体化加工成型，有效降低热量传输中间环节的热阻，合理利用卫星平台的空间资源。同时，通过将相变材料与柔性轻质导热索两种热控技术取长补短的有效结合，一方面利用相变材料将卫星载荷瞬时产热量进行收集，避免目标热源较大的温变速率和温度峰值；另一方面，利用导热索及时地将存储的热量进行传输排散，保证相变材料持续可靠地吸收热源热量，通过多余热量被有效规律地收集和排出，维持目标温度在稳定的范围内。
25.2、相变储能盒的底壁内表面加工有一体化肋片，相变材料内添加有增强传热的颗粒物质，增强了相变储能盒内部的热传递；柔性轻质导热索便于在具有活动组件、不易较大刚度连接、或布局复杂的小型卫星平台中使用，灵活布局热传输路径，满足复杂星体组件的热控要求；本技术无需额外能源供给，是具有高功率密度载荷的微型化、集约化卫星平台热
控方式的较优选择。
附图说明
26.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本发明实施例提供的一种用于卫星的一体化柔性储能散热装置的分解结构示意图；
28.图2为图1的剖视图；
29.图3为本发明实施例提供的一种用于卫星的一体化柔性储能散热装置使用状态参考图。
30.附图标记说明：
31.1、相变储能盒；2、热源连接部；3、柔性轻质导热索；4、热沉连接部；5、安装角；6、热界面；7、卫星；8、活动焦面组件；
32.11、肋片；12、左侧壁；13、右侧壁；14、顶壁；15、底壁；16、端盖；17、加注口；18、空腔；
33.31、高导热石墨带；32、第一导热层；
34.41、凹槽；42、第二导热层；
35.71、卫星散热面；
36.81、ccd探测器。
具体实施方式
37.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
38.参见图1-2所示；
39.本发明实施例所述的一种用于卫星的一体化柔性储能散热装置，该装置包括：
40.相变储能盒1，所述相变储能盒1内部具有一空腔18，所述相变储能盒1上远离发热件表面的侧壁上具有热源连接部2；
41.柔性轻质导热索3，所述柔性轻质导热索3包括高导热石墨带31，所述高导热石墨带31的一端与所述热源连接部2连接，另一端与热沉连接部4连接；高导热石墨带31与热源连接部2和热沉连接部4均采用冷模锻工艺进行一体连接；
42.所述相变储能盒1内上靠近发热件表面的侧壁内侧具有多个肋片11，所述空腔18内填充有相变材料，多个肋片11能使热源热量较好的被相变储能盒1内的相变材料接收，每个肋片11形状为长方体、圆柱体、棱台、圆台、椎体等，优选为肋片11顶部截面积小于底部截面积的椎体，以使肋片11维持较为均匀的温度梯度从而保证相变储能盒1整体的温均性，相邻肋片间距为2-3mm。
43.所述相变储能盒1包括左侧壁12、右侧壁13、顶壁14、底壁15和两个端盖16，所述左侧壁12、右侧壁13、顶壁14和底壁15由3d打印设备一体化成型为中空的长方体，两个所述端盖16分别通过激光焊接密封于中空的长方体两端，所述端盖16上开设有加注口17，两个端
盖16、左侧壁12、右侧壁13、顶壁14、底壁15围成的空间为所述空腔18；所述左侧壁12和右侧壁13的底部以及热沉连接部4的侧壁分别向外凸起形成多个安装角5；安装角5为带孔安装角，便于相变储能盒1与发热件表面、热沉连接部4与散热表面进行螺栓连接。
44.所述热源连接部2为插槽，所述插槽的槽口位于右侧壁13的顶部、并延伸至顶壁14内，插槽通过再右侧壁13上线切割加工，所述顶壁14的外表面具有与其一体化成型的翅片，最大限度增大传热表面，进一步加强相变储能盒1整体的传热效率；所述插槽的厚度不超过所述空腔18最大厚度的百分之二十，所述高导热石墨带31的一端插入该插槽内，且高导热石墨带31与插槽内壁之间设置有第一导热层32，以提高导热率。
45.插槽可根据卫星热控系统可用空间进行合理布局，可选择的开设在左侧壁12、右侧壁13、顶壁14或底壁15上，最优位置为相变储能盒1与目标热源接触面的垂直侧面的顶端中心位置，插槽的厚度为1-3mm。高导热石墨带31伸入插槽的长度小于等于该插槽的深度。
46.所述肋片11由底壁向顶壁延伸，所述肋片11的高度为空腔18最大厚度的百分之三十至百分之六十。
47.所述热沉连接部4的侧壁上开设有凹槽41，所述高导热石墨带31的另一端插入该凹槽41内、且高导热石墨带31与凹槽41内壁之间设置有第二导热层42，以提高导热率。
48.所述热沉连接部4上靠近散热表面的底面和所述底壁的底面均具有热界面6，所述热界面6的材料为导热脂，具体为室温硫化硅树脂rtv或环氧树脂中的一种。所述底壁15的底面与发热件表面、热沉连接部4与散热表面通过热界面进行热耦合连接，以降低界面接触热阻。
49.所述高导热石墨带31由热解石墨导热薄膜与粘接剂层叠加压制成，并采用聚酰亚胺薄膜封装，粘结剂层的原料选用丙烯酸粘合剂。
50.所述空腔18内还填充有增强相变材料导热率的颗粒物质，所述相变材料为是在一定的温度范围内可在固液之间发生相变的物质，优选为石蜡，由于相变材(石蜡)粘度高、导热率低，为了保证吸收的热源热量较好的在其内部传递，在相变材料中添加增强其导热率的颗粒物质，颗粒物质优选金属粉末或石墨烯。相变材料和颗粒物质通过加注口17进行充注，并使用高真空密封胶进行密封。
51.所述第一导热层和第二导热层为导热材料，所述导热材料选自导热粘胶、导热凝胶以及导热膏中的一种或几种。
52.所述第一导热层和第二导热层为金属材料，所述金属材料选自镓铋合金、镓锡合金以及镓铟合金中的一种或几种。
53.参见图3所示；
54.相变储能盒1将来自卫星7内的活动焦面组件8中ccd探测器81的热量传递到卫星散热面71。
55.具体的，相变储能盒1设置在ccd探测器81的一侧(发热件表面)、并通过螺栓连接固定；热沉连接部4设置在卫星散热面71(散热表面)的一侧、并过螺栓连接固定。相变储能盒1的底壁15与ccd探测器12之间以及热沉连接部4的底面与卫星散热面71的接触面之间分别通过热界面6进行热连接。
56.相变储能盒1通过空腔18内的相变材料在一定温度范围内发生固液相变收集活动焦面组件8内ccd探测器81产生的热量，相变材料通常在较高的温度下才会发生相变(根据
热源目标工作温度通常设置在十五至四十摄氏度范围内)，使ccd探测器81温度保持在相变材料的相变温度点附近。相变材料吸收的热量经多个肋片11和颗粒物质的辅助增强作用传递到热源连接部2，再通过高导热石墨带31传输到热沉连接部4，通过卫星散热面71将热量辐射到外太空，确保相变材料不会由于ccd探测器81的瞬时大功率且短周期间隔的持续产热而完全熔化。随着ccd探测器81的暂停工作，相变材料逐渐凝固，为下一个工作周期做准备。
57.本技术可将相变储能盒1与热源连接部2进行一体化加工成型，有效降低热量传输中间环节的热阻，合理利用卫星平台的空间资源。通过将相变材料与柔性轻质导热索3两种热控技术取长补短的有效结合，一方面利用相变材料将卫星载荷瞬时产热量进行收集，避免目标热源较大的温变速率和温度峰值；另一方面，利用导热索及时地将存储的热量进行传输排散，保证相变材料持续可靠地吸收热源热量，通过多余热量被有效规律地收集和排出，维持目标温度在稳定的范围内。
58.相变储能盒1的底壁15内表面加工有一体化肋片11，相变材料内添加有增强传热的颗粒物质，增强了相变储能盒1内部的热传递。柔性轻质导热索3便于在具有活动组件、不易较大刚度连接、或布局复杂的小型卫星平台中使用，灵活布局热传输路径，满足复杂星体组件的热控要求。全组件无需额外能源供给，是具有高功率密度载荷的微型化、集约化卫星平台热控方式的较优选择。
59.以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

技术特征：
1.一种用于卫星的一体化柔性储能散热装置，其特征在于，该装置包括：相变储能盒(1)，所述相变储能盒(1)内部具有一空腔(18)，所述相变储能盒(1)上远离发热件表面的侧壁上具有热源连接部(2)；柔性轻质导热索(3)，所述柔性轻质导热索(3)包括高导热石墨带(31)，所述高导热石墨带(31)的一端与所述热源连接部(2)连接，另一端与热沉连接部(4)连接；所述相变储能盒(1)内上靠近发热件表面的侧壁内侧具有多个肋片(11)，所述空腔(18)内填充有相变材料。2.根据权利要求1所述的一种用于卫星的一体化柔性储能散热装置，其特征在于，所述相变储能盒(1)包括左侧壁(12)、右侧壁(13)、顶壁(14)、底壁(15)和两个端盖(16)，所述左侧壁(12)、右侧壁(13)、顶壁(14)和底壁(15)由3d打印设备一体化成型为中空的长方体，两个所述端盖(16)分别通过激光焊接密封于中空的长方体两端，所述端盖(16)上开设有加注口(17)，所述左侧壁(12)和右侧壁(13)的底部以及热沉连接部(4)的侧壁分别向外凸起形成多个安装角(5)。3.根据权利要求2所述的一种用于卫星的一体化柔性储能散热装置，其特征在于，所述热源连接部(2)为插槽，所述插槽的槽口位于右侧壁(13)的顶部、并延伸至顶壁(14)内，所述插槽的厚度不超过所述空腔(18)最大厚度的百分之二十，所述高导热石墨带(31)的一端插入该插槽内，且高导热石墨带(31)与插槽内壁之间设置有第一导热层(32)。4.根据权利要求2所述的一种用于卫星的一体化柔性储能散热装置，其特征在于，所述肋片(11)由底壁向顶壁延伸，所述肋片(11)的高度为空腔(18)最大厚度的百分之三十至百分之六十。5.根据权利要求3所述的一种用于卫星的一体化柔性储能散热装置，其特征在于，所述热沉连接部(4)的侧壁上开设有凹槽(41)，所述高导热石墨带(31)的另一端插入该凹槽(41)内、且高导热石墨带(31)与凹槽(41)内壁之间设置有第二导热层(42)。6.根据权利要求5所述的一种用于卫星的一体化柔性储能散热装置，其特征在于，所述热沉连接部(4)上靠近散热表面的底面和所述底壁(15)的底面均具有热界面(6)，所述热界面(6)的材料为导热脂。7.根据权利要求5所述的一种用于卫星的一体化柔性储能散热装置，其特征在于，所述高导热石墨带(31)由热解石墨导热薄膜与粘接剂层叠加压制而成，并采用聚酰亚胺薄膜封装。8.根据权利要求1所述的一种用于卫星的一体化柔性储能散热装置，其特征在于，所述空腔(18)内还填充有增强相变材料导热率的颗粒物质，所述相变材料为石蜡，所述颗粒物质为金属粉末或石墨烯粉末。9.根据权利要求5所述的一种用于卫星的一体化柔性储能散热装置，其特征在于，所述第一导热层(32)和第二导热层(42)为导热材料，所述导热材料选自导热粘胶、导热凝胶以及导热膏中的一种或几种。10.根据权利要求5所述的一种用于卫星的一体化柔性储能散热装置，其特征在于，所述第一导热层(32)和第二导热层(42)为金属材料，所述金属材料选自镓铋合金、镓锡合金以及镓铟合金中的一种或几种。

技术总结
本发明公开了一种用于卫星的一体化柔性储能散热装置，该装置包括：相变储能盒，所述相变储能盒内部具有一空腔，所述相变储能盒上远离发热件表面的侧壁上具有热源连接部；柔性轻质导热索，所述柔性轻质导热索包括高导热石墨带，所述高导热石墨带的一端与所述热源连接部连接，另一端与热沉连接部连接；所述相变储能盒内上靠近发热件表面的侧壁内侧具有多个肋片，所述空腔内填充有相变材料。本发明将相变材料和导热索进行耦合集成，利用相变材料将热源瞬时热量进行快速存储，同时利用导热索将吸收的热量及时排出，组成无源一体化的柔性储能传热装置，充分发挥两者的优势特点，解决卫星载荷热量的收集、传输和排散需求。传输和排散需求。传输和排散需求。


技术研发人员：孔林 申明 姜峰 谭陆洋 孙强强
受保护的技术使用者：长光卫星技术有限公司
技术研发日：2021.11.30
技术公布日：2022/3/8