基于空间点阵式泡沫金属的航天热控系统强化冷凝装置

1.本发明涉及航天热控系统装置技术领域，尤其涉及一种基于空间点阵式泡沫金属的航天热控系统强化冷凝装置。


背景技术：

2.可靠高效的热控系统是保障载人安全运行的首要前提之一，随着航天飞行器制造技术的迅捷发展，其机载电子、电气设备的热可靠性指标也越来越苛刻，这就对机载换热器件的换热能力以及温度均匀性提出了更高的要求。而自然对流、强迫对流、热管散热等传统的电子散热解决方案已不能满足需求。传统风冷式冷凝装置的冷凝压力高，耗电量大，换热效果不理想，难以满足高热流密度散热要求。而水冷方式的冷凝温度低，运行经济节能；并且目前大部分冷凝装置采用翅片管优化设计。
3.因此，在航天热控系统中，迫切需要研发结构优化的新型强化换热设备以实现高效冷却散热。其中近年来，具有诸多优良特性的泡沫金属在强化换热方面的优势得到了越来越多研究人员的关注。通孔泡沫金属中的孔洞相互贯通，增加了换热面积，使其成为良好的热交换介质及强化换热骨架填充结构，进而提高换热性能。但通孔泡沫金属的特殊结构在增强换热系数的同时也造成了阻力的增加，因此如何协同其流动换热特性和阻力特性就成为了研究的难点。
4.研究表明压降阻力与泡沫金属的孔径、孔密度和孔隙率有很大的关系，在相同孔隙率条件下，泡沫金属通道的换热系数和压降阻力随孔密度的增大而增大。因此增加孔密度可以提高整体的换热性能，虽然可能会引起一定的压力损失，但可以采用合适的填充方法，在优化烧结性能的同时有效减小流动阻力，进而提高总体的换热性能。


技术实现要素：

5.本发明目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种基于空间点阵式泡沫金属的航天热控系统强化冷凝装置，采用水冷方式，管外充分利用高孔密度的泡沫金属，采用空间点阵式棱锥型泡沫金属强化换热骨架的填充结构，减小流动阻力，显著强化传热，在有限的空间中实现高效散热。
6.为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
7.基于空间点阵式泡沫金属的航天热控系统强化冷凝装置，包括壳体、冷凝换热管，所述冷凝换热管螺旋穿设在所述壳体中，其特征在于：还包括通孔泡沫金属，所述通孔泡沫金属填充在壳体内部冷凝换热管的外壁上，所述壳体上设置有制冷剂入口和制冷剂出口，壳体内通有制冷剂，所述冷凝换热管的两端设置有水入口和水出口，冷凝换热管内通有水。
8.进一步的，所述通孔泡沫金属采用空间点阵式体心正交棱锥型骨架的填充结构，孔隙率为0.7～0.9，孔密度为20ppi。
9.进一步的，所述通孔泡沫金属为泡沫铜或泡沫镍，通过熔体凝固法、固态烧结法或电沉积法制备而成。
10.进一步的，所述冷凝换热管为铜管，内壁上设置有内螺纹，所述壳体采用镀锌板。
11.进一步的，所述冷凝换热管通过螺栓盘设固定安装在所述壳体内，所述通孔泡沫金属与冷凝换热管外表面通过焊接固定连接。
12.进一步的，所述制冷剂入口和制冷剂出口分别设置在所述壳体的上端和下端，所述水入口和水出口分别设置在冷凝换热管的下端和上端。
13.与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、装置采用水冷方式代替传统风冷方式，冷凝换热管外通过采用泡沫金属代替翅片管的方式进行换热，在增加换热面积、减震、减轻噪音的同时，高孔密度的设计和空间点阵式棱锥型泡沫金属强化换热骨架的填充结构，减小流动阻力，提高总体的换热性能，并且结构紧凑，能够在有限的空间中实现高效散热。2、填充的通孔泡沫金属材料具有高孔密度、高比强度及高比刚度、比表面积大、耐腐蚀耐高温、降噪性能好的优点。3、泡沫铜的导电性和延展性好，且制备成本低；泡沫镍的耐腐蚀性能好。4、壳体为镀锌板壳体，壳体经除油、除锈、喷漆、烘烤处理，防腐性能优良。5、冷凝换热管内壁上设有内螺纹，增加了管内的换热面积，加强了紊流扰动并且加快了冷凝排液。6、冷凝换热管内供水自下而上流通，冷凝换热管外制冷剂自上而下流通，通过逆流换热的方式达到最佳传热效果。
附图说明
14.图1为本发明立体结构示意图；
15.图2是本发明的仰视图；
16.图3是本发明的通孔泡沫金属填充结构的剖面示意图；
17.图4是本发明的通孔泡沫金属局部放大结构示意图。
18.其中：1-壳体，2-冷凝换热管，3-通孔泡沫金属，11-制冷剂入口，12-制冷剂出口，21-水入口，22-水出口。
具体实施方式
19.为了加深本发明的理解，下面我们将结合附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
20.图1-4示出了一种基于空间点阵式泡沫金属的航天热控系统强化冷凝装置的具体实施例，包括壳体1、冷凝换热管2、通孔泡沫金属3，冷凝换热管2螺旋穿设在壳体1中，通孔泡沫金属3填充在壳体1内部冷凝换热管2的外壁上，壳体1的上端和下端分别设置有制冷剂入口11和制冷剂出口12，壳体1内通有制冷剂，冷凝换热管2的下端和上端设置有水入口21和水出口22，冷凝换热管2内通有水。
21.优选地，通孔泡沫金属3采用空间点阵式体心正交棱锥型骨架的填充结构，孔隙率为0.7～0.9，孔密度为20ppi。通孔泡沫金属3为泡沫铜或泡沫镍，通过熔体凝固法、固态烧结法或电沉积法制备而成。冷凝换热管2为铜管，内壁上设置有内螺纹，壳体1采用镀锌板。冷凝换热管2通过螺栓盘设固定安装在壳体1内，通孔泡沫金属3与冷凝换热管2外表面通过焊接固定连接。
22.镀锌板制成的壳体1经除油、除锈、喷漆、烘烤处理，防腐性能优良。该装置充分利用泡沫金属的优良特性(高孔密度、高比强度及高比刚度、比表面积大、耐腐蚀耐高温、降
噪)，冷凝换热管2外壁采用高孔密度的通孔泡沫金属填充，通孔泡沫金属3为泡沫铜或泡沫镍等，其孔隙率为0.7～0.9，孔密度为20ppi，采用空间点阵式棱锥型泡沫金属强化换热骨架的填充结构。通孔泡沫金属3可以通过熔体凝固法、固态烧结法或电沉积法制备，通孔泡沫金属3与冷凝换热管2外表面通过焊接固定。
23.如图1所示，冷凝换热管2管内供水自下而上流通，管外供制冷剂流通，制冷剂通过通孔泡沫金属3自上而下流通。该装置采用水冷方式，冷凝温度低，运行经济节能。冷凝换热管2外表面采用高孔密度的通孔泡沫金属3，泡沫金属可以增加换热面积，减震，减轻噪音，同时高孔密度的设计和空间点阵式棱锥型泡沫金属强化换热骨架的填充结构可以大大减小流动阻力的影响，有助于强化换热。通过逆流方式达到最佳传热效果，并且冷凝换热管2内壁设有内螺纹，有助于强化换热。该装置设计结构紧凑，能够在有限的空间中实现高效散热。
24.上述具体实施方式，仅为说明本发明的技术构思和结构特征，目的在于让熟悉此项技术的相关人士能够据以实施，但以上内容并不限制本发明的保护范围，凡是依据本发明的精神实质所作的任何等效变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。


技术特征：
1.基于空间点阵式泡沫金属的航天热控系统强化冷凝装置，包括壳体(1)、冷凝换热管(2)，所述冷凝换热管(2)螺旋穿设在所述壳体(1)中，其特征在于：还包括通孔泡沫金属(3)，所述通孔泡沫金属(3)填充在壳体(1)内部冷凝换热管(2)的外壁上，所述壳体(1)上设置有制冷剂入口(11)和制冷剂出口(12)，壳体(1)内通有制冷剂，所述冷凝换热管(2)的两端设置有水入口(21)和水出口(22)，冷凝换热管(2)内通有水。2.根据权利要求1所述基于空间点阵式泡沫金属的航天热控系统强化冷凝装置，其特征在于：所述通孔泡沫金属(3)采用空间点阵式体心正交棱锥型骨架的填充结构，孔隙率为0.7～0.9，孔密度为20ppi。3.根据权利要求2所述基于空间点阵式泡沫金属的航天热控系统强化冷凝装置，其特征在于：所述通孔泡沫金属(3)为泡沫铜或泡沫镍，通过熔体凝固法、固态烧结法或电沉积法制备而成。4.根据权利要求3所述基于空间点阵式泡沫金属的航天热控系统强化冷凝装置，其特征在于：所述冷凝换热管(2)为铜管，内壁上设置有内螺纹，所述壳体(1)采用镀锌板。5.根据权利要求4所述基于空间点阵式泡沫金属的航天热控系统强化冷凝装置，其特征在于：所述冷凝换热管(2)通过螺栓盘设固定安装在所述壳体(1)内，所述通孔泡沫金属(3)与冷凝换热管(2)外表面通过焊接固定连接。6.根据权利要求1所述基于空间点阵式泡沫金属的航天热控系统强化冷凝装置，其特征在于：所述制冷剂入口(11)和制冷剂出口(12)分别设置在所述壳体(1)的上端和下端，所述水入口(21)和水出口(22)分别设置在冷凝换热管(2)的下端和上端。

技术总结
本发明涉及基于空间点阵式泡沫金属的航天热控系统强化冷凝装置，包括壳体、冷凝换热管、泡沫金属；所述冷凝换热管，管内供水流通，管外供制冷剂流通，管外外壁填充有高孔密度的通孔泡沫金属结构；所述泡沫金属为空间点阵式棱锥型泡沫金属强化换热骨架的填充结构。属于航天热控系统装置领域，随着航天系统领域高性能、高集成电子器件的热流密度迅速增大，本发明采用水冷方式代替传统风冷方式，同时通过管外采用高孔密度的泡沫金属代替翅片管的方式进行换热。泡沫金属在增加换热面积的同时，空间点阵式强化换热骨架的泡沫金属填充结构可以大大减小流动阻力的影响，显著提高换热效果，在有限的空间中实现高效散热。在有限的空间中实现高效散热。在有限的空间中实现高效散热。


技术研发人员：陈振乾 常静毅 许波 施娟
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2022.03.22
技术公布日：2022/7/1