一种被动式热控系统

1.本发明涉及一种热控系统，特别是用于脉冲热源的被动式热控系统。


背景技术：

2.基于雪崩三级管的脉冲功率源是一种典型的具有稳定度高、脉冲窄、上升时间短等优点的全固态脉冲源，可用于输出高功率、高重频脉冲，其在超宽带探地雷达、脉冲放电等离子体、激光武器等装备应用方面前景广阔。在脉冲源的重频工作过程中，电路板上雪崩三极管和充电电阻等电子元件会伴随产生大量焦耳热，目前雪崩管的局部热流密度可达300w/cm2以上。此外，为满足日益增长的脉冲源装备功能需求，装备工作时间将不断增长、负载功率不断提高，导致热流密度继续呈指数上升。如果不能将这些热量及时、快速转运，其将在电子元件上持续累积，导致短时间内的快速温升，严重威胁电子元件的正常运行与对应设备的功能完整性与使用寿命。因此，为脉冲源提供高效、可靠的热控方案是保障其输出高性能脉冲信号的必要条件。目前常用的自然对流、风扇气冷、泵驱液冷以及复合浸没沸腾和风扇气冷的热控方案具有传热效率低、均温性差、系统体积庞大、需持续耗能、易振动、产生噪音等不同缺点，在实际工作过程中可靠性较差。另一方面，脉冲源在实际工作过程中，其工作模式并非为长时间持续运行，而是随机地或周期地以一定时间间隔的间歇式运行。因此，基于相变材料的热量存储可为脉冲源的热控提供新的解决思路。
3.专利cn104867890 a公开了一种用于3d芯片的相变冷却结构，包括被封装结构封装且固定于基板上的多层相互平行的芯片以及芯片层间的储存块，储存块与各层芯片间构成为微通道，通过微通道内发生的沸腾带走芯片产生的热量，产生的蒸汽在封装结构上壁内侧面冷凝，并传导至外侧面的散热器。该专利中沸腾过程的补液环节需依靠微通道毛细力提供驱动力，因此当工质传输过程达到微通道的毛细极限时，芯片表面易发生烧干；同时，所述封装结构内侧的冷凝面并未有冷凝强化结构设计，冷凝传热过程效率较低，并会由此进一步导致整个冷却结构的传热效率降低；此外，该冷却结构并未有相变储热模块设计，当3d芯片的散热功率短时升高或者因外部环境变化导致外侧散热能力降低时，其无法提供稳定、可靠的散热。
4.专利cn108666282 a公开了一种智能泡沫金属强化沸腾冷却装置，主要通过利用泡沫金属的孔隙率和孔径大小随温度变化的记忆效应来强化沸腾传热。在该专利所述散热装置中，热源布置在封装腔体外侧底部，腔体内部冷凝表面为泡沫金属结构，且腔体顶部外侧设有风机用于强制对流散热而并无散热翅片设计，此外该散热装置并无相变储热设计，以上均与本专利所述设计明显不同。
5.专利cn107062974 a公开了一种高效热能梯级储存装置，包括储热罐和蛇形分布的换热管，储热罐内通过两块隔热板将储热罐分隔成高温腔、中温腔和低温腔，通过换热管与填充与高温腔和低温腔内不同类型的相变材料的强制对流换热，进行热量从换热管内流体到储热腔内相变材料间的传递，从而实现对换热管内洁净热流体热量的回收利用。本专利的目的主要在于通过对工业过程中洁净热流体的热量的存储实现余热回收利用。一方
面，该专利所述的储热系统与本专利中涉及的集成热量快速排散、高效存储与被动散热的热控系统的技术领域和设计思想明显不同；另一方面，从原理层面，该专利仅基于固-液相变传热与管内强制对流，而本专利则耦合液-气相变、固-液相变和自然对流，因此两者技术原理也明显不同。
6.专利cn209281327 u公开了一种气冷浸没式超级计算中心散热系统，其通过导热管进行沸腾导热箱与外部散热风道间的热量传递，导热箱内并无强化冷凝结构，传热效率较低，且该散热系统并无固-液相变材料的储热仓和系统封装外壳的散热翅片设计，系统整体为主动式散热，与本专利中集成相变材料储热和自然对流散热的被动式热控系统完全不同。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于克服上述现有热控方案的不足，提供一种满足脉冲热源散热需求的被动式热控系统。
8.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
9.提供一种被动式热控系统，该系统包含沸腾冷凝传热模块，相变储热模块和翅片散热模块。所述沸腾冷凝传热模块，其内部具有液态相变工质，内置电路板的产热单元被液态相变工质浸没，通过产热单元表面发生沸腾实现热量的快速转运，沸腾产生的气态相变工质向上运动，沸腾冷凝模块的上部布置有蒸汽冷凝区和由倒圆锥或倒棱锥结构组成的冷凝液滴落区，冷凝后的液态相变工质在冷凝液滴落区聚集并下落至产热单元所在区域；所述相变储热模块包含至少两层储热仓，上层储热仓和下层储热仓内填充不同相变材料用于储存经由沸腾冷凝传热模块传递而来的热量，上下层储热仓间布置有定向传热强化元件以提高相变材料熔化的均匀性及潜热的利用率；所述翅片散热模块，翅片布置于热控系统封装壳体外表面，通过与空气的自然对流与辐射实现热量向周围环境的排散。通过构建热量快速转运、高效存储和自然排散的全路径热控方案，实现对目标装备的高效、可靠、零能耗散热。
10.优选方案进一步包括如下任一技术特征：
11.所述沸腾冷凝传热模块的下表面为布置有不同类型、尺寸、热负荷的电子元件的电路板，且需要完全浸没于液态相变工质液面以下；冷凝传热模块的上表面布置阵列分布的倒圆锥或倒棱锥结构。
12.所述相变储热模块包含至少两层相变材料储热仓，其中下部储热仓填充低熔点金属或其合金材料；上部储热仓填充不同于下部储热仓的相变材料。下部储热仓的相变材料与上部储热仓的相变材料相比，具有更高热导率、更高相变潜热和/或更高密度。下部储热仓的相变材料为由锡、铋、铅、镓、铟金属制备的低熔点合金材料；上部储热仓的相变材料为石蜡或水合盐。
13.所述不同层储热仓间布置金属翅片、热管或石墨棒定向传热强化元件，在储热仓内布置泡沫金属部件和添加纳米粒子强化传热。
14.所述翅片散热模块为阵列布置于热控系统封装壳体外表面的三角形或矩形翅片，排布方式包括平行和交错布局。
15.所述液态相变工质为氟化液。
16.本发明与现有技术相比具有以下效果：
17.本发明提供的热控系统基于脉冲源装备在实际应用中间歇式运行的特点，通过构建热量快速转运、高效存储和自然排散的全路径热控方案，实现对目标设备的被动式热控，系统结构更紧凑，避免了由运动部件导致的振动和噪音，系统在运行时的可靠性高，对不同恶劣运行环境的适应性更强。同时，基于沸腾和冷凝的相变传热可提高电路板上产热单元热量的转运速度和不同位置电子元件表面温度的均匀性，且热源表面温度可控性更好。此外，相变储热模块内分层布置不同相变材料的储热仓，充分结合了下部储热仓填充材料热导率高、相变潜热大和上部储热仓相变潜热高、密度小的特点，可实现储热模块的高效、轻量化设计。
附图说明
18.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
19.图1是本发明提供的一种被动式热控系统的结构示意图。
20.图2是本发明提供的一种被动式热控系统中沸腾冷凝传热模块上部冷凝表面的结构示意图。
21.附图标记说明：
22.1-电路板；2-产热单元；3-液态相变工质；4-气态相变工质；5-冷凝液滴落区；6-冷凝区；7-下层储热仓；8-定向传热强化元件；9-上层储热仓；10-翅片
具体实施方式
23.图1是本发明一种被动式热控系统的结构示意图。
24.下面结合附图对本发明进行具体描述。一种被动式热控系统，该系统包含沸腾冷凝传热模块，相变储热模块和翅片散热模块。所述沸腾冷凝传热模块，其下部有内置电路板1且布置有产热单元2，产热单元2通常为具有不同类型、尺寸、热负荷的电子元件，产热单元被液态相变工质3浸没，液态工质可为hfe7100、hfe7200、hfe7300、fc72等具有电绝缘属性的氟化液中的任意一种。通过产热单元表面发生的沸腾实现产热单元热量的快速转运，液态相变工质3沸腾产生的气态相变工质4在浮升力作用下向上运动并在沸腾冷凝模块上部表面的冷凝区6冷凝并释放热量，冷凝产生的液滴在倒锥体结构的冷凝液滴落区5聚集并下落至产热单元2所在区域。在沸腾冷凝传热模块的上表面通过冷凝过程释放的热量则继续以导热的方式传递至相变储热模块。所述相变储热模块包含至少两层储热仓(7，9)且内含不同相变材料，通过相变材料的显热和相变过程的潜热将设备运行期间产生的大部分热量短暂地存储于储热仓(7，9)内，然后在设备非运行期间通过翅片散热模块进行排散，上下层储热仓(7，9)间布置有定向传热强化元件8，实现储热仓(7，9)间热量传递的强化。所述翅片散热模块，翅片10布置于热控系统封装壳体外表面，通过与空气的自然对流和辐射实现热量向周围环境的排散。以上通过构建热量快速转运、高效存储和自然排散的全路径热控方案，实现对目标装备的高效、可靠、零能耗散热。
25.优选的，所述沸腾冷凝传热模块的上表面下侧可布置阵列分布的圆锥、棱锥等类似结构，通过倒锥体结构促进冷凝液的迁移以及液滴的成长与脱落，提高冷凝传热效率，所
述倒锥体结构的尺寸及布局可依据沸腾冷凝传热模块的下表面产热单元2的分布及热负荷特点进行调整。
26.优选的，所述沸腾冷凝传热模块的上表面分为冷凝区6和由锥体结构组成的冷凝液滴落区5(参见图2)，蒸汽主要在冷凝区6冷凝成液态，随后在冷凝液滴落区5受重力作用下落至产热单元2所在区域，分区设计有利于减小上升蒸汽和下落液滴运动的相互阻碍作用，从而进一步提高沸腾冷凝传热模块的热量传递效率。
27.优选的，所述相变储热模块包含至少两层相变材料储热仓(7，9)，其中下部储热仓7填充材料具有高热导率、高相变潜热，包括由锡、铋、铅、镓、铟金属制备的低熔点合金材料，上部储热仓9则填充相变潜热高、密度小的相变材料，包括石蜡和水合盐，充分结合不同相变材料的物性特点，实现储热模块的高效、轻量化设计。相变材料储热仓(7，9)的层数以及不同层储热仓高度的比例可根据装备热负荷及工作特点进行调整。不同层储热仓(7，9)间布置有金属翅片、热管、石墨棒等定向传热强化元件8，以提高热量从下层储热仓7传递至上层储热仓9的效率，此外，在储热仓内还可布置泡沫金属、添加纳米粒子等方式强化传热，以提高相变材料熔化的均匀性及潜热的利用率。
28.优选的，所述翅片散热模块的翅片10布置于热控系统封装壳体外表面，封装外壳不同侧面的翅片形状、数量、几何参数、布置方向和布局方式等可依需求调整，以同时实现热控系统的高效散热与轻量化设计。
29.本发明的实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。